本文主要分析常用的扭矩扳手的結構、工作原理及使用方法, 分析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、在日常產品生產中, 螺紋聯接質量是非常重要的。

 

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：

 

      (1)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、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一 力臂長度 ,m

      F一作用力,N

      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。

      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。

      此種扭矩扳手的優點是體積小、經久耐用、使用方便,準確度般為+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。

 

      數顯電子扭矩扳手的特點是準確度高( +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

 

      4,1 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，而摩擲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:

      T =T+T2

      =K.Q.d

      式中T-扭矩.N.m

      K一扭緊力矩系數，Q一預緊力,Nd-螺栓直徑,mm

      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T和螺母與被聯接件(或墊圈)支承面的端面摩擦力矩T2。

      預緊力的大小根據螺栓組受力和聯接的工況要求決定。一般規定擰繁后螺紋聯接件的預紫力不得大于其材料屈服極限o,的80%。

      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r,。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7,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o,值。對于重要的螺紋聯接,產品使用手冊所列的參數包括:螺母與被聯接件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σ,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%的扭矩波消耗掉其它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、二硫化鉬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。然面,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海蝕因素而電鍍。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-定要避免碰攛和生銹。

 

      4.2操作人員操作技能的影響

      操作人員對連接系統以及所有扭矩扳手的了解程度，將直接影響到操作取值的準確性,比如扭緊速度.施力角度等因素。如圖2所示。

      角度過大將會在扭緊螺栓上產生一個夸曲力同時將增大單邊摩擦，加大損耗。因此，施力角度最好不超過土15。另外，運動副間存在摩擦遲滯現象，加力的穩定程度對最終取值也造成波動,所以要求避免變速加力,以及沖擊加力。因此，在螺紋緊圖件的連接設計中應該明確提出確切的初始預緊力的指標要求，在裝配工藝或施工規范中,根據設計要求,應制訂切實可行的方案采用合適的扭緊方法準確控制，來確保設計目標的實施是非常必要的。

 

      4.3扭矩扳手構造的影響及使用要求

      扭矩扳手目前種類繁多，我們大量使用的是可調式進行工作。扭矩扳手大都離不開主測力彈簧。因此,扭矩扳手的關鍵也就在此。大量超差及波動情況表明,彈簧自身材料的應變是造成扭矩扳手失效的，主要原因。為了保障彈簧能夠可靠地工作,其材料除應滿足具有較高的強度極限和屈服極限外,還必須具有較高的彈性極限疲勞極限.沖擊韌性。塑性和良好的熱處理工藝性等。要進行工藝檢驗和沖擊疲勞等試驗。預置式扭矩扳手使用完畢,應將其調至最小扭矩使測力彈簧充分放松，以延長其壽命。使用前,應按設定扭矩值施加預扭3次。不能使用預置式扭矩扳手去拆卸螺栓或螺母。嚴禁在扭矩扳手尾端加接套管延長力臂,以防損壞扭矩扳手。根據需要調節所需的扭矩，并確認調節機構處于鎖定狀態才可使用。使用扭矩扳手時,應平衡緩慢地加載，切不可猛拉猛壓，以免造成過載，導致輸出扭矩失準。在達到預置扭矩后,應停止加載。應避免水分侵人預置式扭矩扳手,以防零件銹蝕。由于內部機構比較緊湊,嚴禁承受彎曲力。

 

      4.4  校準與管理

      扭矩扳手是使用頻率比較高的側量工具。為了保證它的測量準確度，需要對扭矩扳手定期進行檢定與校準工作,必須配備符合要求的扭矩扳手校準裝置。目前校準標準有JC707- 2003 扭矩扳手檢定規程,校難儀器有扭矩扳手檢定儀.準確度為土1%，扭矩板手檢定儀必須定期進行檢定。由于校準環境大多數是在試驗室條件下,而使用大多數在現場難于受控的環境中,經過校準合格的扭矩扳手在使用過程中由于各種主要影響取值的要素都發生了變化,所測的讀數實際已處于失控狀態。在誤差要求寬松的場合不會造成影響。面在較嚴的工件上必須加強核驗。質保部力學組負責定期校準，一般不超過1年，可根據具體情況適當的縮短周期。

 

      5、結論

      通過對螺栓的裝配、質量及保管控制，操作人員的操作技能的培訓，扭矩扳手使用要求及扭矩扳手校準與管理，以提高扭矩扳手的準確性，達到提高產品質量的目的。