一起學(xué)習(xí)：螺栓和螺母的扭矩和張力

扭矩是使物體旋轉(zhuǎn)的力，而張力是使物體拉伸或伸長(zhǎng)的力。

螺栓扭矩和張力如何相關(guān)？

      扭矩是一種通過(guò)拉伸螺栓來(lái)產(chǎn)生拉力的方法。為了直觀地顯示導(dǎo)致螺栓拉伸的旋轉(zhuǎn)力，請(qǐng)考慮螺栓的螺紋作為楔塊或纏繞在螺栓體上的斜面。當(dāng)扭矩施加在螺栓上且螺栓相對(duì)于螺母或螺紋孔旋轉(zhuǎn)時(shí)，配合螺紋之間的楔入作用使螺栓拉伸，壓縮夾緊構(gòu)件。這種楔入動(dòng)作類似于最早的緊固件形式之一的原理，這種無(wú)螺紋螺栓被稱為羅馬帝國(guó)時(shí)期的鎖緊螺栓。如圖1b所示，將一個(gè)前鎖或楔子錘入這個(gè)陳舊螺栓一端的槽中，以產(chǎn)生張力。

扭矩是工業(yè)設(shè)置和家庭中最常用的方法，用于在接頭中產(chǎn)生螺栓張力及其對(duì)應(yīng)的夾緊載荷。在大多數(shù)應(yīng)用中，這是一種極為可行且具有成本效益的螺栓接頭組裝方法。手動(dòng)扳手和手動(dòng)扭矩扳手主要用于較小的螺栓直徑（≤1 in.[≤25 mm]），而對(duì)于直徑大于1 in.（25 mm）的螺栓，則首選沖擊扳手和液壓扭矩扳手。

扭矩在產(chǎn)生螺栓張力時(shí)準(zhǔn)確嗎？

為了正確回答這個(gè)問(wèn)題，首先考慮只有大約10-15%的輸入扭矩實(shí)際拉伸了螺栓；其余85-90%的輸入扭矩主要用于克服配合螺紋之間的摩擦和螺栓頭或螺母下的摩擦。摩擦取決于許多變量，包括但不限于潤(rùn)滑劑類型和條件、表面粗糙度、鍍層和材料，因此，即使在同一組件中的螺栓之間，摩擦也可能會(huì)發(fā)生顯著變化。此外，由于摩擦力主導(dǎo)了扭矩-張力關(guān)系，即使摩擦力發(fā)生微小變化，也會(huì)導(dǎo)致螺栓張力發(fā)生顯著變化。

       因此，扭矩是在螺栓中產(chǎn)生張力的最常見(jiàn)方法，也是最不準(zhǔn)確的方法，這一點(diǎn)也就不足為奇了。普遍的共識(shí)是，扭矩控制導(dǎo)致的螺栓張力變化為±25%至±35%。高達(dá)±35%的變化意味著在完全相同的測(cè)量扭矩下，一個(gè)螺栓的張力可能小于另一個(gè)螺栓張力的50%。在考慮到扭矩值可接受范圍內(nèi)的任何公差后，變化可能會(huì)更大。因此，精確扭轉(zhuǎn)的螺栓接頭并不等同于精確張緊的螺栓接頭。

產(chǎn)生螺栓張力的替代方法

       在關(guān)鍵螺栓連接中，單獨(dú)的扭矩控制往往不夠精確，無(wú)法提供安全有效的螺栓連接；創(chuàng)建螺栓張力的其他方法通常更合適，或者需要驗(yàn)證螺栓張力的補(bǔ)充方法。此外，隨著螺栓直徑的增加，扭矩在物理上變得不太可行或太耗時(shí)，有必要使用替代方法。

液壓張緊，無(wú)論是螺栓張緊器還是液壓螺母形式，都使用液壓來(lái)拉伸螺紋緊固件。由于液壓可以輕松準(zhǔn)確地測(cè)量，而且液壓缸的壓力面積保持不變，因此液壓張緊比扭矩控制方法具有更好的精度（螺栓張力變化<±10%）。在這兩種液壓張拉方法中，需要注意的是，不存在高扭矩旋轉(zhuǎn)力及其相關(guān)摩擦。這種在高負(fù)載下接觸的滑動(dòng)面的缺乏將螺紋磨損的風(fēng)險(xiǎn)降至最低，這是液壓張緊的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

螺栓張緊器是一種工具，用于抓取和拉動(dòng)螺母外突出的螺紋，如圖3和圖4所示。液壓螺母采用了相同的原理，即使用液壓拉伸螺栓，但其功能不僅僅是張緊工具。通過(guò)更換應(yīng)用中的標(biāo)準(zhǔn)螺母，液壓螺母成為結(jié)構(gòu)螺栓接頭的一部分。達(dá)到適當(dāng)?shù)膲毫螅簤郝菽傅逆i環(huán)以機(jī)械方式保持螺栓的張力。

       液壓螺母的一個(gè)顯著特點(diǎn)是可以同時(shí)拉緊螺栓接頭中的所有螺栓。通過(guò)消除擰緊模式或順序的需要，可以縮短組裝和拆卸時(shí)間。此外，相鄰螺栓之間的串?dāng)_或負(fù)載分擔(dān)被最小化，從而使螺栓之間的張力更加均勻。

螺栓加熱是產(chǎn)生螺栓張力的另一種方法，但通常僅用于非常大直徑的螺栓應(yīng)用。在這種耗時(shí)的方法中，使用熱量拉伸螺栓或螺柱，同時(shí)使用簡(jiǎn)單的手動(dòng)工具轉(zhuǎn)動(dòng)和擰緊螺母。必須直接測(cè)量螺栓或雙頭螺栓的拉伸，但必須在螺栓或雙腳冷卻后進(jìn)行測(cè)量。重復(fù)加熱、冷卻和測(cè)量的迭代過(guò)程，直到拉伸達(dá)到規(guī)定的極限。

指示螺栓張力的補(bǔ)充方法

       有一些補(bǔ)充方法或工具可以與任何扭轉(zhuǎn)或張緊方法結(jié)合使用，以更直接地指示螺栓張力，并減少螺栓接頭中螺栓張力的變化。這些方法包括實(shí)際測(cè)量螺栓拉伸，或使用載荷指示裝置。

如果可以接觸到螺栓的兩端，則可以使用卡尺千分尺測(cè)量螺栓的實(shí)際拉伸。在盲孔應(yīng)用或更大的螺栓直徑應(yīng)用中，深度千分尺可與放置在螺栓軸向鉆孔中的基準(zhǔn)桿一起使用，以測(cè)量拉伸。測(cè)量超聲波脈沖飛行時(shí)間的設(shè)備提供了另一種確定螺栓拉伸的方法。在所有這些測(cè)量方法中，需要在測(cè)量前后確定拉伸量。

載荷指示裝置，如載荷指示緊固件或直接張力指示墊圈也可用。載荷指示緊固件基本上具有內(nèi)置基準(zhǔn)桿，允許以±5%的精度直接測(cè)量張力。與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)緊固件拉伸的方法不同，載荷指示緊固件在拉伸前不需要進(jìn)行測(cè)量。它們還提供簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)時(shí)張力指示。

結(jié)論

       扭矩在大多數(shù)應(yīng)用中都很普遍，可以有效地實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)穆菟◤埩Α?/span>但在更關(guān)鍵的螺栓連接應(yīng)用中，如果需要精確的螺栓張力，扭矩變得不切實(shí)際，或扭矩會(huì)帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)，則其他產(chǎn)生張力的方法，如液壓張緊，或其他在扭矩后驗(yàn)證張力的方法（如載荷指示緊固件），都是行之有效的解決方案。

無(wú)論采用何種方法產(chǎn)生螺栓張力，在安裝過(guò)程中獲得適當(dāng)?shù)穆菟◤埩?duì)螺栓接頭的完整性至關(guān)重要；安裝過(guò)程中的過(guò)度張力可能會(huì)使螺栓承受過(guò)大的應(yīng)力或損壞夾緊的構(gòu)件，但安裝過(guò)程中張力不足可能會(huì)導(dǎo)致接頭分離和/或疲勞導(dǎo)致接頭過(guò)早失效。

記住：準(zhǔn)確地扭轉(zhuǎn)的螺栓連接并不等同于精確張緊的螺栓連接。