相信大家都听说过,德国工人拧螺栓有一个拧三圈回半圈的说法,好多人都不知道是什么原因,今天就来分析一下。
德国人对于工匠精神的严谨与执着让国人称赞。有些朋友会问直接拧两圈半不就完 了嘛?但是事实是这样的吗?在多数的德国高端机械设备的工厂里,对于特殊部位组装时,关于拧螺丝,是有严格的操作手册指导完成的,施加多大的扭矩都有明确规范。其实,螺丝在拧紧后,为了防止松动,应额外施加一个预紧力,因此松半圈后预紧力将消除,螺丝在拧紧后处于弹性形变中,尤其是在高温和震动载荷的情况下,长期这样持续压力会产生蠕变,螺丝变成塑性变形后,其强度会大幅下降甚至失效。退回半圈是让弹性形变恢复一些,同时消除预紧应力,以后螺丝在持续压力的变形还是在弹性形变之中,产生塑性应变和失效的几率大幅降低,使螺丝能保持持续高强度的压力,而直接拧两圈半是达不到这样的效果。
拧紧过程的简要分析
1. 541规则(即50%、40%、10%)
参见图A:通常情况下,在螺栓的拧紧过程中,实际转化为螺栓夹紧力的扭矩仅占10%,其余50%用于克服螺栓头下的摩擦力,40%用于克服螺纹副中的摩擦力,这就是“541”规则,主要反映夹紧力与摩擦力之间的关系。但若施加一定的改善措施(如涂抹润滑油)或螺纹副中存有缺陷(如杂质、磕碰等),该比例关系会受到不同影响而改变。
图A 541规则
2. 螺栓连接件的特性
图B:螺栓连接件特性
拧紧过程的主要变量
1. 扭矩(T):所施加的拧紧动力矩,单位牛米(Nm);
2. 夹紧力(F):连接体间的实际轴向夹(压)紧大小,单位牛(N);
3. 摩擦系数(U):螺栓头、螺纹副中等所消耗的扭矩系数;
4. 转角(A):基于一定的扭矩作用下,使螺栓再产生一定的轴向伸长量或连接件被压缩而需要转过的螺纹角度。
螺栓拧紧的控制方法
1. 扭矩控制法
定义:当拧紧扭矩达到某一设定的控制扭矩时,立即停止拧紧的控制方法。
优点:控制系统简单、直接,易于用扭矩传感器或高精度扭矩扳手来检查拧紧的质量。
缺点:控制精度不高(预紧力误差±25%左右),也不能充分利用材料的潜力。
2. 扭矩-转角控制法
定义:先把螺栓拧到一个不大的扭矩后,再从此点开始,拧一个规定的转角的控制方法。
优点:螺栓轴向预紧力精度较高(±15%),可以获得较大的轴向预紧力,且数值可集中分布在平均值附近。
缺点:控制系统较复杂,要测量扭矩和转角两个参数;且质检部门也不易找出适当的方法对拧紧结果进行检查。
3. 屈服点控制法
定义:把螺栓拧紧到屈服点后,停止拧紧的一种方法。
优点:拧紧精度非常高,预紧力误差可以控制在±8%以内;但其精度主要取决于螺栓本身的屈服强度。
缺点:拧紧过程需要对扭矩和转角曲线的斜率进行动态的、连续的计算和判断,控制系统的实时性、运算速度等都有较高的要求。
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