关于风电螺栓扭矩系数与摩擦系数的探讨

　　2 摩擦系数μ
　　通过扭矩系数K，我们直观地看到了螺栓上紧扭矩与最终夹紧力之间的关系，因此扭矩系数K 对螺栓现场施工上紧的扭矩大小至关重要，而且在换算扭矩与夹紧力方面比较容易操作。但要想系统研究螺栓整个上紧过程中的力矩转化与消耗，仅用扭矩系数K 则略显简单，因为扭矩系数K 是多个变量的综合反映。要想明确几何形状及摩擦等各单变量的影响程度，则需要引入另一关键系数，摩擦系数μ。
　　很早以前，美国怀特帕特森空军基地就确定了一系列的影响螺栓扭矩--- 预紧力关系的因素。（Stewart， R.， Torque/Tension Variables， List prepared at Wright-Patterson Air ForceBase， April 16， 1973.）我们下边列出这些影响因素：
　　螺栓的材质
　　螺栓的成型工艺
　　螺纹形状
　　螺栓的同心性
　　螺纹连接副、垫圈的硬度
　　垫圈的类型、种类
　　部件的表面粗糙度
　　内螺纹边缘的毛刺
　　螺栓镀层的厚度、种类和一致性
　　螺栓的润滑
　　螺栓的上紧工具
　　螺栓的上紧速度
　　扭矩扳手和螺栓的配合度
　　螺栓的使用次数
　　环境温度等
　　可以看出，这些因素中的绝大部分，都和摩擦有一些联系。可以说，摩擦对高强度螺栓的预紧力有巨大的影响，如果摩擦过大、过小或者不稳定，则高强度螺栓达不到设计的预紧效果。如图１所示，我们对高强度螺栓施加的扭矩，有80% 多都消耗在了克服摩擦力上。
　　那么摩擦系数会对上紧扭矩中预紧力的分配有多大的影响？通过下面的检测结果可以得到反映。
 

　　从检测数据可以看出，在相同的上紧扭矩情况下，当摩擦系数变化０．０１时，预紧力的变化幅度高达３７．５％。从图１的上紧力矩转换分配情况，我们也同样可以发现，所施加上紧力矩的50% 被支承面的摩擦消耗了，其余40% 被螺纹的摩擦消耗了，只有10% 转化成了预紧力。如果支撑面间的摩擦力因为一点小小的粗糙度影响，增加了10%，则支承面的力矩消耗由50% 增加到55%，这增加的5% 不会影响螺纹之间的摩擦，只会将预紧力由占总预紧力矩的10% 减小到5%，这就意味着，这根“问题螺栓”最终的预紧力只有普通螺栓的一半，也就是说，摩擦力10% 的增加就会引起预紧力50% 的变化，因此我们必须充分重视螺纹副摩擦系数的研究。
　　其实在国内的设计标准中就已经将上紧力矩、轴力与摩擦系数联系在一起了。在《中国机械设计大典（第三卷）》（江西科学技术出版社）中就有该项公式：

式中：Ｍ—上紧扭矩
　　Ｐ０—轴向力
　　ｄ—螺纹外径
　　ｄ２—螺纹平均直径
　　D—六角螺栓外接圆直径
　　α—螺纹升角，ｔａｎ α ＝ｓ／ π ｄ，ｓ为螺距
　　β—螺纹摩擦角，ｔａｎ β ＝ｆ，ｆ为螺纹间摩擦系数
　　μ—支撑面的摩擦系数
　　从以上公式可以看出，影响上紧力矩与轴向力比值的关键因素就在于螺距和摩擦系数，这和我们前面对影响扭矩系数Ｋ的因素分析完全一样。摩擦系数μ 能帮助我们更深入、更系统的研究涂层和润滑剂等对螺栓预紧力的影响，在国外特别是欧洲，在高强度螺栓检测和上紧中，特别重视摩擦系数μ 的控制，这一点从欧洲的风电技术图纸中就可以看出，往往是规定摩擦系数而不是扭矩系数。