螺纹结构力矩及其衰退机理分析...

摘要：阐述了得出螺栓拧紧力矩的方法，结合预紧力和预紧力矩之间的关系，给出其理论方程和实验方程，分析了预紧力、螺纹摩擦转矩和螺母支承面摩擦转矩三者的分配情况。以此为基础，从结构变形与应力释放、材料表面摩擦力变化等方面对力矩衰退的原因进行了初步分析，并提出设定拧紧力矩安全系数和定期校核拧紧的措施，供螺纹结构设计及其使用维护参考。

0 引言

    力矩量化与控制是近年来航天型号对紧固连接类产品提出的新要求。随着各型号研制的不断深入，以法兰连接为代表的螺栓螺母连接和以小导管接头为代表的螺纹结构连接，积累了不少试验数据。这些试验数据都表现出一个现象，即：拧紧力矩随着时间的推移或温度载荷的作用后，虽然螺纹结构没有发生松脱，但用力矩扳手复测，均出现一定程度的下降（本文称为力矩衰退）。这一情况可能导致连接或密封失效，需引起重视。

    本文从预紧力和预紧力矩的关系出发，从结构变形与应力释放、摩擦力变化等方面对力矩衰退的原因进行了初步分析，并提出应对的措施，供螺纹结构设计及其使用维护参考。

1 预紧力和预紧力矩的关系

1.1 理论方程

    拧紧螺母时，要克服螺旋副间的螺纹力矩1 T 和螺母支承面上的摩擦力矩2 T ，预紧力矩为两者之和。

    不同涂层、不同润滑状态下的μ 和μn 值可查阅相关资料。代入常用标准紧固件的尺寸和相应的摩擦系数值，可以得出：表征螺旋副斜面作用的第一部分力矩值，即用于拉伸螺栓的力矩值（F′P/(2π)），粗牙螺纹约占15％，细牙螺纹约占10％；表征螺旋副中摩擦作用的第二部分力矩值（F′μd2/2cosβ），粗牙螺纹约占39％，细牙螺纹约占42％；表征圆环形支承面上摩擦作用的第三部分力矩值（F′μnrn），粗牙螺纹约占46％，细牙螺纹约占48％。

    一个典型的示例：拧入一个综合摩擦系数为0.14 的干（未经润滑）螺栓时，其拧紧力矩产生的效果分配情况。可见，真正分配到预紧力上是很少的一部分。

    若把摩擦系数视为常数，则由方程可知，对于可以确定的紧固件，预紧力和预紧力矩理论上呈线性关系。当预紧力超过屈服点后，预紧力的增量减少，关系曲线呈下降的曲线形状。

    可以看出，预紧力和预紧力矩的比例系数含有两组变量，一组是摩擦系数变量，另一组是螺纹的几何变量。

    摩擦系数是一个难以控制，实质上又不能预先知道的参数。在螺纹紧固件中，影响摩擦系数的因素有

a) 各个零件的表面硬度；

b) 表面粗糙度；

c) 材料品种；

d) 表面涂覆层的类型、厚度和状态；

e) 润滑剂的品种、量、状态、施加方法、污染情况和温度；

f) 螺母拧紧的速度；

g) 螺旋副之间的接触情况等。

    对于一个给定的螺纹紧固件，几何变量中的参数似乎都是已知的，实际上却并非如此。一个螺纹紧固件的螺距、牙型半角，特别是有效接触半径，其真实的值都是不可预知的。螺栓不是刚体，形状复杂，承受高的应力，有很高的应力集中。螺栓受载后虽然基本上是弹性变形，但总有局部会出现塑性变形，改变了螺栓的几何参数。螺母支承面不可能严格垂直于螺纹中心，孔也不可能严格垂直于被连接表面，因此，圆环面的摩擦力矩公式也会出现偏差。实验表明，这些因素导致的偏差甚至能超过摩擦系数变化导致的偏差。

1.2 实验方程

    为日常应用方便，以及对预紧力矩进行简单的估算，工程上通常将预紧力矩公式（1）简化为如下形式

T=KF′d2 （2）

式中，K 为拧紧力矩系数。

    若用实验方法求得K，则上式成为预紧力和预紧力矩关系的实验方程。这样，虽然形式上实验方程和理论方程无实质上的差异，但内涵却大不相同了。K 可以概括影响预紧力矩和预紧力关系的每一个因素，如摩擦系数、扭转变形、弯曲变形、螺纹牙的塑性变形等。

2 力矩衰退的原因探讨

    从实验方程式看来，力矩值可以认为与拧紧力矩系数K，预紧力F′和螺纹中径d2 有关系。其中，螺纹中径是不变量，因此导致力矩变化的原因主要来源于预紧力发生变化和表面摩擦变化导致的拧紧力矩系数发生变化。

2.1 接触面塌陷引起的力矩衰退

    螺栓头或螺母的支撑面接触压强大时，与之相接触的连接面表面会有环状塌陷。继续使用的过程中，特别是经历过温度变化，由于塑性变形继续发生，紧固长度内螺栓拉应力减小，螺母不回转的情况下连接的预紧力也会降低，导致力矩发生衰退。

    例如，在某研制工作进行的柔性石墨法兰地面密封试验中，法兰螺栓拧紧力矩最初为18N·m，试验件经过三次常温-液氮温区的温度循环以后，螺栓拧紧力矩下降为12N·m～14N·m，平均力矩衰退了25%。

    上述这种情况在被连接件强度、刚度比螺栓螺母强度、刚度弱的时候更容易发生，例如钢螺栓连接两个铝合金法兰，其中的活套法兰更容易产生变形的趋势。较好的缓解办法，一是增加活套环厚度，二是用平垫片减小接触面的压强。但在以往的使用过程中多注重在螺母拧紧一侧增加平垫片，且主要功能是防止螺母旋转时磨伤表面；而在螺栓头一侧则忽略了平垫片的使用，此处建议增加。

2.2 结构应力释放引起预紧力下降

    载荷状态下结构材料应力会产生一定的自然释放特性。对于金属来说经常发生。应力释放的影响可以理解为由于结构的不稳定，材料长时间不间断的应变以降低应力的倾向。结构的不稳定性产生的原因是长时间负载作用下的材料发生物理化学变化。

    例如对于小导管接头结构，随着时间的推移，金属软垫片自发的应力减小，使得垫片上的比压力减小，对于这一刚度连续结构，表现为预紧力的减少，从而产生力矩衰退[10]。在某研制项目中的小导管接头试验（密封件为金属紫铜垫片）中，对于导管接头：在起初的3 小时，拧紧力矩平均衰退了9.9%，7 小时后，力矩平均又降低了4.5%，1 天后力矩几乎不再发生变化，垫片上达到稳定应力状态；对于导管接头：在起初的3 小时，拧紧力矩平均衰退了17.7%，7 小时后，力矩平均又降低了3%，1 天后垫片上基本达到稳定应力状态。

    如果已知所使用材料的应力释放特性，密封性的下降程度可以预先计算。这样就可以选择作用于垫片的最佳的比压力，保证保存期间可靠的密封；或者可以规定经一个确定的时间段（例如10 天）再次将接头拧紧。试验的结果表明，初始时刻应力的减小非常迅速，而之后应力释放明显减缓，或者实际上不随时间发生变化。

    在起初的12～15 天，垫片上的应力平均下降了20%，而在后面的40～45 天里，应力下降了仅5%。之后达到垫片应变和压紧应力的平衡状态，该平衡状态也称作稳定应力。选择的紧固件初始紧固力大小应能在达到稳定应力后保证接头可靠的密封。

2.3 材料表面变化带来的力矩变化

    材料表面在螺纹拧紧过程中发生的变化直接影响到摩擦系数及摩擦力的变化，进而影响到拧紧力矩的变化。根据前文所述，拧紧力矩的效果大部分都分配到摩擦力上，而各零件的摩擦系数又与多种原因相关，因此材料表面的变化是对拧紧力矩影响最复杂的因素，且不能简单的判断是增大了还是减小了拧紧力矩。

    装配过程中，外螺纹和内螺纹之间、螺栓头或螺母端面与支撑面之间发生相对运动，这些都将极大的影响轴向力。由于摩擦的存在，相对运动会导致能量的损失，它以热量的形式表现出来。这些热量被连接体不同程度的吸收，虽然较小，但也足以导致材料表面微观上发生变化。

2.3.1 没有润滑的干螺纹

    由于高的摩擦系数，温度会迅速升高，并且在材料表面粗糙度最大处升高较快，特别是高拧紧转速和高拧紧力矩下容易出现微观的焊合现象[3]。微观的焊合现象增加了表面摩擦系数，在力矩相同的情况下并没能达到所需要的螺纹的预紧力。随着时间的推移和温度的散失，焊合现象减弱，重新校核力矩时会发现此前并没有拧紧，也就是拧紧力矩发生了“衰退”。

2.3.2 有润滑的螺纹

    有轻微润滑的情况下，润滑剂薄膜的粘性由于温度的升高而降低，同时大部分润滑剂甚至在很小的预紧力下就被挤出；随着润滑剂厚度的减小，越来越多的粗糙度凸点暴露出来，前文所述情况也会发生。

3 针对力矩衰退的对策

3.1 设定拧紧力矩的安全系数

    工程上，预紧力的损失平均为初始值的25%，根据该值，也可确定一个紧固力矩相对于密封所需力矩的安全系数Km=1.25～1.3。即：螺纹结构规定的力矩至少应为理论计算所需拧紧力矩的Km 倍以上。

3.2 定期校核拧紧

    依据对力矩衰退规律的摸索，可规定在一定的时间周期，例如装配后24小时至10天期间，对已经拧紧的螺纹结构进行校核拧紧一到两次，确保达到稳定状态。

4 总结

    本文从螺纹的受力分析出发，首先给出了拧紧螺母所需的力矩的表达式，然后给出了螺栓所受预紧力和预紧力矩关系的理论推导公式以及实验方程。同时对工程中出现的力矩衰退问题进行了分析，在基于大量试验的基础上，建议设定螺纹结构拧紧的安全系数（可取为1.25~1.3），并在装配后24 小时至10 天期间进行力矩校核拧紧，同时做好螺纹结构防松。