摘要：采用螺栓螺母的螺紋連接結(jié)構(gòu)具有廣泛的運用，扭矩法擰緊則是螺紋連接各類擰緊中的最為廣泛運用的擰緊方法。為了保障采用扭矩法擰緊的螺紋連接副的可靠性和穩(wěn)定性，需要對螺紋連接副的扭矩和預(yù)緊力關(guān)系進行試驗和研究。在制訂裝配工藝時，也需要結(jié)合螺紋副的實際情況和螺紋部位的潤滑狀態(tài)等選用合適的裝配工藝。本文針對M12 的鍍鋅螺栓，選用不同類型的螺母和螺紋潤滑介質(zhì)研究其扭矩和預(yù)緊力關(guān)系。結(jié)果表明，不同潤滑介質(zhì)對螺紋副的扭矩和預(yù)緊力關(guān)系有一定影響，對于不同類型的螺母，其影響程度也不同。同時通過分析差異性，對螺紋副的工藝選擇進行了一定探討，為如何選擇合理的裝配工藝提供了一定啟發(fā)。 

引言

螺紋連接結(jié)構(gòu)具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單和維修維護成本低的優(yōu)點，在各類裝備制造領(lǐng)域中均有非常廣泛的應(yīng)用。目前螺紋連接中螺栓和螺母的擰緊較長采用的方式有扭矩法、扭矩-轉(zhuǎn)角法、屈服點控制法和純拉力法等。其中，扭矩法是螺紋擰緊最基本的方法，在操作上最為直接而簡單，擰緊時通常只需要扭力扳手或擰緊軸即可實現(xiàn)，對設(shè)備的要求最小，且可在產(chǎn)品出廠后各個復(fù)雜的環(huán)境中實現(xiàn)維護與修復(fù)。因此扭矩法擰緊螺紋在成本上和易用性上有較大的優(yōu)勢。

采用扭矩法擰緊螺紋副的主要原理為，通過施加扭矩克服螺紋等部位的摩擦阻力而拉動螺栓伸長，所使用的扭矩和螺栓的預(yù)緊力存在近似線性的關(guān)系：T=kFD

其中，k 是與螺紋副相關(guān)的系數(shù)，它的數(shù)值主要取決于螺紋等接觸面上的摩擦系數(shù)和表面狀況，這是由于扭矩法擰緊時主要克服螺紋和接觸面上的摩擦力，而該摩擦力與接觸面上的正壓力（螺紋系統(tǒng)中，正壓力由螺栓預(yù)緊力提供）成正比例關(guān)系。

通常來講，評價螺紋副的優(yōu)劣有兩個主要的標準，一是能否得到穩(wěn)定的螺栓預(yù)緊力，這是由于螺栓的預(yù)緊力過低會導(dǎo)致連接件的接觸面發(fā)生分離，失去緊固效果，而預(yù)緊力過高，在裝配時會拉斷螺栓，或者留下安全隱患[1]。因此螺栓的預(yù)緊力必須穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，即螺紋副之間的摩擦狀態(tài)需要進行控制以穩(wěn)定k 值；二是較低但是合理的摩擦系數(shù)，若摩擦系數(shù)偏高，摩擦阻力增大，k 值也會偏大，在擰緊時既無法獲得足夠的預(yù)緊力，還會導(dǎo)致螺紋部位的接觸面發(fā)生變化而偏離原有的線性關(guān)系甚至鎖死而無法繼續(xù)擰緊。因此可以看出，螺紋之間的界面摩擦狀態(tài)對緊固件的使用有非常密切的關(guān)系，通常，在緊固件的使用過程中，會采用潤滑劑涂抹在螺紋上，減小螺紋間的摩擦阻力，取得較低而又較為穩(wěn)定的扭矩系數(shù)[2，3]。但是潤滑劑的種類較多，且適用的環(huán)境、螺紋副結(jié)構(gòu)以及表面狀況等均不同，因此在具體使用過程中，通常采取實驗進行針對性的研究[3，4]。本文針對制動試驗設(shè)備上所使用的緊固件，采用不同的潤滑劑和螺母進行扭矩系數(shù)的研究，同時利用具體的使用環(huán)境，研究潤滑劑對緊固件實際使用過程中影響，由此探討不同螺紋潤滑劑對螺紋緊固工藝與使用環(huán)境中的螺紋緊固與防松的影響。

1. 試驗

為了測定緊固件的扭矩系數(shù)，試驗選用鍍鋅六角螺栓作為樣件，螺栓規(guī)格M12，等級10.9 級，分別匹配M12 的鍍鋅六角螺母和六角鎖緊螺母進行扭矩系數(shù)試驗，同時潤滑劑選用潤滑油、MoS2 噴劑和潤滑油+MoS2 三種進行對比，其中MoS2 噴劑成分為MoS2 和可揮發(fā)的溶劑，在噴涂后會快速消失僅存留MoS2。試樣分組與選樣如表1 所示。試驗采用軸向力測試儀進行，通過卡板固定螺栓頭部，并用一定的扭矩分多次扳手擰緊螺母，最高扭矩100Nm，利用軸向力測試儀中的傳感器記錄不同扭矩擰緊后的預(yù)緊力，以此計算扭矩系數(shù)，每一組測10 套緊固件。

2. 結(jié)果與討論

2.1 潤滑劑對預(yù)緊力的影響

圖1 所示為螺栓+普通螺母采用不同潤滑劑所獲得的預(yù)緊力-扭矩關(guān)系，可以看出，采用不同潤滑劑的螺紋副在擰緊過程中，預(yù)緊力與扭矩之間比較符合線性關(guān)系，但是在同樣使用100Nm 扭矩擰緊時，采用不同潤滑劑擰緊所獲得的預(yù)緊力有所區(qū)別，采用MoS2 噴劑時預(yù)緊力最低，為50.7kN，低于其余兩組，其中采用潤滑油獲得預(yù)緊力為55.2kN，采用潤滑油+MoS2 噴劑作為潤滑介質(zhì)獲得預(yù)緊力為56.3kN。

 圖2 所示為螺栓+鎖緊螺母采用不同潤滑劑所獲得的預(yù)緊力-扭矩關(guān)系，可以看出，選用螺栓和鎖緊螺母組成的螺紋副在擰緊過程中同樣符合線性關(guān)系，而采用不同潤滑劑在擰緊后的預(yù)緊力也有所區(qū)別。其中采用潤滑油潤滑預(yù)緊力最低，采用MoS2 噴劑的其次，潤滑油+MoS2 噴劑的最高。三者的最終預(yù)緊力分別為44.1kN，47.0kN 和49.7kN。從上述結(jié)果可以看出，在螺紋部位涂抹潤滑劑相對于無潤滑的情況下可獲得更高的預(yù)緊力，這與此前的研究結(jié)果類似[5，6]，同時還可以看出，無論是鎖緊螺母還是普通螺母，采用潤滑油+MoS2 噴劑的潤滑效果均最好，這是在接觸面相互接觸摩擦的過程中，兩種以上的潤滑劑之間會產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[7]，選用多種潤滑劑作為潤滑介質(zhì)比采用單種潤滑劑取得更好的潤滑效果。

2.2 潤滑劑對不同型式螺母的影響

通過對比不同使用不同螺母組別的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)選用普通螺母和鎖緊螺母時，潤滑劑對于最終預(yù)緊力的影響也是不同的，圖3 所示為三種潤滑劑對采用不同螺母的螺紋副擰緊最終預(yù)緊力的影響，可以看出，當(dāng)采用鎖緊螺母時，無論選用何種潤滑劑，獲得的預(yù)緊力均較普通螺母較小，這是由于鎖緊螺母中螺紋的變形結(jié)構(gòu)，在為螺母提供一定的附加力矩起到防松效果的同時，也產(chǎn)生一定額外的阻力，對預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化起到不利的影響。同時，對于普通螺母，采用潤滑油比采用MoS2 噴劑能起到更好的潤滑效果，這是由于MoS2 作為一種固體潤滑劑，流動性較差，很難鋪展到螺紋部位的各個部位，因此MoS2 作為相對潤滑油潤而言滑性能較差。而對于鎖緊螺母。采用MoS2 噴劑的潤滑效果反而更好，這是由于鎖緊螺母的螺紋部位有一定的變形結(jié)構(gòu)，在擰緊過程中，螺紋副在變形部位會產(chǎn)生緊密的貼合，若采用流動性好的潤滑油潤滑，這樣緊密的貼合會將破壞潤滑油形成的潤滑膜而削弱潤滑效果，而MoS2 作為固體潤滑能在這樣的場合下附著在螺紋表面上，具有較好的穩(wěn)定性，能夠持續(xù)提供潤滑效果，因此鎖緊螺母采用MoS2 的潤滑效果更好。同時，對于鎖緊螺母，混合潤滑劑的效果更明顯，而混合潤滑劑對普通螺母的作用則不明顯，這是由于普通螺母的螺紋與螺栓的螺紋之間有較好的配合關(guān)系，出現(xiàn)咬合的可能性較小，潤滑油的流動性已可以保證接觸面之間形成潤滑膜，此時加入MoS2 對潤滑效果的提升極小。而鎖緊螺母在擰緊時，雖然MoS2 可在螺紋變形的部位形成持久的潤滑效果，但是由于流動性限制難以在整個螺紋接觸面間形成完整的潤滑膜，而在此基礎(chǔ)上添加潤滑油，其較好的流動性可填充在MoS2 無法填充的部位，大幅度的提高潤滑效果。

2.3 潤滑劑因素對緊固件工藝選擇探討

表2 所示為不同各個組別緊固件最終擰緊完成后所計算出的扭矩系數(shù)，同時對比各個組別中10 組扭矩系數(shù)的數(shù)據(jù)，可以看出，對于普通螺母采用潤滑油的時候扭矩系數(shù)的偏差最小，說明潤滑油有利于提高扭矩系數(shù)的穩(wěn)定性，但是效果不明顯。因此，出于對擰緊工藝的穩(wěn)定性、效率和成本的考慮，對于普通螺母，采用潤滑油最好，雖然扭矩系數(shù)較MoS2+潤滑油的工藝略微偏高，但是影響極小，同時可省去噴涂MoS2 的環(huán)節(jié)，提高效率節(jié)省成本，較低的扭矩系數(shù)偏差可提升擰緊后預(yù)緊力的偏差，提高可靠性。

而對于鎖緊螺母，采用MoS2+潤滑油作為潤滑劑，既可以大幅度改善螺紋間的界面接觸，起到最佳的潤滑效果，提高預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化效率，防止螺紋鎖死。同時也可以穩(wěn)定扭矩系數(shù)，使得螺栓組之間的預(yù)緊力偏差降到最低。因此對于鎖緊螺母應(yīng)盡量采用類似MoS2+潤滑油這種混合潤滑介質(zhì)。同時，從圖3 中的結(jié)果可以看出，由于鎖緊螺母附加力矩的存在，即使采用混合潤滑介質(zhì)，其扭矩系數(shù)相對于普通螺母偏高，因此選用鎖緊螺母時應(yīng)適當(dāng)選用較高的扭矩以獲得足夠的預(yù)緊力。

3. 結(jié)論

本文通過選用不同的螺母和不同的潤滑介質(zhì)進行擰緊試驗，著重對比不同潤滑劑對兩種不同類型的螺母擰緊效果的影響，結(jié)果表明：

1)對于普通螺母，潤滑油類流體潤滑效果優(yōu)于MoS2類的固體潤滑效果，而對于鎖緊螺母則相反；

2)采用固體+流體潤滑產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)可最大程度的提高潤滑效果，對于鎖緊螺母較明顯；

3)在選擇工藝時，就普通螺母的螺紋副選擇潤滑油的綜合性能最好，而采用鎖緊螺母時則推薦選用MoS2+潤滑油的混合潤滑劑。

參考文獻:

[1]榮飛.螺栓緊固的扭矩系數(shù)與標準偏差[J].中國設(shè)備工程，2016（2）：42-44.

[2]邵國強，朱林波，洪軍，屈云鵬，張雪峰.重卡螺栓連接扭矩-預(yù)緊力關(guān)系影響因素分析[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報，2015，49（10）：14-21.

[3]王朋，陳安生，張會武，高康，黃偉東，陳海波.螺栓扭矩系數(shù)影響因素的試驗研究[J].實驗力學(xué)，2013，28（3）：307-313.

[4]賈曉嬌，張曉斌，于建政，劉敏麗，徐飛，齊樂.大規(guī)格螺栓螺母擰緊力矩與預(yù)緊力關(guān)系研究[J]. 航天標準化，2015，（3）：1-5，14.

[5]張凌寶，趙鵬.風(fēng)電高強度螺栓扭矩系數(shù)選用的探討，風(fēng)能，2013，（3）：106-111.

[6]金文偉，杜利清，王常川.不同螺紋表面對制動盤緊固件擰緊效果分析[J].機車車輛工藝，2016（2）：38-39.

[7]李溪濱，劉如鐵，楊慧敏援鋁鉛石墨固體自潤滑復(fù)合材料的性能[J].中國有色金屬學(xué)報，2003，13（2）：465-468援