本發(fā)明涉及一種螺栓擰緊力系數(shù)的測量方法，特別涉及適用于鐵塔鍍鋅螺栓的擰緊力系數(shù)的測量。

背景技術(shù)：
螺栓的結(jié)構(gòu)和預(yù)緊力對鐵塔接頭的可靠性和疲勞壽命有很大影響。在螺栓及鐵塔夾層允許的條件下，預(yù)緊力越大，連接越安全可靠，疲勞壽命越長。但過大的預(yù)緊力有可能導(dǎo)致螺栓和夾層的破壞，因而預(yù)緊力的準(zhǔn)確控制就成為提高接頭可靠性和疲勞壽命的關(guān)鍵措施之一。重要的螺接接頭均要求嚴(yán)格控制預(yù)緊力，而在裝配過程中，直接測量預(yù)緊力是非常困難的，一般是通過控制擰緊力矩間接控制擰緊力。因而擰緊力矩的準(zhǔn)確測定就成為準(zhǔn)確控制預(yù)緊力的前提。目前電網(wǎng)架空線路的鐵塔構(gòu)件的連接，主要采用鍍鋅螺栓進(jìn)行連接，為了增強(qiáng)連接的可靠性，緊密性，防止受載后被連接件出現(xiàn)松動(dòng)或發(fā)生相對滑移，螺紋裝配連接時(shí)需要預(yù)緊。較大的預(yù)緊力可以增加連接的可靠性和連接件的疲勞強(qiáng)度，但預(yù)緊力過大會(huì)使連接件被拉斷。所以控制好預(yù)緊力，既不使螺栓過載，又能保證必要的強(qiáng)度和可靠性。通過扳手施加擰緊力矩，使螺栓得到一定的預(yù)緊力，擰緊力矩Mt與它所引起的螺栓預(yù)緊力（軸向力）間的關(guān)系，由擰緊力系數(shù)K確定，如公式（4）。K的數(shù)據(jù)在聯(lián)接螺栓的設(shè)計(jì)計(jì)算及施工工藝中都很重要，德、美、日諸國對這方面的研究較重視，但也因K值在實(shí)測中離散性較大，而感到不易妥善處理。如德國在1956年的標(biāo)準(zhǔn)中取K=0.18，1983年改為K=0.193，后來美、英兩國的規(guī)范又要求在使用的螺栓中進(jìn)行抽樣扭矩試驗(yàn)來確定K值，均說明K值受影響因素較多，實(shí)測K值離散性較大。Mt＝K×P0×d（4）K——擰緊力系數(shù)d——螺紋公稱直徑(單位：米)P0——預(yù)緊力(單位：N)擰緊力系數(shù)K主要與螺紋升角、螺紋當(dāng)量摩擦系數(shù)、螺母與被聯(lián)接件支承面間的摩擦系數(shù)有關(guān)，電網(wǎng)鐵塔所用螺栓普遍使用4.8級(jí)、6.8級(jí)和8.8級(jí)普通鍍鋅螺栓，連接件均為鍍鋅角鋼，同一批螺栓的擰緊力系數(shù)K應(yīng)接近，因此實(shí)測此類螺栓擰緊力系數(shù)K對于指導(dǎo)鐵塔安裝具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的主要技術(shù)問題是提供一種操作方便、結(jié)果準(zhǔn)確且重復(fù)性強(qiáng)的可試驗(yàn)室操作的模擬實(shí)際工況中螺栓擰緊力系數(shù)測量方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：本發(fā)明包括下述步驟：步驟一：標(biāo)定壓力傳感器，通過拉伸試驗(yàn)機(jī)夾具對所述壓力傳感器施加0~180KN的力F，并通過拉伸試驗(yàn)機(jī)的軟件記錄不同的力下壓力傳感器的電壓U，根據(jù)所得的力和電壓的數(shù)據(jù)，繪制力-電壓曲線，并根據(jù)曲線得到力-電壓關(guān)系式（1）；U=kF+b(1)U——壓力傳感器顯示的電壓，單位V；F——拉伸試驗(yàn)機(jī)施加的力，單位N；k——系數(shù)，單位V/N；b——力為0時(shí)壓力傳感器顯示的初始電壓，單位V；步驟二：連接鐵塔螺栓擰緊力系數(shù)模擬測試裝置，所述模擬測試裝置由上鍍鋅鋼板、中鍍鋅鋼板、下鍍鋅鋼板、套筒和壓力傳感器組成；在所述上鍍鋅鋼板的下端部和下鍍鋅鋼板的上端部分別設(shè)置有直徑相等的螺栓孔，在中鍍鋅鋼板的上、下端部分別設(shè)置有與所述螺栓孔直徑相等的螺栓孔；所述套筒、壓力傳感器、上鍍鋅鋼板和中鍍鋅鋼板上端部依次通過第一螺栓和第一螺母連接；所述中鍍鋅鋼板下端部和下鍍鋅鋼板通過第二螺栓和第二螺母連接。步驟三：將所述上鍍鋅鋼板的上端和下鍍鋅鋼板的下端分別夾置于拉伸試驗(yàn)機(jī)的上夾具和下夾具中；步驟四：使上、下鍍鋅鋼板處于所述上、下夾具的中心，所述上、下夾具處于夾緊狀態(tài)；第一、第二螺栓處于松動(dòng)狀態(tài)；使用扭力扳手使第二螺栓完全鎖死，即中、下鍍鋅鋼板在自然狀態(tài)下不產(chǎn)生滑動(dòng)；步驟五：對第一螺栓施加擰緊力矩Mt，通過壓力傳感器顯示電壓U’，并根據(jù)公式（2）計(jì)算此時(shí)的預(yù)緊力P0；P0=（U’+b-b’）×1000/k（2）P0——預(yù)緊力，單位N；U’——電壓，單位V；b——步驟一中力為0時(shí)壓力傳感器顯示的初始電壓，單位V；b’——步驟五所測得的初始電壓，單位V；k——步驟一中的系數(shù)，單位V/N；步驟六：根據(jù)公式（3）計(jì)算螺栓擰緊力系數(shù)K；K=Mt/（P0×d）（3）K——擰緊力系數(shù)；Mt——施加的擰緊力矩，單位Ｎ?m；d——螺紋公稱直徑，單位ｍ；P0——預(yù)緊力，單位N。進(jìn)一步的，所述中鍍鋅鋼板與第一螺母之間的第一螺栓上套置有第一墊圈，在中鍍鋅鋼板與第二螺母之間的第二螺栓上套置有第二墊圈。進(jìn)一步的，所述上、中和下鍍鋅鋼板的寬度為120mm，厚度為10mm，所述各螺栓孔的直徑為21.5mm。進(jìn)一步的，所述各螺栓、各螺母和各墊圈的規(guī)格為M20，鍍鋅。進(jìn)一步的，步驟五中通過扭力扳手施加擰緊力矩。本發(fā)明所述的測量裝置中的鍍鋅鋼板、螺栓和螺母的連接，模擬實(shí)際工況下的鐵塔鍍鋅鋼板的連接方式。本發(fā)明所述的套筒的主要作用是將螺栓預(yù)緊力傳遞給傳感器，并連接上鍍鋅螺栓和壓力傳感器。本發(fā)明所述的拉伸試驗(yàn)機(jī)，可對上鍍鋅鋼板和下鍍鋅鋼板施加壓力或拉力，用于傳感器的標(biāo)定。本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的方法模擬電網(wǎng)鐵塔安裝條件，使所測擰緊力系數(shù)K更接近現(xiàn)場實(shí)際情況，使預(yù)緊力施加適當(dāng)，保證螺栓的緊密性，防止螺栓過載，對鐵塔的現(xiàn)場安裝有重要指導(dǎo)作用。附圖說明附圖1本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的左視圖；附圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的力-電壓標(biāo)定曲線；附圖4-1為實(shí)施例1第一次試驗(yàn)所繪制的力矩—預(yù)緊力關(guān)系曲線；附圖4-2為實(shí)施例1第二次試驗(yàn)所繪制的力矩—預(yù)緊力關(guān)系曲線；附圖4-3為實(shí)施例1第三次試驗(yàn)所繪制的力矩—預(yù)緊力關(guān)系曲線；附圖4-4為實(shí)施例1第四次試驗(yàn)所繪制的力矩—預(yù)緊力關(guān)系曲線；附圖4-5為實(shí)施例1第五次試驗(yàn)所繪制的力矩—預(yù)緊力關(guān)系曲線；附圖4-6為實(shí)施例1第六次試驗(yàn)所繪制的力矩—預(yù)緊力關(guān)系曲線；附圖5-1為實(shí)施例1第五次試驗(yàn)的第一次重復(fù)所繪制的時(shí)間—預(yù)緊力關(guān)系曲線；附圖5-2為實(shí)施例1第五次試驗(yàn)的第三次重復(fù)所繪制的時(shí)間—預(yù)緊力關(guān)系曲線；附圖5-3為實(shí)施例1第六次試驗(yàn)的第五次重復(fù)所繪制的時(shí)間—預(yù)緊力關(guān)系曲線；附圖5-4為實(shí)施例1第六次試驗(yàn)的第六次重復(fù)所繪制的時(shí)間—預(yù)緊力關(guān)系曲線；在附圖中，1上鍍鋅鋼板、2中鍍鋅鋼板、3下鍍鋅鋼板、4第一螺栓、5第一螺母、6套筒、7壓力傳感器、8第一墊圈、9第二螺栓、10第二螺母、11第二墊圈。具體實(shí)施方式實(shí)施例1步驟一：標(biāo)定壓力傳感器，通過拉伸試驗(yàn)機(jī)夾具對所述壓力傳感器施加0~180KN的力F，并通過拉伸試驗(yàn)機(jī)的軟件記錄不同的力下力傳感器7的電壓U，所得的力和電壓的數(shù)據(jù)如表1所示，繪制力-電壓曲線如附圖3所示，根據(jù)公式（1）得出壓力-電壓的關(guān)系式。U=kF+b(1)U——壓力傳感器顯示的電壓，單位V；F——拉伸試驗(yàn)機(jī)施加的力，單位N；k——系數(shù)，單位V/N；b——力為0時(shí)壓力傳感器顯示的初始電壓，單位V。本實(shí)施例的壓力-電壓的關(guān)系式為：U=0.028P0+0.0254。表1拉伸試驗(yàn)機(jī)標(biāo)定時(shí)檢測的壓力與傳感器電壓步驟二：如附圖1、2，本發(fā)明的模擬測量裝置由上鍍鋅鋼板1、中鍍鋅鋼板2、下鍍鋅鋼板3、套筒6和壓力傳感器7組成；在所述上鍍鋅鋼板1的下端部和下鍍鋅鋼板3的上端部分別設(shè)置有直徑相等的螺栓孔，在中鍍鋅鋼板2的上、下端部分別設(shè)置有與所述螺栓孔直徑相等的螺栓孔；所述套筒6、壓力傳感器7、上鍍鋅鋼板1和中鍍鋅鋼板2上端部依次通過第一螺栓4和第一螺母5連接；所述中鍍鋅鋼板2下端部和下鍍鋅鋼板3通過第二螺栓9和第二螺母10連接。在所述中鍍鋅鋼板2與第一螺母5之間的第一螺栓4上套置有第一墊圈8，在中鍍鋅鋼板2與第二螺母5之間的第二螺栓9上套置有第二墊圈11，第一墊圈8和第二墊圈11用于保護(hù)鋼板，并進(jìn)一步模擬實(shí)際工況。模擬測量裝置的上鍍鋅鋼板1、中鍍鋅鋼板2和下鍍鋅鋼板3的寬度為120mm，厚度為10mm，所述各螺栓孔的直徑為21.5mm。本實(shí)施例的上鍍鋅鋼板1、中鍍鋅鋼板2和下鍍鋅鋼板3均采用寬度120mm，厚度10mm的鍍鋅鋼板，開孔直徑Ф21.5mm，采用沖孔工藝，先開孔再鍍鋅。本實(shí)施例的第一螺栓4、第一螺母5、第一墊圈8、第二螺栓9、第二螺母10和第二墊圈11的規(guī)格為M20，鍍鋅，多套。本實(shí)施例的傳感器7為BSQ-2傳感器，量程為200kN，使用CMT5205拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。本實(shí)施例對壓力傳感器7進(jìn)行標(biāo)定后，進(jìn)行了六次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)更換第一螺栓4，測量規(guī)格相同但螺紋表面不同的螺栓，在不同的加載時(shí)間下的擰緊力系數(shù)K。每次試驗(yàn)所使用的第一螺栓4如表2所示。步驟三：將所述上鍍鋅鋼板1的上端和下鍍鋅鋼板3的下端分別夾置于拉伸試驗(yàn)機(jī)的上夾具和下夾具中；步驟四：使上鍍鋅鋼板1和下鍍鋅鋼板3處于所述上夾具和下夾具的中心，所述上夾具和下夾具處于夾緊狀態(tài)；第一、第二螺栓處于松動(dòng)狀態(tài)；使用扭力扳手使第二螺栓9完全鎖死，即中鍍鋅鋼板2和下鍍鋅鋼板3在自然狀態(tài)下不產(chǎn)生滑動(dòng)；步驟五：對第一螺栓4施加擰緊力矩Mt，達(dá)到規(guī)定的扭矩時(shí)停止，通過壓力傳感器7顯示電壓U’，并根據(jù)公式（2）計(jì)算此時(shí)的預(yù)緊力P0。P0=（U’+b-b’）×1000/k（2）P0——預(yù)緊力，單位N；U’——電壓，單位V；b——步驟一中力為0時(shí)壓力傳感器顯示的初始電壓，單位V；b’——步驟五所測得的初始電壓，單位V；k——步驟一中的系數(shù)，單位V/N。每次試驗(yàn)預(yù)緊力所加載的時(shí)間不同，每次試驗(yàn)所得的預(yù)緊力P0的計(jì)算公式如表2所示。每次試驗(yàn)計(jì)算所得的預(yù)緊力的大小如表3所示。繪制的力矩—預(yù)緊力關(guān)系圖如附圖4所示。繪制的時(shí)間-預(yù)緊力關(guān)系圖如附圖5所示。步驟六：根據(jù)公式（3）計(jì)算螺栓擰緊力系數(shù)K；不同試驗(yàn)計(jì)算所得的K值如表3所示。K=Mt/（P0×d）（3）K——擰緊力系數(shù)；Mt——施加的擰緊力矩，單位Ｎ?m；d——螺紋公稱直徑，單位ｍ；P0——預(yù)緊力，單位N。表2不同試驗(yàn)的試驗(yàn)條件及預(yù)緊力計(jì)算公式注：舊螺栓為鍍鋅時(shí)間較長，表面鋅層已氧化的螺栓；新螺栓為鍍鋅時(shí)間不長，表面鋅層未氧化的螺栓。表3不同試驗(yàn)的預(yù)緊力及擰緊力系數(shù)計(jì)算結(jié)果試驗(yàn)中改變試驗(yàn)條件，K值出現(xiàn)明顯變化，就K值變化原因分析如下：1）從試驗(yàn)結(jié)果也可以看出，舊螺栓K值范圍在0.410～0.495，新螺栓K值范圍在0.290～0.365，涂抹黃油的舊螺栓K值為0.115；舊螺栓由于鍍鋅層氧化，表面較為粗糙，新螺栓表面光潔度較好，涂抹黃油的舊螺栓由于潤滑，表面摩擦力明顯下降；其他試驗(yàn)條件均未變化，說明隨著螺栓的螺紋表面摩擦系數(shù)的減小，K值也隨之減小，說明螺紋的實(shí)際摩擦系數(shù)對于K值的影響較大。2）扭矩保持時(shí)間對于預(yù)緊力影響較大，扭矩不保持或保持時(shí)間較短，造成K值較為離散，扭矩保持較長時(shí)間后，所測K值較為穩(wěn)定，如圖5所示；并且試驗(yàn)一、二、五都是使用的舊螺栓，但是試驗(yàn)五所測K值明顯低于試驗(yàn)一、二，分析原因是在相同的扭矩下，預(yù)緊力的大小與扭矩保持時(shí)間有一定的關(guān)系，在扭力扳手達(dá)到一定的扭矩后，預(yù)緊力并不是即時(shí)達(dá)到相應(yīng)預(yù)緊力，而是需要一段時(shí)間，扭矩不變，預(yù)緊力隨著時(shí)間的增加還在不斷增大，如圖5所示。在扭矩較小時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到趨于穩(wěn)定的預(yù)緊力，但是隨著扭矩的不斷增大，預(yù)緊力趨于穩(wěn)定的時(shí)間也在不斷增加。由于試驗(yàn)一、二扭矩保持時(shí)間較短，所測預(yù)緊力偏小，因此K值增大，所以試驗(yàn)一、二所測K值大于試驗(yàn)五所測K值。3）從試驗(yàn)一、二所使用的舊螺栓在扭力作用下螺紋接合處鍍鋅層的變形和搓動(dòng)可以看出，螺栓表面鍍鋅層發(fā)生堆積和脫落在一定程度上增加了摩擦力，使摩擦系數(shù)明顯上升，K值增大，這也是K值偏大的原因，但是試驗(yàn)五、六由于扭矩保持時(shí)間較長，在較大的扭矩作用下，螺紋之間發(fā)生相對滑動(dòng)，由于鍍鋅層硬度較低，在大的預(yù)緊力長時(shí)間的保持后，螺紋表面的鍍鋅層出現(xiàn)磨損，露出金屬光澤，造成螺紋表面摩擦系數(shù)減小，K值減小。這也是為什么在扭矩較大時(shí)，保持扭矩時(shí)間即使長達(dá)1小時(shí)，預(yù)緊力仍然在緩慢上升的原因，如圖5-4所示，扭矩不變，K值緩慢減小，因此預(yù)緊力不斷增大。4）實(shí)測K值與《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》所給出的K值離散性較大，如果在不實(shí)測K值的情況下，按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選取無潤滑鍍鋅螺栓的K值為0.22，計(jì)算螺栓擰緊力矩，Ф20mm的6.8級(jí)螺栓擰緊力矩值為258～362N?m，預(yù)緊力達(dá)到螺栓屈服極限的0.5～0.7，6.8級(jí)螺栓屈服極限為480N/mm2，對于Ф20mm的6.8級(jí)的螺栓要求達(dá)到的預(yù)緊力為58～82kN。而從試驗(yàn)結(jié)果看，無潤滑的情況下，實(shí)測K值最小為0.290，均大于0.22，因此如果施加按照《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》所給的K值計(jì)算出來的擰緊力矩，所得到的預(yù)緊力偏小，沒有達(dá)到螺栓屈服極限的0.5～0.7，即螺栓沒有擰緊。5）《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中有潤滑鍍鋅螺栓的K取0.18，試驗(yàn)四中涂抹黃油的舊螺栓K值明顯下降，僅為0.115，說明對螺栓潤滑能明顯降低擰緊力系數(shù)K，但與《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》提供的K值有明顯區(qū)別，也不能按照理論計(jì)算的方式施加扭矩，否則K值偏小，預(yù)緊力增大，在達(dá)到要求的扭矩時(shí)，預(yù)緊力會(huì)超過螺栓屈服極限，造成螺栓失效。由本實(shí)施例可得到如下結(jié)論：1)由于不同螺栓的鍍鋅工藝、厚度、保存時(shí)間、鋅層氧化情況的不同，造成螺紋表面的摩擦系數(shù)區(qū)別較大，實(shí)測擰緊力系數(shù)舊螺栓K=0.410～0.495，新螺栓=0.290～0.365，高于理論計(jì)算時(shí)無潤滑鍍鋅螺栓K=0.22，分析認(rèn)為影響擰緊力系數(shù)K的因素較多，導(dǎo)致實(shí)測K值離散較大，機(jī)械手冊提供的K值僅供參考，應(yīng)以實(shí)際情況為準(zhǔn)。試驗(yàn)中無潤滑鍍鋅螺栓實(shí)測K值均大于《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》提供的K值，如果施加按照理論計(jì)算所得出的扭矩，所得到的預(yù)緊力偏小，沒有達(dá)到螺栓屈服極限的0.5～0.7，即螺栓沒有擰緊。2）螺栓松動(dòng)還與扭矩保持時(shí)間有關(guān)，扭矩保持時(shí)間對于預(yù)緊力影響較大，瞬時(shí)施加的扭矩不能使螺栓達(dá)到規(guī)定的預(yù)緊力，需要保持扭矩一段時(shí)間，預(yù)緊力才能緩慢的趨于穩(wěn)定，并且扭矩越大，需要保持的時(shí)間越長，試驗(yàn)6-6中扭矩保持1小時(shí)，預(yù)緊力仍在增長。現(xiàn)場情況很難做到保持扭矩一段時(shí)間，因此螺栓預(yù)緊力也難以達(dá)到要求。3）對螺栓表面進(jìn)行潤滑，可以顯著降低K值，實(shí)測涂抹黃油的舊螺栓K=0.115，小于《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》提供的K值，如果施加理論計(jì)算擰緊力矩，易造成過度擰緊，導(dǎo)致螺栓的早期失效。4）同一批螺栓的鍍鋅工藝、厚度、保存時(shí)間、鋅層氧化情況基本相同，采用本發(fā)明的方法實(shí)際測定擰緊力系數(shù)具有實(shí)用性，可以指導(dǎo)現(xiàn)場安裝，避免螺栓未擰緊或擰緊過度。