螺栓，作為風(fēng)電機(jī)組主要的連接方式之一，應(yīng)用在輪轂、齒輪箱、葉片連接、塔筒連接等諸多關(guān)鍵部位，螺栓的安全關(guān)系到整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。在風(fēng)電機(jī)組中使用高強(qiáng)度螺栓，就是為了獲得較高的預(yù)緊力，但螺栓質(zhì)量、裝配方法、擰緊工具、操作者都會(huì)影響到最終螺紋的連接質(zhì)量，從而影響螺栓的預(yù)緊效果。本文主要探討螺栓上緊時(shí)需要重視的兩個(gè)重要系數(shù)，扭矩系數(shù)和摩擦系數(shù)。
Ⅰ 扭矩系數(shù)K
螺栓上緊扭矩T與軸向力F有如下的關(guān)系：
T=K•D•F
其中D為螺栓公稱直徑，K稱作扭矩系數(shù)。
扭矩系數(shù)K，是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。它的值取決于螺紋副的幾何形狀以及螺紋副的摩擦情況。從公式中可以看出，扭矩系數(shù)K決定了在上緊扭矩的轉(zhuǎn)化中軸向力所占的比例，因此這個(gè)系數(shù)對(duì)螺栓緊固的研究非常重要。
首先，緊固件的幾何形狀決定了多大的上緊扭矩可以產(chǎn)生一個(gè)特定的預(yù)緊力，這里，螺距是一個(gè)決定性因素。螺栓是一個(gè)幾何體，它相當(dāng)于一種“螺旋上升的平面” ，因此影響了整個(gè)螺紋連接中力的分布情況（《實(shí)現(xiàn)螺栓可靠裝配的10個(gè)步驟》Dr. Volker Schatz 著，P13）。因?yàn)檫@個(gè)幾何形狀取決于螺栓生產(chǎn)廠家，這里我們不做分析。
第二個(gè)影響因素是摩擦情況，能讓摩擦發(fā)生變化的因素都能對(duì)扭矩系數(shù)產(chǎn)生影響，例如螺栓表面是否有潤(rùn)滑劑，如果選擇了潤(rùn)滑劑，潤(rùn)滑劑的種類和具體應(yīng)用工藝的變化也都會(huì)對(duì)系數(shù)K產(chǎn)生影響。
隨著螺紋表面摩擦條件的不同，轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力也不相同。螺栓潤(rùn)滑條件越好，同一預(yù)緊扭矩下轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力就越大，即扭矩系數(shù)K越小。我們?cè)谏暇o過(guò)程中需要的是穩(wěn)定適中的預(yù)緊力，即需要一個(gè)穩(wěn)定的扭矩系數(shù)K來(lái)保證同一法蘭面預(yù)緊力的均一性。在上緊扭矩T相同的條件下，K值過(guò)大，則轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力太小，達(dá)不到設(shè)計(jì)的預(yù)緊要求；K值過(guò)小，則會(huì)放大誤差，由于整個(gè)操作、監(jiān)測(cè)等的系統(tǒng)性誤差，如扭矩扳手就有±4%的誤差，易導(dǎo)致軸力過(guò)載，螺紋連接副失效；K值不穩(wěn)定，則轉(zhuǎn)化的預(yù)緊力不一致，容易形成應(yīng)力集中。使用潤(rùn)滑劑能夠使螺栓扭矩系數(shù)的穩(wěn)定性和一致性大大提高，有效避免這些風(fēng)險(xiǎn)，因此風(fēng)電行業(yè)內(nèi)針對(duì)有較高扭矩要求的螺栓廣泛采用抗咬合潤(rùn)滑劑。
在具體施工中，不同的涂抹方式會(huì)對(duì)最終的潤(rùn)滑效果產(chǎn)生很大影響，反映到最終結(jié)果即是扭矩系數(shù)K的變化。目前風(fēng)電行業(yè)對(duì)于高強(qiáng)度螺栓涂抹抗咬合劑有兩種比較普遍的方案：
1）只涂抹螺紋的嚙合部位，即螺栓的螺紋嚙合部位，如圖1中A所指。此種方案扭矩系數(shù)在0.11～0.15之間，視不同的潤(rùn)滑劑和不同的螺栓種類而定。
2）不僅涂抹螺栓的嚙合部位，還要涂抹支承面，即螺栓頭部下端面與墊圈的接觸部位（針對(duì)在螺栓頭部施加扭矩的工藝，如針對(duì)螺母施加扭矩，則涂抹的是螺母與墊片接觸的端面）見(jiàn)圖1中B所指。此種方案扭矩系數(shù)在0.08～0.13之間。
圖1 高強(qiáng)度螺栓力矩分布
關(guān)于高強(qiáng)度螺栓的上緊扭矩消耗，上圖已經(jīng)直觀的表達(dá)出來(lái)了，對(duì)于方案1，相當(dāng)于減小了圖中A部位的摩擦，可是我們注意到，B部位的摩擦占了近50%，如果此部位不施加任何潤(rùn)滑措施，則最后轉(zhuǎn)化的夾緊力大小受B部位的影響較大，反映為螺栓的扭矩系數(shù)波動(dòng)較大，標(biāo)準(zhǔn)偏差容易超差。反之，如果在B部位也和A部位一樣，涂抹了抗咬合潤(rùn)滑劑，則最終的扭矩系數(shù)波動(dòng)較小，標(biāo)準(zhǔn)偏差會(huì)很小，風(fēng)電系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)更可靠。
兩年前，國(guó)內(nèi)風(fēng)電企業(yè)還多采用方案1，在做了大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)比后，去年以來(lái)，幾家國(guó)內(nèi)龍頭風(fēng)電企業(yè)紛紛改革了螺栓潤(rùn)滑工藝方案，采取了方案2，主要是考慮到消除影響扭矩系數(shù)不穩(wěn)定的因素，使扭矩系數(shù)的一致性好，最終獲得均一的夾緊力。
但是，方案2由于涂抹了端面，所得的扭矩系數(shù)在0.08～0.13之間，即螺紋副的摩擦減小，這會(huì)不會(huì)造成螺栓容易松動(dòng)？我們?cè)賮?lái)看看另一個(gè)系數(shù)——摩擦系數(shù)μ。
Ⅱ 摩擦系數(shù)μ
通過(guò)扭矩系數(shù)K，我們直觀地看到了螺栓上緊扭矩與最終夾緊力之間的關(guān)系，因此扭矩系數(shù)K對(duì)螺栓現(xiàn)場(chǎng)施工上緊的扭矩大小至關(guān)重要，而且在換算扭矩與夾緊力方面比較容易操作。但要想系統(tǒng)研究螺栓整個(gè)上緊過(guò)程中的力矩轉(zhuǎn)化與消耗，僅用扭矩系數(shù)K則略顯簡(jiǎn)單，因?yàn)榕ぞ叵禂?shù)K是多個(gè)變量的綜合反映。要想明確幾何形狀及摩擦等各單變量的影響程度，則需要引入另一關(guān)鍵系數(shù)，摩擦系數(shù)μ。
很早以前，美國(guó)懷特帕特森空軍基地就確定了一系列的影響螺栓扭矩---預(yù)緊力關(guān)系的因素。我們下邊列出這些影響因素：
螺栓的材質(zhì)
螺栓的成型工藝
螺紋形狀
螺栓的同心性
螺紋連接副、墊圈的硬度
墊圈的類型、種類
部件的表面粗糙度
內(nèi)螺紋邊緣的毛刺
螺栓鍍層的厚度、種類和一致性
螺栓的潤(rùn)滑
螺栓的上緊工具
螺栓的上緊速度
扭矩扳手和螺栓的配合度
螺栓的使用次數(shù)
環(huán)境溫度等
可以看出，這些因素中的絕大部分，都和摩擦有一些聯(lián)系。可以說(shuō)，摩擦對(duì)高強(qiáng)度螺栓的預(yù)緊力有巨大的影響，如果摩擦過(guò)大、過(guò)小或者不穩(wěn)定，則高強(qiáng)度螺栓達(dá)不到設(shè)計(jì)的預(yù)緊效果。如圖１所示，我們對(duì)高強(qiáng)度螺栓施加的扭矩，有80%多都消耗在了克服摩擦力上。
那么摩擦系數(shù)會(huì)對(duì)上緊扭矩中預(yù)緊力的分配有多大的影響？通過(guò)下面的檢測(cè)結(jié)果可以得到反映。
從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在相同的上緊扭矩情況下，當(dāng)摩擦系數(shù)變化０．０１時(shí)，預(yù)緊力的變化幅度高達(dá)３７．５％。從圖１的上緊力矩轉(zhuǎn)換分配情況，我們也同樣可以發(fā)現(xiàn)，所施加上緊力矩的50%被支承面的摩擦消耗了，其余40%被螺紋的摩擦消耗了，只有10%轉(zhuǎn)化成了預(yù)緊力。如果支撐面間的摩擦力因?yàn)橐稽c(diǎn)小小的粗糙度影響，增加了10%，則支承面的力矩消耗由50%增加到55%，這增加的5%不會(huì)影響螺紋之間的摩擦，只會(huì)將預(yù)緊力由占總預(yù)緊力矩的10%減小到5%，這就意味著，這根“問(wèn)題螺栓”最終的預(yù)緊力只有普通螺栓的一半，也就是說(shuō)，摩擦力10%的增加就會(huì)引起預(yù)緊力50%的變化，因此我們必須充分重視螺紋副摩擦系數(shù)的研究。
其實(shí)在國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中就已經(jīng)將上緊力矩、軸力與摩擦系數(shù)聯(lián)系在一起了。在《中國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)大典（第三卷）（江西科學(xué)技術(shù)出版社）中就有該項(xiàng)公式：
式中：Ｍ—上緊扭矩
Ｐ0—軸向力
ｄ—螺紋外徑
d2—螺紋平均直徑
D—六角螺栓外接圓直徑
α—螺紋升角，ｔａｎα＝ｓ／πｄ，ｓ為螺距
β—螺紋摩擦角，ｔａｎβ＝ｆ，ｆ為螺紋間摩擦系數(shù)
μ—支撐面的摩擦系數(shù)
從以上公式可以看出，影響上緊力矩與軸向力比值的關(guān)鍵因素就在于螺距和摩擦系數(shù)，這和我們前面對(duì)影響扭矩系數(shù)Ｋ的因素分析完全一樣。摩擦系數(shù)μ能幫助我們更深入、更系統(tǒng)的研究涂層和潤(rùn)滑劑等對(duì)螺栓預(yù)緊力的影響，在國(guó)外特別是歐洲，在高強(qiáng)度螺栓檢測(cè)和上緊中，特別重視摩擦系數(shù)μ的控制，這一點(diǎn)從歐洲的風(fēng)電技術(shù)圖紙中就可以看出，往往是規(guī)定摩擦系數(shù)而不是扭矩系數(shù)。
因?yàn)槟壳搬槍?duì)螺紋副摩擦系數(shù)的檢測(cè)設(shè)備主要是歐洲尤其是德國(guó)的，檢測(cè)報(bào)告也就以歐洲習(xí)慣的符號(hào)表示，所以這里有必要將歐洲的上緊力矩、預(yù)緊力與摩擦系數(shù)的公式解釋一下：
式中：T-上緊扭矩
F-預(yù)緊力
P-螺距
D0-支承面外徑
d2-螺紋中經(jīng)
dh-螺栓通過(guò)的墊圈或支承零件的孔徑
μb-支撐面的摩擦系數(shù)
μth-螺紋摩擦系數(shù)
其中：
式中:Tth-螺紋扭矩
Tb-支撐面的摩擦扭矩
Db-支撐面摩擦的有效直徑
這里有兩個(gè)摩擦系數(shù)，一個(gè)是支撐面摩擦系數(shù)，一個(gè)是螺紋摩擦系數(shù)，它們分別對(duì)扭矩轉(zhuǎn)化有什么影響呢？我們看一組數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)來(lái)源：《摩擦系數(shù)與扭矩系數(shù)關(guān)系的探討及預(yù)緊力控制的應(yīng)用分析》，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，張青春，２０１０年５月上海螺紋緊固件擰緊技術(shù)及測(cè)試研討會(huì)。
從檢測(cè)數(shù)據(jù)中可以看出，當(dāng)螺紋摩擦系數(shù)一定時(shí)，Ｋ／μ隨支撐面摩擦系數(shù)變化小，而當(dāng)支撐面摩擦系數(shù)一定時(shí)，Ｋ／μ隨螺紋摩擦系數(shù)變化大。也就是說(shuō)，在兩個(gè)摩擦系數(shù)中，要考慮Ｋ值穩(wěn)定，讓軸力符合設(shè)計(jì)范圍并均勻一致，就要對(duì)螺紋摩擦系數(shù)更加關(guān)注，即在實(shí)際裝配操作工藝過(guò)程中對(duì)螺紋摩擦更加重視。在螺母上緊的實(shí)際過(guò)程中，前期在螺母未擰到接觸面時(shí)的松配合情況下，螺母的螺紋朝著螺栓頭的一面與螺栓接觸，而在后期預(yù)緊扭矩上升的過(guò)程中，螺母的螺紋是背對(duì)螺栓頭的一面與螺栓接觸，為了保證在后期有充足的潤(rùn)滑劑填充在螺紋副接觸面之間，從工藝上保證螺紋摩擦系數(shù)的一致性，從而保證扭矩系數(shù)的一致性，進(jìn)而保證預(yù)緊力均勻一致，這里建議在螺栓上涂抹潤(rùn)滑劑時(shí)采用刮涂的工藝，讓牙扣中充滿潤(rùn)滑劑。
同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，在螺栓松動(dòng)時(shí)，往往先是螺栓和螺母的螺紋嚙合部位發(fā)生松動(dòng)，之后才是支撐面的滑動(dòng)。也就是說(shuō)，在相同表面狀態(tài)的條件下，螺紋摩擦是弱點(diǎn)，（這從上緊力矩的分配中也可以看出），要考慮防松，我們也要對(duì)螺紋摩擦系數(shù)多關(guān)注一些，與檢測(cè)數(shù)據(jù)的表格分析一致。但這并不表明支撐面摩擦就不重要了，因?yàn)楫吘蛊淠Σ琳剂胤峙涞?span lang="EN-US">50％，前述分析是相對(duì)而言的。
摩擦系數(shù)增大，則上緊力矩轉(zhuǎn)換成預(yù)緊力的比例減小，要得到相同的預(yù)緊力，上緊扭矩必然需要增大，而過(guò)大的上緊扭矩會(huì)導(dǎo)致工具易損、操作危險(xiǎn)等。摩擦系數(shù)減小，則上緊力矩轉(zhuǎn)換成預(yù)緊力的比例增加，在相同的上緊力矩下，會(huì)引起預(yù)緊力的倍增，如摩擦系數(shù)過(guò)小，則預(yù)緊力與上緊力矩的關(guān)聯(lián)敏感性過(guò)強(qiáng)，會(huì)放大上緊扭矩誤差，易引起過(guò)載；同時(shí)摩擦系數(shù)過(guò)小，在相同的預(yù)緊力條件下，上緊力矩就會(huì)很小，這樣松動(dòng)力矩必然也很小，螺栓易松動(dòng)，風(fēng)電機(jī)組可靠性大大降低。
那么摩擦系數(shù)在一個(gè)什么樣的范圍內(nèi)才合適呢？目前筆者沒(méi)有找到可以計(jì)算的公式，只有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值供大家參考。在德國(guó)，推薦的摩擦系數(shù)范圍是：0.07~0.12。這里要注意的是，3個(gè)摩擦系數(shù)都應(yīng)在這個(gè)范圍內(nèi)，即螺紋摩擦系數(shù)、支撐面摩擦系數(shù)以及總摩擦系數(shù)都必須在0.07~0.12之間。摩擦系數(shù)大于0.12，則上緊力矩會(huì)過(guò)大，小于0.07則可能導(dǎo)致易松，在這個(gè)范圍內(nèi)，被認(rèn)為是合適、可靠的。
綜上所述，我們?cè)诳紤]風(fēng)電螺栓緊固問(wèn)題時(shí)，不能僅僅關(guān)注扭矩系數(shù)K，還要關(guān)注摩擦系數(shù)μ，這才能讓我們的風(fēng)電機(jī)組更安全可靠。 |
