Принцип затяжки болтов и шесть методов контроля затяжки

В реальных условиях сборки усилие зажима между соединяемыми компонентами и осевой предварительный натяг болтов не могут быть непосредственно измерены или точно проконтролированы. Поэтому в отрасли обычно применяются методы косвенного управления на основе крутящего момента для достижения стандартизированного управления предварительной нагрузкой. В этой статье систематически объясняются основные методы контроля затяжки болтов, основанные на механической взаимосвязи между крутящим моментом и усилием зажима во время затяжки.

1. Принцип крутящего момента болта и силы зажима

Когда к болту прикладывается момент затяжки, хвостовик упруго растягивается, создавая осевую силу зажима для закрепления соединения. Базовая формула крутящего момента определяется как: Крутящий момент (M)=Сила (F) × Момент плеча (L). Теоретически, больший угол поворота обеспечивает более высокий крутящий момент; однако в реальной работе большая часть приложенного крутящего момента потребляется за счет трения.

Общая затяжка болтов соответствуетПравило распределения крутящего момента 50-40-10: 50% крутящего момента преодолевает трение под головкой болта, 40% преодолевает трение пары резьб, и только 10% эффективно преобразуется в полезную осевую силу зажима.

Например, когда болт затягивается с усилием 10 Н·м в соответствии с требованиями процесса, только приблизительно 1 Н·м способствует эффективному осевому зажиму, тогда как большая часть крутящего момента теряется из-за трения.

Этот коэффициент распределения крутящего момента не является фиксированным. Повреждения резьбы, заусенцы, грязь и поверхностные загрязнения значительно увеличивают потери на трение. В условиях дефектной резьбы распределение меняется на 50 % трения головки, 45 % трения резьбы и всего лишь 5 % эффективной силы зажима.

В таких случаях, хотя контролируемый момент затяжки соответствует стандарту, фактическая сила зажима оказывается явно недостаточной, что приводит кложное затягивание. При применении к высокоскоростным движущимся частям, таким как маховики и коленчатые валы, неправильная затяжка легко приводит к ослаблению или отсоединению болтов и приводит к выходу оборудования из строя.

Помимо дефектов резьбы, мягкие эластичные прокладки также вызывают снижение крутящего момента и потерю предварительного натяга, известную как ослабление крутящего момента в мягком соединении. Обычные мягкие компоненты, такие как прокладки головки блока цилиндров и прокладки масляного поддона, деформируются и расслабляются при постоянном сжатии, что приводит к постепенному снижению предварительной нагрузки. Процессы вторичной подтяжки широко применяются для минимизации ослабления зажимного усилия в узлах с мягкими соединениями.

Более высокий крутящий момент не всегда означает лучшее крепление. Чрезмерная затяжка растягивает болт за пределы его упругости и вызывает пластическую деформацию. Как только напряжение превышает предел текучести, болт подвергается необратимому разрушению и полностью теряет скрепляющую способность.

2. Шесть основных методов контроля затяжки болтов

2.1 Метод управления крутящим моментом

Метод контроля крутящего момента является самым простым и наиболее широко используемым методом затяжки. Его основным принципом является пропорциональное соотношение между моментом затяжки и осевым преднатягом, выражаемое формулой:T=K·F, где T=момент затяжки, F=осевой преднатяг и K=коэффициент крутящего момента.

После окончательной разработки конструкции болта целевая осевая предварительная нагрузка F фиксируется, и можно откалибровать стандартный момент затяжки T. Однако квалифицированные значения крутящего момента не всегда гарантируют квалифицированное качество сборки, главным образом из-за колебаний коэффициента крутящего момента K.

Коэффициент крутящего момента K очень чувствителен к комплексному коэффициенту трения, на который влияют точность болта, повреждение резьбы, загрязнение и состояние поверхности. Температура также играет решающую роль. Эксперименты Sumitomo Japan доказывают, что коэффициент крутящего момента K уменьшается на 0,31% при повышении температуры окружающей среды на каждый 1 градус.

Согласно протоколам испытаний VDI (Ассоциации немецких инженеров), даже при нулевой погрешности крутящего момента погрешность осевого предварительного натяга при чистом контроле крутящего момента может достигать ±27,2%, что указывает на ограниченную точность.

Характеристики применения: Затяжка выполняется в пределахболт эластичная область. Целевой крутящий момент обычно устанавливается в пределах от 50% до 85% крутящего момента. Примерно 90 % приложенного крутящего момента преодолевается трением, что обеспечивает точность предварительного натяга ±25 %.

Преимущества: Простое управление, низкая стоимость, проверка с помощью стандартных динамометрических ключей, подходит для массовой сборки.

Недостатки: Низкая точность затяжки, недостаточное использование материала и высокая чувствительность к температуре, состоянию резьбы и загрязнению поверхности, что приводит к плохой стабильности.

2.2 Метод управления моментом-углом (метод ТА/сверхэластичное управление)

Метод контроля угла крутящего момента представляет собой модернизированную высокоточную стратегию затяжки, основанную на базовом контроле крутящего момента. Процесс состоит из двух этапов: сначала затяните болт с заданным предварительным крутящим моментом (обычно 40–60 % от стандартного крутящего момента, определяемого при валидации процесса), чтобы устранить зазоры в соединениях и обеспечить полный поверхностный контакт; затем поверните болт на заданный угол, чтобы добиться точного осевого удлинения.

Вращение с фиксированным углом точно контролирует удлинение болта и сжатие соединения, устраняя неравномерность контакта поверхности и неравномерность трения. На втором этапе затяжки предварительная нагрузка точно определяется углом поворота, что значительно снижает влияние трения и обеспечивает гораздо более высокую точность, чем простое управление крутящим моментом.

Этот метод требует использования электрических инструментов для затяжки, оснащенных двигателями, зубчатыми передачами и высокоточными датчиками для точной установки предварительного крутящего момента и углов поворота на прецизионных производственных линиях.

Характеристики применения: Двухэтапная затяжка (инициализация крутящего момента + угол поворота) в пределах упругого диапазона. Первоначальные параметры крутящего момента и угла требуют экспериментальной калибровки. Точность преднатяга достигает ±15%.

Преимущества: Более высокая точность затяжки и стабильная осевая сила зажима, подходит для сборки компонентов средней и высокой точности.

Недостатки: Сложная система управления, требующая двойного контроля крутящего момента и угла; сложная проверка качества с помощью обычных инструментов контроля.

2.3 Метод контроля предела текучести (метод TG)

Метод контроля предела текучести представляет собой высокоточную технологию затяжки, основанную на пластических свойствах материала. Он постоянно контролирует наклон кривой крутящего момента-угла, чтобы определить порог текучести болта, и прекращает затяжку сразу же после достижения предела текучести.

На начальном этапе затяжки наклон угла крутящего момента быстро возрастает, а затем стабилизируется в пределах упругого диапазона. По мере того, как болт приближается к пластической текучести, наклон постепенно уменьшается. Затяжка прекращается автоматически, когда уклон падает до 50 % от максимального значения, указывая на предел текучести.

По сравнению с затяжкой в ​​упругой зоне, затяжка в зоне текучести сводит к минимуму ошибки предварительного натяга, вызванные отклонением угла, максимально увеличивает использование материала и устраняет влияние трения.

Характеристики применения: Мониторинг крутящего момента и градиента в реальном времени; точность преднатяга в пределах ±8%; болты достигают критического состояния текучести и не могут быть повторно использованы после затяжки.

Преимущества: Чрезвычайно высокая точность, отличная стабильность предварительного натяга и полное использование механической прочности болта.

Недостатки: Требуется высокоточное высокоточное оборудование с высокими затратами; во многом зависит от постоянного предела текучести болтов и качества сырья.

2.4 Метод управления углом подседельной точки (метод SPA)

Метод угла подседельной точки (SPA) — это усовершенствованный высокоточный метод затяжки, оптимизированный по сравнению с традиционным методом TA. В отличие от начальной точки с фиксированным крутящим моментом, используемой в управлении TA, SPA рассчитывает точное начало посадки через пересечение линейного наклона кривой крутящего момента и горизонтальной оси, устраняя начальное отклонение крутящего момента.

Испытания подтверждают, что кривые крутящего момента и угла значительно различаются при разных коэффициентах трения, в то время как исходная точка посадки остается практически постоянной. Вращение из единой посадочной точки эффективно устраняет ошибки предварительной нагрузки, вызванные разницей трения и начальным отклонением крутящего момента, обеспечивая более высокую точность, чем метод ТА.

Основные преимущества: Компенсирует ошибки крутящего момента на ранних стадиях и нарушения трения, значительно улучшая стабильность и точность затяжки в высоконадежных приложениях, таких как сборка аэрокосмического и точного оборудования.

2.5 Метод контроля удлинения болта (метод контроля качества)

Способ контроля удлинения болта напрямую определяетболт преднатяг путем измерения удлинения хвостовика. Ультразвуковое обнаружение является основным подходом, использующим линейную зависимость между частотой ультразвукового эха и длиной растяжения болта для точной количественной оценки удлинения и состояния текучести.

Этот метод позволяет избежать косвенного влияния крутящего момента и трения, при этом возникают лишь незначительные ошибки, вызванные индивидуальными различиями в пределе текучести болтов. Следует отметить, что кривые частоты ультразвука различаются при затягивании и ослаблении; частота нарастания при предварительной нагрузке ниже, чем частота отпускания при ослаблении, что требует дифференцированной калибровки.

2.6 Метод управления градиентом крутящего момента

Метод управления градиентом крутящего момента отслеживает изменения наклона кривой крутящего момента в реальном времени, чтобы точно контролировать начальную предварительную нагрузку, ориентируясь на осевую силу текучести болта. Он применяется в сборках высокого стандарта, требующих минимального разброса предварительной нагрузки и максимального использования прочности материала.

Его логика управления аналогична управлению углом пластической области, но обеспечивает более точное регулирование предела текучести, уменьшая ухудшение производительности, вызванное повторяющейся пластической деформацией. Он обеспечивает превосходную стабильность по сравнению с традиционными методами пластиковой затяжки.

Недостатки: Требуется сложное и дорогое оборудование для затяжки, требующее высокоточной технологической калибровки и отладки.