摘要：采用螺栓螺母的螺纹连接结构具有广泛的运用，扭矩法拧紧则是螺纹连接各类拧紧中的最为广泛运用的拧紧方法。为了保障采用扭矩法拧紧的螺纹连接副的可靠性和稳定性，需要对螺纹连接副的扭矩和预紧力关系进行试验和研究。在制订装配工艺时，也需要结合螺纹副的实际情况和螺纹部位的润滑状态等选用合适的装配工艺。本文针对M12 的镀锌螺栓，选用不同类型的螺母和螺纹润滑介质研究其扭矩和预紧力关系。结果表明，不同润滑介质对螺纹副的扭矩和预紧力关系有一定影响，对于不同类型的螺母，其影响程度也不同。同时通过分析差异性，对螺纹副的工艺选择进行了一定探讨，为如何选择合理的装配工艺提供了一定启发。 

 

引言

 

螺纹连接结构具有可靠性高、结构简单和维修维护成本低的优点，在各类装备制造领域中均有非常广泛的应用。目前螺纹连接中螺栓和螺母的拧紧较长采用的方式有扭矩法、扭矩-转角法、屈服点控制法和纯拉力法等。其中，扭矩法是螺纹拧紧最基本的方法，在操作上最为直接而简单，拧紧时通常只需要扭力扳手或拧紧轴即可实现，对设备的要求最小，且可在产品出厂后各个复杂的环境中实现维护与修复。因此扭矩法拧紧螺纹在成本上和易用性上有较大的优势。

 

采用扭矩法拧紧螺纹副的主要原理为，通过施加扭矩克服螺纹等部位的摩擦阻力而拉动螺栓伸长，所使用的扭矩和螺栓的预紧力存在近似线性的关系：T=kFD

 

其中，k 是与螺纹副相关的系数，它的数值主要取决于螺纹等接触面上的摩擦系数和表面状况，这是由于扭矩法拧紧时主要克服螺纹和接触面上的摩擦力，而该摩擦力与接触面上的正压力（螺纹系统中，正压力由螺栓预紧力提供）成正比例关系。

 

通常来讲，评价螺纹副的优劣有两个主要的标准，一是能否得到稳定的螺栓预紧力，这是由于螺栓的预紧力过低会导致连接件的接触面发生分离，失去紧固效果，而预紧力过高，在装配时会拉断螺栓，或者留下安全隐患[1]。因此螺栓的预紧力必须稳定在一定的范围内，即螺纹副之间的摩擦状态需要进行控制以稳定k 值；二是较低但是合理的摩擦系数，若摩擦系数偏高，摩擦阻力增大，k 值也会偏大，在拧紧时既无法获得足够的预紧力，还会导致螺纹部位的接触面发生变化而偏离原有的线性关系甚至锁死而无法继续拧紧。因此可以看出，螺纹之间的界面摩擦状态对紧固件的使用有非常密切的关系，通常，在紧固件的使用过程中，会采用润滑剂涂抹在螺纹上，减小螺纹间的摩擦阻力，取得较低而又较为稳定的扭矩系数[2，3]。但是润滑剂的种类较多，且适用的环境、螺纹副结构以及表面状况等均不同，因此在具体使用过程中，通常采取实验进行针对性的研究[3，4]。本文针对制动试验设备上所使用的紧固件，采用不同的润滑剂和螺母进行扭矩系数的研究，同时利用具体的使用环境，研究润滑剂对紧固件实际使用过程中影响，由此探讨不同螺纹润滑剂对螺纹紧固工艺与使用环境中的螺纹紧固与防松的影响。

 

1. 试验

 

为了测定紧固件的扭矩系数，试验选用镀锌六角螺栓作为样件，螺栓规格M12，等级10.9 级，分别匹配M12 的镀锌六角螺母和六角锁紧螺母进行扭矩系数试验，同时润滑剂选用润滑油、MoS2 喷剂和润滑油+MoS2 三种进行对比，其中MoS2 喷剂成分为MoS2 和可挥发的溶剂，在喷涂后会快速消失仅存留MoS2。试样分组与选样如表1 所示。试验采用轴向力测试仪进行，通过卡板固定螺栓头部，并用一定的扭矩分多次扳手拧紧螺母，最高扭矩100Nm，利用轴向力测试仪中的传感器记录不同扭矩拧紧后的预紧力，以此计算扭矩系数，每一组测10 套紧固件。

 

2. 结果与讨论

 

2.1 润滑剂对预紧力的影响

 

图1 所示为螺栓+普通螺母采用不同润滑剂所获得的预紧力-扭矩关系，可以看出，采用不同润滑剂的螺纹副在拧紧过程中，预紧力与扭矩之间比较符合线性关系，但是在同样使用100Nm 扭矩拧紧时，采用不同润滑剂拧紧所获得的预紧力有所区别，采用MoS2 喷剂时预紧力最低，为50.7kN，低于其余两组，其中采用润滑油获得预紧力为55.2kN，采用润滑油+MoS2 喷剂作为润滑介质获得预紧力为56.3kN。

 

 图2 所示为螺栓+锁紧螺母采用不同润滑剂所获得的预紧力-扭矩关系，可以看出，选用螺栓和锁紧螺母组成的螺纹副在拧紧过程中同样符合线性关系，而采用不同润滑剂在拧紧后的预紧力也有所区别。其中采用润滑油润滑预紧力最低，采用MoS2 喷剂的其次，润滑油+MoS2 喷剂的最高。三者的最终预紧力分别为44.1kN，47.0kN 和49.7kN。从上述结果可以看出，在螺纹部位涂抹润滑剂相对于无润滑的情况下可获得更高的预紧力，这与此前的研究结果类似[5，6]，同时还可以看出，无论是锁紧螺母还是普通螺母，采用润滑油+MoS2 喷剂的润滑效果均最好，这是在接触面相互接触摩擦的过程中，两种以上的润滑剂之间会产生协同效应[7]，选用多种润滑剂作为润滑介质比采用单种润滑剂取得更好的润滑效果。

 

2.2 润滑剂对不同型式螺母的影响

 

通过对比不同使用不同螺母组别的结果可以发现，当选用普通螺母和锁紧螺母时，润滑剂对于最终预紧力的影响也是不同的，图3 所示为三种润滑剂对采用不同螺母的螺纹副拧紧最终预紧力的影响，可以看出，当采用锁紧螺母时，无论选用何种润滑剂，获得的预紧力均较普通螺母较小，这是由于锁紧螺母中螺纹的变形结构，在为螺母提供一定的附加力矩起到防松效果的同时，也产生一定额外的阻力，对预紧力的转化起到不利的影响。同时，对于普通螺母，采用润滑油比采用MoS2 喷剂能起到更好的润滑效果，这是由于MoS2 作为一种固体润滑剂，流动性较差，很难铺展到螺纹部位的各个部位，因此MoS2 作为相对润滑油润而言滑性能较差。而对于锁紧螺母。采用MoS2 喷剂的润滑效果反而更好，这是由于锁紧螺母的螺纹部位有一定的变形结构，在拧紧过程中，螺纹副在变形部位会产生紧密的贴合，若采用流动性好的润滑油润滑，这样紧密的贴合会将破坏润滑油形成的润滑膜而削弱润滑效果，而MoS2 作为固体润滑能在这样的场合下附着在螺纹表面上，具有较好的稳定性，能够持续提供润滑效果，因此锁紧螺母采用MoS2 的润滑效果更好。同时，对于锁紧螺母，混合润滑剂的效果更明显，而混合润滑剂对普通螺母的作用则不明显，这是由于普通螺母的螺纹与螺栓的螺纹之间有较好的配合关系，出现咬合的可能性较小，润滑油的流动性已可以保证接触面之间形成润滑膜，此时加入MoS2 对润滑效果的提升极小。而锁紧螺母在拧紧时，虽然MoS2 可在螺纹变形的部位形成持久的润滑效果，但是由于流动性限制难以在整个螺纹接触面间形成完整的润滑膜，而在此基础上添加润滑油，其较好的流动性可填充在MoS2 无法填充的部位，大幅度的提高润滑效果。

 

 

2.3 润滑剂因素对紧固件工艺选择探讨

 

表2 所示为不同各个组别紧固件最终拧紧完成后所计算出的扭矩系数，同时对比各个组别中10 组扭矩系数的数据，可以看出，对于普通螺母采用润滑油的时候扭矩系数的偏差最小，说明润滑油有利于提高扭矩系数的稳定性，但是效果不明显。因此，出于对拧紧工艺的稳定性、效率和成本的考虑，对于普通螺母，采用润滑油最好，虽然扭矩系数较MoS2+润滑油的工艺略微偏高，但是影响极小，同时可省去喷涂MoS2 的环节，提高效率节省成本，较低的扭矩系数偏差可提升拧紧后预紧力的偏差，提高可靠性。

而对于锁紧螺母，采用MoS2+润滑油作为润滑剂，既可以大幅度改善螺纹间的界面接触，起到最佳的润滑效果，提高预紧力的转化效率，防止螺纹锁死。同时也可以稳定扭矩系数，使得螺栓组之间的预紧力偏差降到最低。因此对于锁紧螺母应尽量采用类似MoS2+润滑油这种混合润滑介质。同时，从图3 中的结果可以看出，由于锁紧螺母附加力矩的存在，即使采用混合润滑介质，其扭矩系数相对于普通螺母偏高，因此选用锁紧螺母时应适当选用较高的扭矩以获得足够的预紧力。

 

3. 结论

 

本文通过选用不同的螺母和不同的润滑介质进行拧紧试验，着重对比不同润滑剂对两种不同类型的螺母拧紧效果的影响，结果表明：

 

1)对于普通螺母，润滑油类流体润滑效果优于MoS2类的固体润滑效果，而对于锁紧螺母则相反；

 

2)采用固体+流体润滑产生协同效应可最大程度的提高润滑效果，对于锁紧螺母较明显；

 

3)在选择工艺时，就普通螺母的螺纹副选择润滑油的综合性能最好，而采用锁紧螺母时则推荐选用MoS2+润滑油的混合润滑剂。

 

参考文献:

 

[1]荣飞.螺栓紧固的扭矩系数与标准偏差[J].中国设备工程，2016（2）：42-44.

 

[2]邵国强，朱林波，洪军，屈云鹏，张雪峰.重卡螺栓连接扭矩-预紧力关系影响因素分析[J]. 西安交通大学学报，2015，49（10）：14-21.

 

[3]王朋，陈安生，张会武，高康，黄伟东，陈海波.螺栓扭矩系数影响因素的试验研究[J].实验力学，2013，28（3）：307-313.

 

[4]贾晓娇，张晓斌，于建政，刘敏丽，徐飞，齐乐.大规格螺栓螺母拧紧力矩与预紧力关系研究[J]. 航天标准化，2015，（3）：1-5，14.

 

[5]张凌宝，赵鹏.风电高强度螺栓扭矩系数选用的探讨，风能，2013，（3）：106-111.

 

[6]金文伟，杜利清，王常川.不同螺纹表面对制动盘紧固件拧紧效果分析[J].机车车辆工艺，2016（2）：38-39.

 

[7]李溪滨，刘如铁，杨慧敏援铝铅石墨固体自润滑复合材料的性能[J].中国有色金属学报，2003，13（2）：465-468援

 

 

来源：《内燃机与配件》

关键词： 螺纹润滑 螺纹副扭矩系数