螺栓什么样算拧紧?终于懂了!(二)

上一章节从理论角度分析了，螺纹强度等级对扭矩系数的影响，进而影响拧紧扭矩，本章节进行实验分析。

1.实验方法

从上述理论分析可以看出，摩擦系数是影响扭矩系数的一个重要因素，摩擦系数又受到了强度等级的影响。为了探究螺栓的强度等级对摩擦系数的影响规律，进而得出强度等级对扭矩系数的影响规律，设计了如下实验。本次实验利用德国Schatz公司研制的多功能螺栓紧固分析系统，该系统可以测量出螺栓拧紧过程中的夹紧力、螺纹副上的扭矩，对夹紧力和扭矩的关系精确实时的反映。实验严格按照GB/T16823.3—2010实施。实验的对象是螺栓型号为M10X1.25X60，其强度等级分别为8.8、9.8、10.8，与之配对的螺母型号为M10X1.25，相应的等级为8、9和10级，其材料、表面处理状态与相配对的螺栓相同，垫块为255X30X3。具体的材料信息见表1。

根据提供的材料，按三个不同等级进行实验，每组按照不同的连接部位进行20次，详细记录实验数据，通过matlab软件对记录的数据分别进行正态分布拟合（见图1）。

2 实验结果分析

（1）对实验数据进行整理，得到不同强度等级下各项测量参数的平均值，如表2：

并对其中的总摩擦系数、螺纹摩擦系数、头部摩擦系数和扭矩系数平均值作的条形图（见图2）。

通过表2对不同强度等级的螺栓实验数据的对比，以及图2的各个参数的变化趋势，可以得出以下结论：

随着螺栓强度等级从8.8级到10.9级的增大，螺纹摩擦系数、头部摩擦系数、总摩擦系数和扭矩系数都有增大的趋势。因为螺栓拧紧过程中，在轴向夹紧力的作用下，无论是硬度和弹性模量不相同的螺母与垫片之间，还是在硬度和弹性模量相同的螺纹副之间都会产生犁削力。从1.3.1中分析可知，随着强度等级的提高，其抗拉强度极限和屈服极限都相应提高，而螺栓拧紧过程中夹紧力矩的设定通常依据其屈服强度，随屈服强度的增加而增加。因此，其对应的轴向夹紧力变大，接触面之间的条形槽越深，对应的犁削力增加；另外，当法向压力很高时，接触面的塑形变形越大，实际接触面积越大，相互作用的分子越多，两接触面吸附的就越紧密，摩擦力与法向压力是非线性关系，摩擦力增加很快。

因此，强度越高，摩擦力增加，相应的摩擦系数也就越大。再根据摩擦系数与扭矩系数的关系：扭矩系数是摩擦系数的增函数，在常值范围内，扭矩系数与摩擦系数呈同增同减的趋势，因此扭矩系数也相应的增大。

（2） 从上述分析得出了，螺栓的强度等级提高，扭矩系数也相应的增加，为了进一步得出其影响程度的大小变化，由实验数据求出三个强度等级扭矩系数的标准差和变异系数（见表3）。

从表3中我们可以看出，强度等级由8.8增到9.8时，标准差降低19.9%，变异系数降低10.65%；强度等级由9.8增到10.9时，标准差降低9.15%，变异系数降低9.93%。这一点说明了，随着螺栓强度等级的提高，扭矩系数的标准差和变异系数逐渐减小，并且减小的幅度也在下降。

为了更加清晰直观地观察强度等级对扭矩系数影响程度的变化，通过matlab软件，得出了上述三种扭矩系数分布盒图（见图3）

通过对上述图形的分析，可以清楚发现：强度等级由8.8上升到10.9时，其对应扭矩系数的最小值、最大值、下四分位数和上四分位数都相应的增大；另外，从图中观察各强度等级的分布盒图的形状，8.8级和9.8级在中位线之上的盒图形状不规则，且8.8级在最小值下有一个异常点，9.8级在最大值之上有一个异常点；而10.9级的形状比较规范，关于中位线对称。这一点说明了前两级的扭矩系数散差比较大，10.9级的散差较小。进一步观察发现，盒子的长度是逐渐降低的，说明了随着强度等级的提高，散差下降的幅度越来越小。通过上述分析，可以说明高强度的螺栓扭矩系数总体上比较大，并且随强度等级的提高，逐渐趋于稳定。

3 结论

（1）通过一系列的理论分析，得出了螺栓强度等级的不同，摩擦系数也是有差别的，摩擦系数又是影响扭矩系数的一个重要的因素，进而得出螺栓强度等级影响扭矩系数。

（2）通过不同强度等级螺栓进行了分组实验，对数据分析得出：随着栓强度等级从8.8级到10.9级的增大，螺纹摩擦系数、头部摩擦系数、总摩擦系数和扭矩系数都有增大的趋势。

（3）随着螺栓强度等级的提高，扭矩系数增加，但扭矩系数散差逐渐减小，并且散差减小的幅度也在逐渐减小，这说明高强度的螺栓扭矩系数总体上比较大，并且随着强度等级的提高，逐渐趋于稳定。