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螺栓螺母拧紧力矩浅析


浅析螺栓螺母拧紧力矩
2012年4月24日

编辑:郑成





螺栓联接是设备安装中应用最为广泛的可拆式联接之一。为了增强 螺栓螺纹联接的刚性、紧密性、防松能力以及防止受横向载荷螺栓联接 的滑动,多数螺纹联接在装配时都需要预紧,合适的拧紧力矩对螺栓联 接件和被连接件的寿命都是有益的

。 拧紧力矩过大往往会导致联接失效,特别是在密封联接的情况下, 螺栓拧紧力矩过大,密封垫片会被压死而失去弹性或者螺栓拧断,拧紧 力矩太小就达不到紧固作用。如何确定螺栓拧紧力矩就成为我们必须重 视的问题。

目 录
?拧紧力矩不当导致的后果 ?螺栓联接的受力情况 ?拧紧力矩计算方法 ?拧紧力矩的合理性要求 ?螺栓预紧力的控制 ?总结

拧紧力矩不当导致的后果
1、螺纹联接零件的静力破坏 若螺纹紧固件拧得过紧,即扭紧力矩过大,则螺栓可能被拧,联 接件被压碎、咬粘、扭曲或断裂,也可能螺纹牙被剪断而脱扣。 2、被联接件滑移、分离或紧固件松脱 对于承受横向载荷的普通螺栓联接,扭紧力矩使被联接件间产生正 压力,依靠摩擦力抵抗外载荷,因此,预紧力的大小决定了它的承受 能力。若预紧力不足,被联接件将出现滑移,从而导致被联接件错位 、歪斜、折皱,甚至紧固件被剪断。 对于受轴向载荷的螺栓联接,扭紧力矩使接合面上产生压紧力, 受外载荷作用后的剩余预紧力是接合面上工作时的压紧力。预紧力不 足将会导致接合面泄漏,如发动机漏气等,甚至导致被联接件分离。 预紧力不足还将引起强烈的横向振动,致使螺母松脱。 3、螺栓疲劳破坏 大多数螺栓因疲劳而失效。减小预紧力虽然能使螺栓上循环变化的 总载荷的平均值减小,但却使载荷变幅增大,因此,总的效果大多数 是使螺栓疲劳寿命下降。

螺栓联接的受力情况
多数情况下螺栓都是成组使用的,设计时,是根据被联接件的结构和 联接件的载荷来确定联接的传力方式、螺栓的数目和布置。一般来说,其 受力情况有以下几种: (1)纯轴向力,即只在螺栓的轴向受力; (2)横向力.即螺栓的径向受力: (3)旋转力矩,如轮法兰联接; (4)翻转力矩,也叫倾覆力矩。 其中第1、第4种受力采用受拉螺栓联接,第2、第3种受力情况既可采用受 拉螺栓联接,也可采用受剪螺栓联接。在生产中,采用受拉螺栓联接较多 , 按国家标准选用的螺栓也为受拉螺栓。

拧紧力矩计算方法
扭矩拧紧法是最常用的螺栓拧紧方法,通过扭矩扳手显示的扭矩 值来控制被连接件的预紧力,操作简单、直观。 拧紧螺栓时的拧紧力矩: M = KtQ0d ×10 - 3 N · m 式中:Q0 ———预紧力,N ; Kt ———拧紧力系数; d ———螺栓的公称直径,mm。 系数Kt 与螺纹表面及法兰的光洁度、润滑状况、拧紧速度、所 用拧紧工具、以及反复拧紧时的温度变化等有关,通常在0. 1~0. 3 之间变化。具体可见下表:

预紧力Q0 =σ0×As As也可由下面表查出 ; As=π×ds2/4 ds:螺纹部分危险剖面的计算直径; ds=(d2+d3)/2 d3= d1-H/6 H:螺纹牙的公称工作高度; σ0 =(0.5~0.7)σs σs――――螺栓材料的屈服极限N/mm2 (与强 度等级相关,材质决定)。 举例:M20的螺栓,8.8级。M = Kt ×σ0×As d ×10 - 3 =0.19 × 0.7× 640 ×245 ×20 × 10 – 3 = 417 N · m

速查表:
螺栓直径 性能等级 标准值 4.8 8.8 螺栓直径 性能等级 0.7 1.3 M3 M4 M5 拧紧力N*m 范围值 0.6-0.75 1.1-1.5 M8 标准值 1.6 3.1 范围值 1.3-1.7 2.6-3.5 M10 标准值 3.2 6.3 M12 拧紧力N*m 标准值 4.8 8.8 螺栓直径 性能等级 13 26 M18 范围值 11-14 22-29 标准值 26 52 M20 范围值 22-29 44-58 标准值 45 91 M22 拧紧力N*m 标准值 4.8 8.8 螺栓直径 性能等级 154 308 范围值 132-173 260-347 M30 标准值 219 438 范围值 185-245 369-492 M33 标准值 298 595 范围值 256-330 502-669 M36 拧紧力N*m 标准值 4.8 8.8 753 1500 范围值 635-842 1267-1689 标准值 1026 2050 范围值 650-1085 1704-2172 标准值 1317 2630 范围值 1108-1475 2214-2952 标准值 379 760 范围值 320-424 638-850 标准值 555 1110 范围值 464-620 933-1244 范围值 38-51 76-102 标准值 72 144 范围值 62-81 121-162 M24 标准值 112 225 范围值 95-126 189-252 M27 范围值 2.7-3.5 5.3-7 标准值 5.4 10.8 M14 范围值 4.5-6 9-12 标准值 9 18 M16 范围值 7.5-10 15-20 M6 M7

考虑拧紧力矩的合理性
通常情况下由N个螺栓螺母副联接的法兰联接体,给予一定的紧 固力F的同时,联接体内产生内压力Fx,对于这种用于有一定内压力 的流体的联接体,设计螺栓的拧紧力矩时,须考虑以下四点: 1、确保螺栓的强度,即不允许发生因拧紧力矩过大导致螺栓的屈服破 坏而丧失联接体的机能;般规定拧紧后的螺纹联接件预紧应力不得大 于其材料屈服点G。的80%; 2、确保螺纹的强度,不能因为过大的拧紧力矩而导致螺纹发生脱扣现 象;恰当的拧紧力矩需要保证螺纹得以旋紧而不致使螺纹或螺母有所 损害。这就要求旋紧扭矩必然介于旋入扭矩及极限扭矩之间; 3、确保法兰盘的强度,不能因过大的拧紧力矩导致法兰发生破坏 ; 4、确保垫片、垫圈的性能,既保证不因拧紧力矩过小导致渗漏,也不 因拧紧力矩过大导致垫片压死,从而在产生内压力后渗漏。

预紧力控制
螺栓的预紧力关系到法兰连接系统的紧密性和可靠性,所以在现场安 装设备或管道时往往需要知道并能控制螺栓预紧力的大小。 1、通过拧紧力矩控制预紧力,由于受摩擦系数和几何参数偏差的影响,在一 定的拧紧力矩下,预紧力数值的离散性比较大,因此,通过拧紧力矩来控制螺 栓预紧力的控制精度不高,其误差约为±25 %,最大可达±40 %,控制拧紧 力矩精度较高的工具是测力矩扳手和限力矩扳手; 2、通过螺母转角控制预紧力,根据需要的预紧力计算出螺母转角,拧紧时量 出螺母转角就可达到控制预紧力的目的。 θ-螺母转角;P -螺栓螺距 F -预紧力;CL -螺栓刚度 CF -被联接件刚度;

3、通过螺栓伸长量控制预紧力,因为螺栓的伸长量只和螺栓的应力有关 ,可以排除摩擦系数、接触变形、被连接件变形等可变因素的影响。以 ,通过螺栓伸长量控制预紧力可以获得最高的控制精度,它被广泛用作 重要场合螺栓法兰连接的预紧力控制方法。

4、使用液压拉紧器控制预紧力,使用液压拉紧器给螺栓施加拉力,使之伸 长,然后轻轻旋紧螺母,待撤去拉力之后,由于螺栓收缩就可在连接中产 生和拉力相等之预紧力。这样的预紧方式可以提高预紧力的控制精度 。液压拉紧器给螺栓施加预紧力时没有摩擦力所以适合任何尺寸的螺 栓。


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