摘要本文主要分析了常用的扭矩扳手的結構、工作原理及使用方法, 分析了影響扭矩扳手準確性的因素, 由此產生的危害及如何進行控制。
1 引言
我公司生產中, 螺紋聯接質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緊力是目前比較常用的方法,也是核電站設備、受壓容器和高速旋轉設
備制造安裝中運用最廣泛的手段。螺紋聯接質量是保證設備質量及設備正常運轉的基礎。絕大多數螺紋在聯接時都要預緊,目的在于增強聯接的剛性、緊密性、防松及防滑。預緊力的適當控制又是確保螺紋聯接質量的關鍵, 因為螺紋聯接的預緊力對螺紋的總載荷、聯接的臨界載荷、抵抗橫向載荷的能力和接合面密封能力等產生影響。將兩個或兩個以上的工件結合在一起的方法很多, 其中藉由螺紋方式來組合和分解是容易而且理想的選擇。螺紋結合主要是夾緊物體的力必須大于使它們分開的力, 而螺栓須處于固定的應力下且不受疲勞強度的影響但是, 如果預緊力太小, 作用在螺栓上的不同方向的負載會很快讓螺栓松動脫落; 如果預緊力太大, 鎖緊的過程可能導致螺栓疲勞失效。過大或過小的預緊力均是有害的, 所以預緊力的大小、準確度都十分重要, 從而使預緊力的控制成為螺紋聯接的重要問題之一。常用的控制預緊力方法有力矩法、螺母轉角法、螺栓預伸長法、特殊墊圈法等, 我公司常用的是力矩法, 即用扭矩扳手達到規定的預緊力。
2 產品裝配時使用扭矩扳手的意義
預緊力大小的控制主要依賴扭矩扳手來實現, 不適當的預緊力可引起一系列不良后果:
(l) 螺紋聯接零件的靜力破壞
若螺紋緊固件擰得過緊, 即預緊力過大, 則螺栓可能被擰斷, 聯接件被壓碎、咬粘、扭曲或斷裂, 也可能造成螺紋牙被剪斷而脫扣。
(2) 被聯接件滑移、分離或緊固件松脫
對于承受橫向載荷的普通螺栓聯接,預緊力使被聯接件間產生正壓力, 依靠摩擦力抵抗外載荷, 因此, 預緊力的大小決定了它的承受能力。若預緊力不足, 被聯接件將出現滑移, 從而導致被聯接件錯位、歪斜、折皺, 甚至緊固件被剪斷。對于受軸向載荷的螺栓聯接, 預緊力使接合面上產生壓緊力, 受外載荷作用后的剩余預緊力是接合面上工作時的壓緊力。預緊力不足會導致接合面泄漏, 如壓力管道漏水、漏氣,甚至導致兩被聯接件分離, 還將引起強烈的橫向振動, 致使螺母松脫。
(3) 螺栓疲勞破壞
大多數螺栓因疲勞而失效。減小預緊力雖然能使螺栓上循環變化的總載荷的平均值減小, 但卻使載荷變幅增大, 因此, 總的效果大多數是使螺栓疲勞壽命下降。
(4 )增大設備質量與成本
若預緊力過小, 需使用較多和(或)較大的緊固件, 往往也需采用較大的被聯接件, 因而增大了產品成本。同時, 許多產品的成本是與需要裝配的零件數目成正比的, 所以預緊力過小將導致裝配成本和制造成本及維修費用的增加。
3 公司常用扭矩扳手的工作原理和特點
扭矩是使機械構件產生轉動效應, 并伴隨扭轉變形的力偶矩或力矩。扭矩的大小用T 來度量, 它等于力F與力臂長度l 的乘積, 即T = F · l式中l—力臂長度,m尸—作用力, 當螺帽和螺栓鎖緊時, 會產生預緊力到螺栓上, 此時會有一個相對的力量產生,壓縮到工件上進而將此二者緊密結合。扭矩扳手的種類繁多, 按數值顯示方式不同可以分成定值式、可調式、表盤式和數顯式等不同形式。我廠常用的是可調式扭矩扳手。可調式扭矩扳手手柄上帶有刻度, 使用人員可以在使用前根據自己的需要調整扭矩的大小, 然后供以后使用。
結構原理見
圖1 可調式扭矩板手結構原理圖
A- 聯接器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—劍定位盤0 - - 墊圈
P一調整本體Q—墊圈R一鎖緊螺栓S—剎套筒尺口r~ - 一扭矩彈妥
U—定位螺帽V —主定位盤W— 內六角螺檢X—內六角扳手Y—鎖緊本體
Z—支頭娜打A’—內卡黃
在使用扭矩扳手時, 將需要的扳手頭子裝在本體D 上, 聯接器A 將扳手頭子擋住, 防止脫落。使用扭矩扳手時在橡膠手柄K 中部順時針方向施加一個平穩旋轉力矩, 則本體D 將產生一個反時針方向旋轉力矩, 并推動連桿G 、扭矩本體I、扭矩彈簧T 向右移動。當本體D 碰到外殼J 時發出“ 咔噠” 的機械響聲, 此時產生了設定的扭矩。在手柄為不可用手左右旋轉鎖緊本體Y 帶動其內六角扳手X 及六角螺栓W 時,順時針方向旋轉, 將主定位盤V 與副定位盤N 壓緊, 此時不可調整。反時針方向轉動時將主定位盤V 與副定位盤N 松開, 此時便可以調整。根據要求主副定位盤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應。主定位盤V 與副定位盤N 之間有定位鋼球M , 當內六角螺栓W 松開時, 副定位盤N 可以在調整本體P 帶動下轉動, 推動主定位盤V 移動, 壓緊或松開彈簧, 以達到調整扭矩大小的目的。內六角螺栓W 與定位螺帽U 調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確度, 止位銷L 使主定位盤V 在外殼J 上的槽里滑動而不轉動。鎖緊螺栓R 將調整本體P 鎖緊在副套筒尺S 上, 副套簡尺S 圓周上的刻度與外殼J 上主尺成游標讀數型式。此種扭矩扳手的優點是體積小、經久耐用、使用方便, 準確度一般為土4 % , 達到預置扭矩值時能自動失扭; 缺點是對操作人員要求比較高, 當要達到扭矩時用力不能太猛, 必須平穩地施加一個旋轉力矩, 否則, 如果用力太猛, 將產生誤差。經過一段時間使用以后準確度容易降低。我廠有少量數顯電子扭矩扳手。電子扭矩扳手的特點是準確度高( 土1% )、功能齊全, 主要用于比較精密的測量, 最終檢驗等場合。數顯扭矩扳手是利用電阻應變原理的傳感器和數字放大儀器、數字顯示器組成。現在一般使用的傳感器是在扭矩軸上貼上應變片, 當在扭矩軸上施加扭矩時應變片阻值發生變化, 造成橋路不平衡來達到測量扭矩大小的目的。數顯扭矩扳手具有可直接向打印機、計算機或數據采集器進行輸出的性能。
4 影響扭矩扳手準確性的因素
1 螺栓摩擦的影響
螺栓聯接的扭緊力矩指達到要求預緊力時的扳手力矩。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定的, 工作中往往會出現取值波動或不準確的情況。在螺紋副扭緊過程中,扭矩與預緊力成正比關系:
K 可概括影響扭緊力矩與預緊力關系的每一個因素, 如摩擦系數、扭轉變形、彎曲變形、螺紋牙的塑性變形等。由于扭緊系數K 與摩擦有直接關系,所以螺紋副以及連接接觸面間的摩擦損耗直接左右著T 值的準確程度。扭緊螺母時, 要克服螺紋副間的螺紋力矩界和螺母與被聯接件(或墊圈)支承面的端面摩擦力矩幾。預緊力的大小根據螺栓組受力和聯接的工況要求決定。一般規定擰緊后螺紋聯接件的預緊力不得大于其材料屈服極限的so %。根據螺紋聯接狀態及參數, 可在產品使用手冊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與查出的扭緊力矩指示值耳相同即完成力矩法。對于一般的螺紋聯接, 產品使用手冊所列參數僅為螺紋規格及其材料的屈服極限值。對于重要的螺紋聯接, 產品使用手冊所列的參數包括: 螺母與被聯接支承面摩擦表面狀態(摩擦系數)、螺紋聯接件材料的屈服極限。: 值、螺紋的種類、規格等。一般來說在使用中螺栓頭底部和工件表面的摩擦使相當于50 % 的扭矩被消耗掉, 其它30 % 到40 % 的扭矩損失在螺紋處的摩擦, 僅剩下10 % 的扭矩才能有效地作用在鎖緊上。多達90 % 的使用扭矩都因摩擦因素而消耗掉, 表面狀況與潤滑在扭矩對預緊力的關連上會有相當的影響, 隨著不同表面摩擦系數的改變將有不同的結果。大部分的扭矩鎖緊裝置都不會使用墊圈, 因為螺帽與工件或工件與結合表面在鎖緊過程中相對作用的結果會改變摩擦半徑, 而影響扭矩對預緊力的關連性。當一個大的軸承表面需要使用凸緣螺帽與螺栓時, 則可利用墊圈來幫助結合。為了有利于螺栓, 一般常使用硬的墊圈來提供較低、而且穩定的摩擦。使用潤滑脂的螺栓會降低扭矩, 而增加預緊力, 并且可能在到達所規定的扭矩前螺栓就已經斷裂。由石墨、二硫化鑰和蠟所組成的高級的潤滑脂會減小摩擦力。除非特定的鎖緊力需要使用, 否則可能導致預緊力過大而使螺栓產生斷裂。然而, 在使用中, 較低扭矩的鎖緊工具可以使用潤滑劑來幫助使其能以較低的扭矩產生所需的預緊力。螺栓可能會因外觀或防腐蝕因素而電鍍。電鍍和熱處理會影響摩擦系數和扭矩對預緊力的比例。螺栓上的摩擦可避免震動產生的松動, 像防松螺帽被用來確保鎖緊力。無論螺紋副或者接觸面之間的摩擦系數都是影響扭矩值的主要原因, 必須控制螺栓、螺帽的材質、熱處理、加工精度, 并仔細檢查有無劃傷、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。在運輸、儲存過程中一定要避免碰撞和生銹。