螺栓自動(dòng)擰緊系統(tǒng)的選擇與預(yù)緊力控制

螺旋法廣泛應(yīng)用于化工裝置中。為了保證法蘭連接系統(tǒng)緊密不漏、安全可靠地長周期運(yùn)行,墊片表面必須有足夠的密封比壓,特別在高溫工況下墊片會(huì)產(chǎn)生老化、蠕變松弛,法蘭和螺栓產(chǎn)生熱變形,高溫連接系統(tǒng)的密封比常溫困難得多,此時(shí)螺栓預(yù)緊力的施加與控制就顯得十分重要,過大或過小的預(yù)緊力都會(huì)對(duì)密封產(chǎn)生不利影響。螺栓預(yù)緊力過大,密封墊片會(huì)被壓死而失去彈性,甚至?xí)⒙菟〝Q斷;過小的螺栓預(yù)緊力又使受壓后墊片表面的殘余壓緊應(yīng)力達(dá)不到工作密封比壓,從而導(dǎo)致連接系統(tǒng)泄漏。因此如何控制螺栓預(yù)緊力是生產(chǎn)實(shí)際中必須重視的問題。1擰緊螺釘?shù)倪B接方法1.1螺栓的直徑計(jì)算扭矩?cái)Q緊法是最常用的螺栓擰緊方法,通過扭矩扳手顯示的扭矩值來控制被連接件的預(yù)緊力,操作簡單、直觀。擰緊螺栓時(shí)的擰緊力矩:M=KtQ0d×10-3N·m式中:Q0——預(yù)緊力,N;Kt——計(jì)算系數(shù);d——螺栓的公稱直徑,mm。Q0=MKtd×10?3N(1)系數(shù)Kt與螺紋表面及法蘭的光潔度、潤滑狀況、擰緊速度、所用擰緊工具、以及反復(fù)擰緊時(shí)的溫度變化等有關(guān),通常在0.1~0.3之間變化。Kt的變化將導(dǎo)致預(yù)緊力Q0也發(fā)生較大變化,變化范圍大約在40%左右。所以,如采用扭矩法擰緊螺栓,其計(jì)算載荷需要1.3倍最大工作載荷,這必然會(huì)造成螺栓直徑增大,或數(shù)量增加,或提高材質(zhì)。這對(duì)簡化結(jié)構(gòu)、降低成本,減輕其重量都是不利的。1.2旋轉(zhuǎn)角度資源的選擇螺母(或螺栓)擰緊時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度與螺栓伸長量和被擰緊件松動(dòng)量的總和大致成比例關(guān)系,因而可采用按規(guī)定旋轉(zhuǎn)角度來達(dá)到預(yù)定預(yù)緊力的方法。在最初擰緊時(shí),先要確定極限扭矩(即實(shí)現(xiàn)連接密封所需的扭矩),把螺栓一直擰到極限扭矩,再轉(zhuǎn)過一個(gè)預(yù)定的角度,此即為旋轉(zhuǎn)角度擰緊法。螺栓伸長量與預(yù)緊力的關(guān)系為Q0=ΔLLEAs(2)式中:L——螺栓長度,mm;ΔL——螺栓變形伸長量,mm;E——彈性模數(shù),MPa;As——螺栓的平均截面積,mm2。由于在彈性區(qū)域內(nèi)ΔL正比于螺栓的回轉(zhuǎn)角度θ,所以Q0為θ的函數(shù),只要準(zhǔn)確控制螺栓回轉(zhuǎn)角度,便可準(zhǔn)確控制預(yù)緊力。由于旋轉(zhuǎn)角度擰緊法可使螺栓預(yù)緊力分散度減小,故平均螺栓預(yù)緊力可達(dá)到屈服極限的70~80%,這既提高了材料的利用率,也比較可靠。1.3飛機(jī)拉伸預(yù)緊法(1)螺栓拉伸的調(diào)整液壓拉伸預(yù)緊技術(shù)是利用液壓拉伸器完成螺栓的預(yù)緊工作。為了使螺栓的預(yù)緊力均勻,滿足密封要求,必須確保每個(gè)螺栓的伸長量均在計(jì)算允許的范圍內(nèi),若某個(gè)螺栓的伸長量超差,則需進(jìn)行調(diào)整拉伸操作。(2)螺栓拉伸伸長量的測(cè)定在螺栓材料的彈性范圍內(nèi),螺栓伸長量與所施加的軸向載荷成正比,其計(jì)算公式為ΔL1=NLEAL(3)式中:ΔL1——螺栓拉伸后的伸長量,mm;N——螺栓所承受的載荷,N;L——螺栓工作狀態(tài)下的有效長度,mm;E——螺栓材料的彈性模量,N/mm2;AL——螺栓截面積,mm2。實(shí)際計(jì)算中,還要考慮一定的余量,所以螺栓的預(yù)緊拉伸伸長量ΔL為:ΔL=ΔL1+δ式中:δ為預(yù)留的伸長量,mm。(3)螺栓預(yù)緊力的影響若螺栓預(yù)緊力為F0,油泵的油壓為p,液壓缸活塞的面積為AH,螺栓工作狀態(tài)下的有效長度為L,當(dāng)螺栓應(yīng)力低于彈性極限時(shí),則:p=ΔLLALAHE=εkE(4)式中ε=ΔL/L為螺栓的相對(duì)伸長量;k=AL/AH為螺栓截面積與活塞截面積的比值。由公式(4)可知,液壓缸的油壓p僅與螺栓的相對(duì)伸長量ε、螺栓與活塞截面積的比值k以及材料的彈性模量E有關(guān)。對(duì)于給定的螺栓,液壓缸的油壓p與相對(duì)伸長量ε成正比。因此,螺栓的預(yù)緊力F0可以通過控制液壓缸的油壓p而精確得到。p與ε的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知,當(dāng)施加在螺栓上的拉伸力超過螺栓的彈性極限時(shí),即螺栓的相對(duì)伸長量大于彈性伸長量εe時(shí),拉伸曲線不再是直線,這時(shí)螺栓的變形也不再是彈性變形。因此,在進(jìn)行拉伸時(shí),如果液壓缸的壓力過大,就會(huì)使螺栓的拉伸變形超過彈性范圍,對(duì)螺栓造成損害。為此,必須根據(jù)公式(4)確定合理的油壓p。2螺母提前緊力控制螺栓的預(yù)緊力關(guān)系到法蘭連接系統(tǒng)的緊密性和可靠性,所以在現(xiàn)場(chǎng)安裝設(shè)備或管道時(shí)往往需要知道并能控制螺栓預(yù)緊力的大小。2.1通過擰緊力控制預(yù)緊力(1)預(yù)緊力值的計(jì)算擰緊力矩與螺栓預(yù)緊力呈線性關(guān)系,控制了擰緊力矩的大小,就可通過實(shí)驗(yàn)或理論的方法計(jì)算出預(yù)緊力值。由于受摩擦系數(shù)和幾何參數(shù)偏差的影響,在一定的擰緊力矩下,預(yù)緊力數(shù)值的離散性比較大,因此,通過擰緊力矩來控制螺栓預(yù)緊力的控制精度不高,其誤差約為±25%,最大可達(dá)±40%。(2)采用通力器和數(shù)字顯示裝置的測(cè)力手術(shù)所使用的擰緊工具應(yīng)該能測(cè)量或控制力矩。按螺栓直徑規(guī)定扳手長度的呆扳手是最簡單的能在一定程度上控制擰緊力矩的扳擰工具。相對(duì)來說,使用較方便的活動(dòng)扳手就無法控制擰緊力矩?？刂茢Q緊力矩精度較高的工具是測(cè)力矩扳手和限力矩扳手。測(cè)力矩扳手有多種,擰緊力矩可從7×10-3N·m到1.3×103N·m,力矩讀數(shù)精度為±20%到±2%。實(shí)際工作中,操作人員的技術(shù)不良和粗心大意等常常抵消了扳手的測(cè)量精度,所以,出現(xiàn)了裝有較好指示器、預(yù)選力矩裝置、燈光和音響信號(hào)提示等附屬裝置的測(cè)力矩扳手。最新的測(cè)力矩扳手裝有電子測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)字顯示裝置。大尺寸的螺栓需要大的預(yù)緊力,此時(shí)可采用力矩倍增器,它靠齒輪箱增大力矩,通常齒輪傳動(dòng)比為4∶1或10∶1,最多達(dá)100∶1。由于齒輪傳動(dòng)中的摩擦損失,力矩倍增器的精度低于一般力矩扳手,最大力矩可達(dá)112.5kN·m。力矩倍增器與力矩扳手組合起來構(gòu)成大力矩扳手。用液體壓力推動(dòng)活塞,驅(qū)動(dòng)帶短而粗之棘爪的棘輪機(jī)構(gòu),使其在小的空間產(chǎn)生大的力矩,這種扳手稱為液力力矩扳手。其通?？僧a(chǎn)生1.3~6.51kN·m的力矩,最大可達(dá)136kN·m,力矩讀數(shù)精度為±2~±10%。氣動(dòng)力矩扳手是一種大型沖擊扳手,可以產(chǎn)生很大的力矩,但是精度比較低。若把力矩倍增器、力矩扳手和氣動(dòng)渦輪組合起來,則可在中等速度下產(chǎn)生大的力矩。這種工具可產(chǎn)生65.5kN·m的力矩。2.2螺釘轉(zhuǎn)角的測(cè)量根據(jù)需要的預(yù)緊力計(jì)算出螺母轉(zhuǎn)角,擰緊時(shí)量出螺母轉(zhuǎn)角就可達(dá)到控制預(yù)緊力的目的。測(cè)量螺母轉(zhuǎn)角最簡單的是刻一條零線,按螺母轉(zhuǎn)幾方來測(cè)量螺母轉(zhuǎn)角。螺母轉(zhuǎn)角的測(cè)量精度可控制在10°~15°內(nèi)。由于接觸變形,螺母與法蘭支承面完全接觸的開始位置較難確定,加之被連接件(法蘭和墊片)的剛度計(jì)算較為復(fù)雜、螺栓出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)變形、幾何尺寸誤差等因素,通過螺母轉(zhuǎn)角控制預(yù)緊力會(huì)出現(xiàn)誤差。一般說來,預(yù)緊力的誤差大約在±15%,其精度高于通過擰緊力矩控制預(yù)緊力的精度。2.3螺栓預(yù)緊力控制因?yàn)槁菟ǖ纳扉L量只和螺栓的應(yīng)力有關(guān),可以排除摩擦系數(shù)、接觸變形、被連接件變形等可變因素的影響。所以,通過螺栓伸長量控制預(yù)緊力可以獲得最高的控制精度,它被廣泛用作重要場(chǎng)合螺栓法蘭連接的預(yù)緊力控制方法。若測(cè)量正確,其預(yù)緊力的誤差約為±5%。研制一特定結(jié)構(gòu)、能精確測(cè)量位移的機(jī)構(gòu),保證使儀器(或量具)接近螺栓兩端面,便可直接測(cè)量擰緊前后螺栓的長度。螺栓的兩端面是測(cè)量面,需磨成光滑的平面,或加工出錐形中心孔。這種方法最適用于精確控制螺栓預(yù)緊力。對(duì)于螺柱連接,無法直接測(cè)量其伸長量。此時(shí),可從螺柱端部沿螺柱軸線打一長孔,將一細(xì)桿插人孔中,壓在孔底,并使桿的端部剛好與螺柱端部取平。預(yù)緊后,可用深度千分尺測(cè)量螺栓伸長量。2.4設(shè)備在螺栓使用時(shí),既是螺栓預(yù)緊力較好的一個(gè)原因使用液壓拉緊器給螺栓施加拉力,使之伸長,然后輕輕旋緊螺母,待撤去拉力之后,由于螺栓收縮就可在連接中產(chǎn)生和拉力相等之預(yù)緊力。這樣的預(yù)緊方式可以提高預(yù)緊力的控制精度。液壓拉緊器給螺栓施加預(yù)緊力時(shí)沒有摩擦力,故該方法適用于任何尺寸的螺栓,而且可以給一組螺栓同時(shí)施加預(yù)緊力,均勻壓緊法蘭和墊片,不致出現(xiàn)傾斜、翹曲而影響預(yù)緊力的精確控制。此外,由于螺旋副沒有摩擦力矩,螺栓不受剪切應(yīng)力,因此螺栓具有更高的承受軸向拉力的能力。由于螺栓旋合螺紋、墊圈、法蘭支承面都是在撤去拉緊器后首次承受載荷,所以這樣擰緊的螺栓法蘭連接有較大的松弛量。2.5預(yù)緊力的量測(cè)利用擰緊力矩與轉(zhuǎn)角的關(guān)系控制預(yù)緊力就是先給緊固件施以一定的力矩,然后使螺母轉(zhuǎn)過一定的角度,檢查最后的力矩與轉(zhuǎn)角是否滿足應(yīng)有關(guān)系,以避免預(yù)緊不足或預(yù)緊過度。通過試驗(yàn),可得到擰緊力矩和螺母實(shí)際轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系曲線,如圖2所示。在曲線開始的一段,由于零件幾何形狀的誤差,擰緊力矩與螺母轉(zhuǎn)角呈非線性關(guān)系,在最后一段,由于零件變形超過彈性變形區(qū)域,擰緊力矩與螺母轉(zhuǎn)角也呈非線性關(guān)系。理論公式只是曲線中段線性區(qū)間的描述?？刂祁A(yù)緊力的力矩轉(zhuǎn)角法為:首先用擰緊力矩控制擰緊過程,直到擰緊力矩值達(dá)到足以保證螺母、螺栓和被連接件真正貼緊為止,這時(shí)方能開始測(cè)量螺母轉(zhuǎn)角,然后用螺母轉(zhuǎn)角和擰緊力矩同時(shí)控制擰緊過程。這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是:利用擰緊力矩和螺母轉(zhuǎn)角給出的信息,可精確控制螺栓的預(yù)緊過程和預(yù)緊力,并能發(fā)現(xiàn)安裝過程中可能出現(xiàn)的擰緊不足或擰緊過度現(xiàn)象,這無論是單獨(dú)用力矩控制還是單獨(dú)用轉(zhuǎn)角控制都是無法實(shí)現(xiàn)的。3預(yù)緊力設(shè)計(jì)計(jì)算已知某臺(tái)設(shè)備的法蘭用螺栓