摘要本文主要分析了常用的扭矩扳手的結(jié)構(gòu)、工作原理及使用方法, 分析了影響扭矩扳手準(zhǔn)確性的因素, 由此產(chǎn)生的危害及如何進(jìn)行控制。
1 引言
我公司生產(chǎn)中, 螺紋聯(lián)接質(zhì)量的重要性已引起廣泛重視。利用扭矩扳手控制螺紋連接的預(yù)緊力是目前比較常用的方法,也是核電站設(shè)備、受壓容器和高速旋轉(zhuǎn)設(shè)
備制造安裝中運(yùn)用最廣泛的手段。螺紋聯(lián)接質(zhì)量是保證設(shè)備質(zhì)量及設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。絕大多數(shù)螺紋在聯(lián)接時(shí)都要預(yù)緊,目的在于增強(qiáng)聯(lián)接的剛性、緊密性、防松及防滑。預(yù)緊力的適當(dāng)控制又是確保螺紋聯(lián)接質(zhì)量的關(guān)鍵, 因?yàn)槁菁y聯(lián)接的預(yù)緊力對(duì)螺紋的總載荷、聯(lián)接的臨界載荷、抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等產(chǎn)生影響。將兩個(gè)或兩個(gè)以上的工件結(jié)合在一起的方法很多, 其中藉由螺紋方式來(lái)組合和分解是容易而且理想的選擇。螺紋結(jié)合主要是夾緊物體的力必須大于使它們分開(kāi)的力, 而螺栓須處于固定的應(yīng)力下且不受疲勞強(qiáng)度的影響但是, 如果預(yù)緊力太小, 作用在螺栓上的不同方向的負(fù)載會(huì)很快讓螺栓松動(dòng)脫落; 如果預(yù)緊力太大, 鎖緊的過(guò)程可能導(dǎo)致螺栓疲勞失效。過(guò)大或過(guò)小的預(yù)緊力均是有害的, 所以預(yù)緊力的大小、準(zhǔn)確度都十分重要, 從而使預(yù)緊力的控制成為螺紋聯(lián)接的重要問(wèn)題之一。常用的控制預(yù)緊力方法有力矩法、螺母轉(zhuǎn)角法、螺栓預(yù)伸長(zhǎng)法、特殊墊圈法等, 我公司常用的是力矩法, 即用扭矩扳手達(dá)到規(guī)定的預(yù)緊力。
2 產(chǎn)品裝配時(shí)使用扭矩扳手的意義
預(yù)緊力大小的控制主要依賴(lài)扭矩扳手來(lái)實(shí)現(xiàn), 不適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力可引起一系列不良后果:
(l) 螺紋聯(lián)接零件的靜力破壞
若螺紋緊固件擰得過(guò)緊, 即預(yù)緊力過(guò)大, 則螺栓可能被擰斷, 聯(lián)接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂, 也可能造成螺紋牙被剪斷而脫扣。
(2) 被聯(lián)接件滑移、分離或緊固件松脫
對(duì)于承受橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接,預(yù)緊力使被聯(lián)接件間產(chǎn)生正壓力, 依靠摩擦力抵抗外載荷, 因此, 預(yù)緊力的大小決定了它的承受能力。若預(yù)緊力不足, 被聯(lián)接件將出現(xiàn)滑移, 從而導(dǎo)致被聯(lián)接件錯(cuò)位、歪斜、折皺, 甚至緊固件被剪斷。對(duì)于受軸向載荷的螺栓聯(lián)接, 預(yù)緊力使接合面上產(chǎn)生壓緊力, 受外載荷作用后的剩余預(yù)緊力是接合面上工作時(shí)的壓緊力。預(yù)緊力不足會(huì)導(dǎo)致接合面泄漏, 如壓力管道漏水、漏氣,甚至導(dǎo)致兩被聯(lián)接件分離, 還將引起強(qiáng)烈的橫向振動(dòng), 致使螺母松脫。
(3) 螺栓疲勞破壞
大多數(shù)螺栓因疲勞而失效。減小預(yù)緊力雖然能使螺栓上循環(huán)變化的總載荷的平均值減小, 但卻使載荷變幅增大, 因此, 總的效果大多數(shù)是使螺栓疲勞壽命下降。
(4 )增大設(shè)備質(zhì)量與成本
若預(yù)緊力過(guò)小, 需使用較多和(或)較大的緊固件, 往往也需采用較大的被聯(lián)接件, 因而增大了產(chǎn)品成本。同時(shí), 許多產(chǎn)品的成本是與需要裝配的零件數(shù)目成正比的, 所以預(yù)緊力過(guò)小將導(dǎo)致裝配成本和制造成本及維修費(fèi)用的增加。
3 公司常用扭矩扳手的工作原理和特點(diǎn)
扭矩是使機(jī)械構(gòu)件產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng), 并伴隨扭轉(zhuǎn)變形的力偶矩或力矩。扭矩的大小用T 來(lái)度量, 它等于力F與力臂長(zhǎng)度l 的乘積, 即T = F · l式中l(wèi)—力臂長(zhǎng)度,m尸—作用力, 當(dāng)螺帽和螺栓鎖緊時(shí), 會(huì)產(chǎn)生預(yù)緊力到螺栓上, 此時(shí)會(huì)有一個(gè)相對(duì)的力量產(chǎn)生,壓縮到工件上進(jìn)而將此二者緊密結(jié)合。扭矩扳手的種類(lèi)繁多, 按數(shù)值顯示方式不同可以分成定值式、可調(diào)式、表盤(pán)式和數(shù)顯式等不同形式。我廠常用的是可調(diào)式扭矩扳手。可調(diào)式扭矩扳手手柄上帶有刻度, 使用人員可以在使用前根據(jù)自己的需要調(diào)整扭矩的大小, 然后供以后使用。
結(jié)構(gòu)原理見(jiàn)
圖1 可調(diào)式扭矩板手結(jié)構(gòu)原理圖
A- 聯(lián)接器B—軸承悄C—彈贊墊圈D 一一本體E—彈子
F—連接梢C—連桿H—滾輪】一扭拒本體J—外殼
K—手柄L—止位梢M—鋼球N—?jiǎng)Χㄎ槐P(pán)0 - - 墊圈
P一調(diào)整本體Q—墊圈R一鎖緊螺栓S—?jiǎng)x套筒尺口r~ - 一扭矩彈妥
U—定位螺帽V —主定位盤(pán)W— 內(nèi)六角螺檢X—內(nèi)六角扳手Y—鎖緊本體
Z—支頭娜打A’—內(nèi)卡黃
在使用扭矩扳手時(shí), 將需要的扳手頭子裝在本體D 上, 聯(lián)接器A 將扳手頭子擋住, 防止脫落。使用扭矩扳手時(shí)在橡膠手柄K 中部順時(shí)針?lè)较蚴┘右粋�(gè)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)力矩, 則本體D 將產(chǎn)生一個(gè)反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)力矩, 并推動(dòng)連桿G 、扭矩本體I、扭矩彈簧T 向右移動(dòng)。當(dāng)本體D 碰到外殼J 時(shí)發(fā)出“ 咔噠” 的機(jī)械響聲, 此時(shí)產(chǎn)生了設(shè)定的扭矩。在手柄為不可用手左右旋轉(zhuǎn)鎖緊本體Y 帶動(dòng)其內(nèi)六角扳手X 及六角螺栓W 時(shí),順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn), 將主定位盤(pán)V 與副定位盤(pán)N 壓緊, 此時(shí)不可調(diào)整。反時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將主定位盤(pán)V 與副定位盤(pán)N 松開(kāi), 此時(shí)便可以調(diào)整。根據(jù)要求主副定位盤(pán)V 與N 上有分成等分的鋼球凹坑, 凹坑等分與副套筒尺上刻度一一對(duì)應(yīng)。主定位盤(pán)V 與副定位盤(pán)N 之間有定位鋼球M , 當(dāng)內(nèi)六角螺栓W 松開(kāi)時(shí), 副定位盤(pán)N 可以在調(diào)整本體P 帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng), 推動(dòng)主定位盤(pán)V 移動(dòng), 壓緊或松開(kāi)彈簧, 以達(dá)到調(diào)整扭矩大小的目的。內(nèi)六角螺栓W 與定位螺帽U 調(diào)整好間隙以后必須焊成一體。間隙的大小直接影響扭矩扳手的準(zhǔn)確度, 止位銷(xiāo)L 使主定位盤(pán)V 在外殼J 上的槽里滑動(dòng)而不轉(zhuǎn)動(dòng)。鎖緊螺栓R 將調(diào)整本體P 鎖緊在副套筒尺S 上, 副套簡(jiǎn)尺S 圓周上的刻度與外殼J 上主尺成游標(biāo)讀數(shù)型式。此種扭矩扳手的優(yōu)點(diǎn)是體積小、經(jīng)久耐用、使用方便, 準(zhǔn)確度一般為土4 % , 達(dá)到預(yù)置扭矩值時(shí)能自動(dòng)失扭; 缺點(diǎn)是對(duì)操作人員要求比較高, 當(dāng)要達(dá)到扭矩時(shí)用力不能太猛, 必須平穩(wěn)地施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)力矩, 否則, 如果用力太猛, 將產(chǎn)生誤差。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用以后準(zhǔn)確度容易降低。我廠有少量數(shù)顯電子扭矩扳手。電子扭矩扳手的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高( 土1% )、功能齊全, 主要用于比較精密的測(cè)量, 最終檢驗(yàn)等場(chǎng)合。數(shù)顯扭矩扳手是利用電阻應(yīng)變?cè)淼膫鞲衅骱蛿?shù)字放大儀器、數(shù)字顯示器組成�，F(xiàn)在一般使用的傳感器是在扭矩軸上貼上應(yīng)變片, 當(dāng)在扭矩軸上施加扭矩時(shí)應(yīng)變片阻值發(fā)生變化, 造成橋路不平衡來(lái)達(dá)到測(cè)量扭矩大小的目的。數(shù)顯扭矩扳手具有可直接向打印機(jī)、計(jì)算機(jī)或數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行輸出的性能。
4 影響扭矩扳手準(zhǔn)確性的因素
1 螺栓摩擦的影響
螺栓聯(lián)接的扭緊力矩指達(dá)到要求預(yù)緊力時(shí)的扳手力矩。由于螺紋連接件間存在著摩擦, 而摩擦造成的損耗一般情況下是較難測(cè)定的, 工作中往往會(huì)出現(xiàn)取值波動(dòng)或不準(zhǔn)確的情況。在螺紋副扭緊過(guò)程中,扭矩與預(yù)緊力成正比關(guān)系:
K 可概括影響扭緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系的每一個(gè)因素, 如摩擦系數(shù)、扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形、螺紋牙的塑性變形等。由于扭緊系數(shù)K 與摩擦有直接關(guān)系,所以螺紋副以及連接接觸面間的摩擦損耗直接左右著T 值的準(zhǔn)確程度。扭緊螺母時(shí), 要克服螺紋副間的螺紋力矩界和螺母與被聯(lián)接件(或墊圈)支承面的端面摩擦力矩幾。預(yù)緊力的大小根據(jù)螺栓組受力和聯(lián)接的工況要求決定。一般規(guī)定擰緊后螺紋聯(lián)接件的預(yù)緊力不得大于其材料屈服極限的so %。根據(jù)螺紋聯(lián)接狀態(tài)及參數(shù), 可在產(chǎn)品使用手冊(cè)上查出薦用的擰緊力矩指示值耳。擰緊螺母使扳手上的扭矩表讀數(shù)與查出的扭緊力矩指示值耳相同即完成力矩法。對(duì)于一般的螺紋聯(lián)接, 產(chǎn)品使用手冊(cè)所列參數(shù)僅為螺紋規(guī)格及其材料的屈服極限值。對(duì)于重要的螺紋聯(lián)接, 產(chǎn)品使用手冊(cè)所列的參數(shù)包括: 螺母與被聯(lián)接支承面摩擦表面狀態(tài)(摩擦系數(shù))、螺紋聯(lián)接件材料的屈服極限。: 值、螺紋的種類(lèi)、規(guī)格等。一般來(lái)說(shuō)在使用中螺栓頭底部和工件表面的摩擦使相當(dāng)于50 % 的扭矩被消耗掉, 其它30 % 到40 % 的扭矩?fù)p失在螺紋處的摩擦, 僅剩下10 % 的扭矩才能有效地作用在鎖緊上。多達(dá)90 % 的使用扭矩都因摩擦因素而消耗掉, 表面狀況與潤(rùn)滑在扭矩對(duì)預(yù)緊力的關(guān)連上會(huì)有相當(dāng)?shù)挠绊? 隨著不同表面摩擦系數(shù)的改變將有不同的結(jié)果。大部分的扭矩鎖緊裝置都不會(huì)使用墊圈, 因?yàn)槁菝迸c工件或工件與結(jié)合表面在鎖緊過(guò)程中相對(duì)作用的結(jié)果會(huì)改變摩擦半徑, 而影響扭矩對(duì)預(yù)緊力的關(guān)連性。當(dāng)一個(gè)大的軸承表面需要使用凸緣螺帽與螺栓時(shí), 則可利用墊圈來(lái)幫助結(jié)合。為了有利于螺栓, 一般常使用硬的墊圈來(lái)提供較低、而且穩(wěn)定的摩擦。使用潤(rùn)滑脂的螺栓會(huì)降低扭矩, 而增加預(yù)緊力, 并且可能在到達(dá)所規(guī)定的扭矩前螺栓就已經(jīng)斷裂。由石墨、二硫化鑰和蠟所組成的高級(jí)的潤(rùn)滑脂會(huì)減小摩擦力。除非特定的鎖緊力需要使用, 否則可能導(dǎo)致預(yù)緊力過(guò)大而使螺栓產(chǎn)生斷裂。然而, 在使用中, 較低扭矩的鎖緊工具可以使用潤(rùn)滑劑來(lái)幫助使其能以較低的扭矩產(chǎn)生所需的預(yù)緊力。螺栓可能會(huì)因外觀或防腐蝕因素而電鍍。電鍍和熱處理會(huì)影響摩擦系數(shù)和扭矩對(duì)預(yù)緊力的比例。螺栓上的摩擦可避免震動(dòng)產(chǎn)生的松動(dòng), 像防松螺帽被用來(lái)確保鎖緊力。無(wú)論螺紋副或者接觸面之間的摩擦系數(shù)都是影響扭矩值的主要原因, 必須控制螺栓、螺帽的材質(zhì)、熱處理、加工精度, 并仔細(xì)檢查有無(wú)劃傷、滑扣、裂口、凹痕、縮頸或裂紋(用探傷檢查), 或螺栓、螺母配合松弛, 螺栓能否與螺栓孔緊密配合。在運(yùn)輸、儲(chǔ)存過(guò)程中一定要避免碰撞和生銹。