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殘余扭矩的測量方法有哪些?該如何選用?

殘余扭矩的測量方法有哪些?該如何選用?

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扭矩的衰減是螺紋連接擰緊后的必然現象,扭矩的衰減會造成軸力的下降,進而影響螺紋連接副的質量。因此盡量避免采用可能會導致扭矩衰減較高的設計。在殘余扭矩監控時要設置合理的扭矩衰減值下限。

擰緊過程中的動態扭矩是在擰緊螺栓的過程中,在線式扭矩傳感器測量得到的最大扭矩;而靜態扭矩是擰緊完成后,用扭矩扳手測量得到的扭矩。殘余扭矩屬于靜態扭矩。

那么殘余扭矩的測量方法有哪些?該如何選用?

 

殘余扭矩的測量方法

1、再擰緊扭矩法

再擰緊扭矩法是在已擰緊的螺栓上進一步擰緊較小的角度獲得螺栓開始轉動時的扭矩,通常繼續擰緊的角度不超15°,測試時間在擰緊后30min以內。需要注意時該擰緊方法不是繼續擰緊15°后獲得的扭矩,而是螺紋開始相對轉動時的扭矩,對于不同連接副,可能是5°,可能是10°。

之前有小伙伴在問采用再擰緊法,會不會造成螺紋過擰或者實際擰緊扭矩增加很多,畢竟對于硬連接,螺栓擰緊15°,扭矩會增加很多。其實這個顧慮是沒有必要的,當你再擰緊一定角度,一部分角度是消耗在被連接件的剛性上,另外一部分角度是消耗在將靜止的螺栓轉動上,而且擰緊的角度往往只有幾度,因此不會造成螺栓過擰。但螺絲君建議負責測試的人員,需要經過專業培訓,當采用無法記錄擰緊曲線的扳手進行測試時,測試結果與測試人員是息息相關的。

從再擰緊扭矩曲線上看,如下圖所示,通常會有2種狀態曲線,當靜態摩擦系數和動態摩擦系數接近時,測試曲線如左圖所示,曲線比較光滑,A點為再擰緊扭矩值;當靜態摩擦系數和動態摩擦系數差距較大(通常靜態摩擦系數高),測試曲線如右圖所示,曲線上升到一個較高扭矩后跌落,較高扭矩值為靜摩擦系數對應的點,跌落的扭矩值為動摩擦系數對應的點,B點為再擰緊扭矩值;通過以上分析,準確測試再擰緊扭矩值具有一定難度,因此測試人員應具備資質。

該方法無需破壞連接副、操作便利、工具價格適中,可靠性強,測試后零件無需返工,零件可以直接進入下道工序。

那如何評判擰緊點的再擰緊扭矩是否合格呢?通常情況下:

對于硬連接,0.8*預擰緊扭矩≤再擰緊扭矩≤1.2*預擰緊扭矩。

對于軟連接,0.5*預擰緊扭矩≤再擰緊扭矩≤1.2*預擰緊扭矩。

考慮到每個連接副特性會有差異,實際測試時,建議采用統計的方法確定特定點的再擰緊扭矩監控范圍。

2、檢測扭矩法

具體做法是檢測扭矩法是在擰緊的方向繼續擰緊,直至擰緊達到檢測扭矩(Mp),如果螺栓頭部不出現轉動,則判定為合格,反之則不合格。

該測試方法適合連接副在擰緊后,不能進行轉動。例如已經預涂微膠囊防松化學膠水的連接位置,如檢測過程中螺栓發生轉動,會破壞已經開始固化的膠水,降低了螺紋的防松性能。

檢測扭矩的經驗數值,一般可設置為預緊扭矩的80-90%,之前螺絲君文章有詳細論述,各類螺紋連接的監控范圍,各位老鐵可以自行查看。

 

3、剩余扭矩法

先將螺栓擰松10-30°,再擰緊至初始位置,獲得最終的擰緊扭矩值,該測試方法操作簡單,測試后也無需進行零件返工,對于靜摩擦系數遠高于動摩擦系數的螺栓,采用再擰緊扭矩法測量的數值往往離散性大,可以采用剩余扭矩法進行測試。

其監控范圍,可以先測試50組數據差異值較低的扭矩值,采用正態統計學方法,計算出均值μ和標準s,確定(μ-3s, μ+3s)為其監控范圍,根據連接件變更情況和時限,進行更新。

4、擰松法

具體做法用扭矩扳手緩慢向擰松的方向擰螺栓,使其松開,讀取開始轉動時候的扭矩數值,即松開扭矩。該方法操作簡單,成本低,對測試人員要求較低,但缺點是破壞了螺紋連接原有的擰緊的狀態,對于批量生產的車間,可能會影響其節拍。

擰松法的監控范圍和具體連接副相關。

擰緊過程中公式為:

擰松過程中公式為:

其中:

MT:擰緊扭矩,

ML:擰松扭矩,

F:軸力,

d2螺紋中徑,

Dkm:頭部摩擦直徑,

μ:摩擦系數,

P:螺距。

從公式1和公式2可以看出,MT:擰緊扭矩和ML:擰松扭矩受摩擦系數、擰緊軸力、螺距、頭下摩擦直徑和螺紋中徑影響,這會導致ML/MT的比值不是一個固定的值。因此,無法定義確切的要求數值。

以M10的螺紋為例,支撐面的有效等效直徑約14.2mm,先將螺栓擰至扭矩MT。停頓一段時間后,往擰松的方向測試松動扭矩為ML,通過計算ML/MT的數值。具體的比例如下表所示,摩擦系數越大,螺距越小,ML/MT的數值越高。

5、軸力衰減測量法

軸力測量法是近些發展起來的技術,常見的測量方法有超聲波測量法、壓力墊圈傳感器測量法和貼應變片測量法。超聲波測量法因測試精度高,測量相對簡便,還可以對在役狀態的螺栓進行定期跟蹤檢測,是目前應用較廣泛的一種方法。其優點是測試精度高,測量相對簡便,還可以對在役狀態的螺栓進行定期跟蹤檢測。

擰緊主要的目的是為了獲取軸力,測試軸力可以直接判定連接副的真實狀態,即使在扭矩衰減不合格的情況下,只要軸力滿足要求,連接副仍然是安全可靠的。

超聲波的測量原理是事先建立被測量螺栓擰緊軸力和超聲波飛行聲時差的關系,再通過超聲波測試螺栓在實際零件上擰緊飛行的聲時差,根據事先建立好的軸力-聲時差關系,反推出擰緊的軸力。

該方法主要應用在螺紋接頭設計時,擰緊工藝開發階段,通過測試經過路試外載荷或溫度載荷后,擰緊軸力的衰減情況,確定接頭設計是否合理。

軸力衰減的范圍,按照行業的經驗數據為:殘余軸力≥0.7*預擰緊軸力。

軸力衰減的測試,因為過程復雜,對設備要求高,目前還不適合應用在車間的批量監控。

 
 

防止扭矩衰減措施

(1)擰緊過程中建議采用多步擰緊,預緊時為提高效率,可采用高速擰緊,終緊時,采用低速擰緊,擰緊速度一般不超過20rpm。

(2)對于重要的擰緊位置,可采用同時擰緊,如設備不能滿足同時擰緊,要設計合理的擰緊次序。

(3)降低連接副零件的表面粗糙度,零件的表面都會微小的毛刺,零件被壓緊后,毛刺就會發生變形和壓潰,導致軸力發生下降,扭矩也同時會發生衰減。

(4)被連接件中盡量減少軟連接,塑料和橡膠等材料參與零件夾持后,由于其易發生變形,導致擰緊后軸衰減較大,因此設計時可以在塑料和橡膠零件中加入金屬襯套,讓金屬參與擰緊。

(5)細牙的螺紋連接副扭矩衰減也會較小。細牙螺紋的螺紋升角小,因此更不容易發生松動。

(6)提高材料硬度,材料硬度越高,材料表面嵌入就會越困難,扭矩衰減就會越低;細長的螺栓,大柔度的螺栓,其防松性能也會更高。

螺絲君經驗與總結

L.S.ENGINEER  Experience and Summary

(1)為了保證連接副的擰緊質量,有必要對殘余扭矩進行檢測,常見的測試方法有:再擰緊扭矩法、檢測扭矩法、剩余扭矩法、擰松法、軸力衰減測量法,每種測量方法都有其優點和局限性,可根據實際連接副情況進行選用。

(2)本文第三節提供了在設計和擰緊時有哪些方法和措施,可以有效避免扭矩衰減大的問題。

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