關于風電螺栓扭矩系數與摩擦系數的探討

　　2 摩擦系數μ
　　通過扭矩系數K，我們直觀地看到了螺栓上緊扭矩與最終夾緊力之間的關系，因此扭矩系數K 對螺栓現場施工上緊的扭矩大小至關重要，而且在換算扭矩與夾緊力方面比較容易操作。但要想系統研究螺栓整個上緊過程中的力矩轉化與消耗，僅用扭矩系數K 則略顯簡單，因為扭矩系數K 是多個變量的綜合反映。要想明確幾何形狀及摩擦等各單變量的影響程度，則需要引入另一關鍵系數，摩擦系數μ。
　　很早以前，美國懷特帕特森空軍基地就確定了一系列的影響螺栓扭矩--- 預緊力關系的因素。（Stewart， R.， Torque/Tension Variables， List prepared at Wright-Patterson Air ForceBase， April 16， 1973.）我們下邊列出這些影響因素：
　　螺栓的材質
　　螺栓的成型工藝
　　螺紋形狀
　　螺栓的同心性
　　螺紋連接副、墊圈的硬度
　　墊圈的類型、種類
　　部件的表面粗糙度
　　內螺紋邊緣的毛刺
　　螺栓鍍層的厚度、種類和一致性
　　螺栓的潤滑
　　螺栓的上緊工具
　　螺栓的上緊速度
　　扭矩扳手和螺栓的配合度
　　螺栓的使用次數
　　環境溫度等
　　可以看出，這些因素中的絕大部分，都和摩擦有一些聯系。可以說，摩擦對高強度螺栓的預緊力有巨大的影響，如果摩擦過大、過小或者不穩定，則高強度螺栓達不到設計的預緊效果。如圖１所示，我們對高強度螺栓施加的扭矩，有80% 多都消耗在了克服摩擦力上。
　　那么摩擦系數會對上緊扭矩中預緊力的分配有多大的影響？通過下面的檢測結果可以得到反映。
 

　　從檢測數據可以看出，在相同的上緊扭矩情況下，當摩擦系數變化０．０１時，預緊力的變化幅度高達３７．５％。從圖１的上緊力矩轉換分配情況，我們也同樣可以發現，所施加上緊力矩的50% 被支承面的摩擦消耗了，其余40% 被螺紋的摩擦消耗了，只有10% 轉化成了預緊力。如果支撐面間的摩擦力因為一點小小的粗糙度影響，增加了10%，則支承面的力矩消耗由50% 增加到55%，這增加的5% 不會影響螺紋之間的摩擦，只會將預緊力由占總預緊力矩的10% 減小到5%，這就意味著，這根“問題螺栓”最終的預緊力只有普通螺栓的一半，也就是說，摩擦力10% 的增加就會引起預緊力50% 的變化，因此我們必須充分重視螺紋副摩擦系數的研究。
　　其實在國內的設計標準中就已經將上緊力矩、軸力與摩擦系數聯系在一起了。在《中國機械設計大典（第三卷）》（江西科學技術出版社）中就有該項公式：

式中：Ｍ—上緊扭矩
　　Ｐ０—軸向力
　　ｄ—螺紋外徑
　　ｄ２—螺紋平均直徑
　　D—六角螺栓外接圓直徑
　　α—螺紋升角，ｔａｎ α ＝ｓ／ π ｄ，ｓ為螺距
　　β—螺紋摩擦角，ｔａｎ β ＝ｆ，ｆ為螺紋間摩擦系數
　　μ—支撐面的摩擦系數
　　從以上公式可以看出，影響上緊力矩與軸向力比值的關鍵因素就在于螺距和摩擦系數，這和我們前面對影響扭矩系數Ｋ的因素分析完全一樣。摩擦系數μ 能幫助我們更深入、更系統的研究涂層和潤滑劑等對螺栓預緊力的影響，在國外特別是歐洲，在高強度螺栓檢測和上緊中，特別重視摩擦系數μ 的控制，這一點從歐洲的風電技術圖紙中就可以看出，往往是規定摩擦系數而不是扭矩系數。