Abstract

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试验装置及试验对象

拧紧扭矩与螺栓挤压力关系试验装置主要由刚架、螺栓传力构件、模拟安全壳板、螺纹孔板和重力传感器组成，图2分别为试验装置的模型示意、实体和刚架平面。

a—试验装置模型示意；b—试验装置实体；c—刚架前视；d—刚架仰视。图2 拧紧扭矩与螺栓挤压力关系试验装置 mm

1.1.1螺纹孔板和模拟安全壳板

本试验采用30 mm和40 mm厚、材质为Q355的螺纹孔板，在模拟安全壳板表面涂环氧富锌底漆，模拟反应堆安全壳表面,如图3所示。

a—螺纹孔板；b—模拟安全壳板。图3 试验用板

1.1.2刚架

刚架两端通过地锚螺栓固定于混凝土基础，使用三角板加劲板保证刚架的刚度。在板支架内从上到下依次放置螺纹孔板、模拟安全壳板和重力传感器。

1.1.3挤压力测量装置

采用量程为200 kN的重力传感器测量螺栓挤压安全壳板产生的挤压力，重力传感器位于螺栓孔正下方。

试验对象为螺栓传力构件，共研究四种螺栓传力方式(图4)，图4a～d分别为“平头螺栓+摩擦块”传力、“球头螺栓+钢套筒+摩擦块”传力(构件尺寸见图5)、平头螺栓传力和球头螺栓传力。其构件为长120 mm的10.9级M30螺栓，摩擦块为无石棉含铜丝材质，摩擦块套筒由45号钢铸造而成。

a—“平台螺栓+摩擦块”传力；b—“球头螺栓+钢套筒+摩擦块”传力;c—平头螺栓传力；d—球头螺栓传力。图4 四种螺栓传力方式

图5 “球头螺栓+钢套筒+摩擦块”传力构件尺寸 mm

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试验加载

常规工程实践中，对螺栓施加扭矩可以采用手动扭矩扳手或电动扭矩扳手。相比较而言，手动扭矩扳手精度更高，电动扭矩扳手操作更省力。本试验使用手动数显式扭矩扳手(MDS-500)和定扭矩型电动扳手(TYD-1000)进行加载并记录拧紧扭矩。扭矩扳手参数见表1。

表1 扭矩扳手参数

本次试验中使用连续加载和分级加载。

1)连续加载：使用手动数显式扭矩扳手进行连续加载，将手动数显式扭矩扳手设置为跟踪模式，然后缓慢旋转螺栓，加载至500 N·m。加载过程中，使用摄像设备同步拍摄扭矩扳手读数和重力传感器读数，如图6所示。

图6 连续加载

2)分级加载：使用定扭矩型电动扳手进行分级加载，每5档为一个荷载步。当重力传感器读数约为110 kN(约为手动扳手施加500 N·m扭矩时螺栓的挤压力)时，停止加载。记录每次加载完毕时的档位、扭矩扳手读数和重力传感器读数，如图7所示。

图7 分级加载

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试验内容

将摩擦块置于平头螺栓与模拟安全壳板之间(图4a)进行加载，当挤压力为32 kN(远小于设计值120 kN)左右时，摩擦块被螺栓压坏，如图8所示。所以本次试验主要进行带有摩擦块套筒的试验。

图8 试验Test0摩擦块破坏情况

在摩擦块上配置钢套筒，使用球形端面螺栓进行试验(图4b)。由传统夹紧式螺栓预紧时拧紧扭矩与螺栓预紧力关系推导可知，拧紧过程中相互运动的接触面越光滑，扭矩转化为螺栓预紧力的效率就越高。所以本次试验中除摩擦块与模拟安全壳板的接触面外，其余均喷涂机械防锈润滑剂。

3.2.1Test1-40

每组试验均更换螺栓、摩擦块、套筒、螺纹孔板(40 mm厚)和模拟安全壳板，共进行3组试验，每组重复加载3次，试验编号见表2。

3.2.2Test1-30

将Test1-40的板厚改为30 mm，进行3组试验，每组试验采用的构件均进行更换(除刚架外)，但型号和材质均相同且来自同一加工厂，各进行3次加载试验，试验编号见表2。

表2 套筒-摩擦块接触试验编号

注：试验编号采用多级编号，格式为“试验编号-螺纹孔板厚-螺栓编号-重复试验次数”。例如：Test1-40表示Test1中螺纹孔板厚为40 mm进行的所有试验；Test1-40-1表示Test1中螺纹孔板厚为40 mm、使用第1颗螺栓进行的所有试验；Test1-40-1-1表示Test1中螺纹孔板厚为40 mm、使用第一颗螺栓进行的第1次加载试验。

将平头螺栓端头与模拟安全壳板接触(图4c)，螺纹孔板厚度为40 mm，更换平头螺栓、螺纹孔板和模拟安全壳板，共进行3组试验，每组试验重复加载3次。另外，更换螺纹孔板厚为30 mm后做1组试验，试验编号见表3。

表3 平头螺栓接触试验编号

与Test1试验对象相同，加载方式变为定扭矩电动扭矩分级加载，每增加5档为一个荷载步。螺纹孔板厚40 mm和30 mm各1组，重复加载4次，编号为Test3-40-1-1～Test3-40-1-4、Test3-30-1-1～Test3-30-1-4。

1)Test4：模拟摩擦块与套筒完全约束，设置40 mm厚螺纹孔板，进行1组试验，重复加载4次，编号为Test4-40-1-1～Test4-40-1-4。

2)Test5：将球头螺栓直接与安全壳接触(图4d)，模拟改进螺栓(端头为椭球形，与摩擦块套筒接近点接触)，喷涂润滑剂，设置40 mm厚螺纹孔板，进行1组试验，重复加载4次，编号为Test5-40-1-1～Test5-40-1-4。

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试验结果及分析

1)Test1和Test2的试验结果如图9所示，挤压力与拧紧扭矩近似成正比，汇总每条拟合正比直线的斜率(命名为扭矩-挤压力转化系数K，可以衡量拧紧螺栓转化为螺栓挤压力的效率参数),见图9c、9f。可以看出：K在一定范围内变化，与试验重复次数无关。从图10a中可以看出，经过3次重复加载后，摩擦块与模拟安全壳接触面无相对滑动，螺栓拧紧的过程中，摩擦块与钢套筒内部相对滑动。因此在有摩擦块及摩擦块套筒的情况下，摩擦块可多次重复使用，不影响扭矩转化为挤压力的效率。

a—Test1-40；b—Test1-30；c—Test1拟合直线斜率；d—Test2-40；e—Test2-30；f—Test2拟合直线斜率。

图9 Test1、Test2试验结果

a—Test1-40-1-3；b—摩擦块渗油现象；c—Test2-40-1-3。图10 Test1、Test2试验现象

2)试验过程中发现，螺栓的球面端头略大于套筒槽，端头与套筒不发生转动，转动出现在摩擦块与套筒之间。但当套筒内喷涂润滑剂过多时，容易发生润滑剂渗漏现象，如图10b所示。此时将影响抗拔支座的抗拔力大小，所以在实际施工中，需喷涂适量润滑剂。

3)Test2为平头螺栓直接与安全壳接触，从结果中看出，试验次数对试验结果无影响，第一次加载后，模拟安全壳板出现如图10c所示磨损，对模拟安全壳产生较大损伤，所以不宜采用平头螺栓接触方案。

4)将Test1-40、Test1-30、Test2-40、Test2-30的数据分别进行整体拟合，K值分别为0.211，0.215，0.175，0.18 mm^-1，可以得出：

a.摩擦块和套筒的使用，增大了拧紧扭矩转化为螺栓挤压力的效率；

b.无论是摩擦块还是平头螺栓与安全壳接触，螺纹孔板厚为40 mm时，扭矩-挤压力转化效率比板厚为30 mm时的效率略小，即板厚造成的影响可忽略。

电动扳手在某些档位会出现一些非常规扭矩读数(图11a,11c)，但螺栓挤压力与档位的关系比较规则，所以在工程中，可直接将挤压力与电动扳手档位相对应，不必经过扭矩的转化。图11b、11d中给出了螺栓挤压力与档位的线性拟合函数。通过对比相同螺栓挤压力时手动扳手和电动扳手的扭矩读数可知，电动扭矩扳手的扭矩读数偏大，同时电动扳手的最低读数约为235 N·m，最终导致拟合曲线的截距不为0。

a—Test3-40扭矩与挤压力关系；b—Test3-40档位与挤压力关系；c—Test3-30扭矩与挤压力关系；d—Test3-30档位与挤压力关系。图11 Test3试验结果

1)从图12中可以看出，当摩擦块与套筒完全约束，螺栓旋紧过程中，摩擦块与模拟安全壳板发生转动，产生黑色物质粘于钢板上。因为接触面摩擦系数较大，所以扭矩-挤压力转化系数较低(0.1664 mm^-1左右，见图13)。因此设计摩擦块和套筒时，两者应保持松动接触状态。

a—Test4-40-1；b—Test4-40-2；c—Test4-40-4。图12 Test4试验现象

图13 Test4试验结果

2)Test5中，螺栓旋入后，端头挤压安全壳出现约1 cm的球形槽(图14)，试验所得的扭矩-挤压力转化系数为所有试验中最高(螺纹孔板厚为40 mm时为0.2658 mm^-1，见图15)，可见改进螺栓端头结构形式的必要性。

图14 Test5试验现象

图15 Test5试验结果

3)通过对比Test4和Test5可近似推导摩擦块与模拟安全壳板的动摩擦系数。参考机械设计中拧紧力矩与预紧力的关系，得到本试验中扭矩与挤压力的关系为：

T=(k₁+k₂)F₀

(1)

其中

式中：T为扭矩；F₀为挤压力；k₁为与螺旋副相关参数；k₂为与挤压端部转动接触面相关参数；f_c、D₀分别为转动接触面的动摩擦系数和外径。

根据式(1)，对于Test4和Test5可得：

T_Test4=(k₁+k_2Test4)F_Test4

(2a)

T_Test5=(k₁+k_2Test5)F_Test5

(2b)

由试验数据可得：

F_Test4=0.1664T_Test4

(3a)

F_Test5=0.2658T_Test5

(3b)

Test4中，近似取D₀=10 mm，则f_c=0.1(钢-钢接触，润滑)，Test5中，取D₀=45 mm，由式(2)、式(3)解得f_c=0.173。

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结束语

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