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螺栓的拧紧与控制技术详解

更新时间:2019-02-13

  伺服电动系统内置了转矩、位置、速度三环控制,因其高转速、高扭矩、高精度而广泛应用于工控设备的传动、控制领域。

  一、拧紧的基本概念

      1. 拧紧的基本要求有三点:

  1)连接件紧密贴合;2)能承受一定的动载荷;3)有足够的夹(压)紧力。

  2. 拧紧过程的主要变量

  1)扭矩(T): 所施加的拧紧动力矩,单位牛米(Nm); 2)夹紧力(F): 连接体间的实际轴向夹(压)紧大小,单位牛(N); 3)摩擦系数(U): 螺栓头、螺纹副中等所消耗的扭矩系数; 4)转角(A): 基于一定的扭矩作用下,使螺栓再产生一定的轴向伸长量或连接件被压缩而需要转过的螺纹角度。

  3. 螺栓的主要参数

  1)标准扭矩: 对应于不同型号、不同规格、不同材质的标准螺栓,其标定条件下拧紧需要的扭矩大小,单位牛米(Nm);

  2)预紧力: 螺栓拧紧时所需要的轴向拉应力,单位牛(N);

  3)屈服强度: 或屈服应力,使螺栓开始产生塑性变形的拉应力大小,单位N/mm;

  4)抗拉强度: 或抗拉应力,使螺栓拧紧失效甚至断裂的最小拉应力,单位N/mm。

  二、拧紧过程分析1、541规则

  参见图A:通常情况下,在螺栓的拧紧过程中,实际转化为螺栓夹紧力的扭矩仅占10%,其余50%用于克服螺栓头下的摩擦力,40%用于克服螺纹副中的摩擦力,这就是“541”规则,主要反映夹紧力与摩擦力之间的关系。但若施加一定的改善措施(如涂抹润滑油)或螺纹副中存有缺陷(如杂质、磕碰等),该比例关系会受到不同影响而改变。

图A. 541规则

  2、螺栓连接件的特性

图B. 螺栓连接件特性

  3、螺栓拧紧的影响因素

  根据541规则,螺栓是否真的被拧紧(或是否达到螺栓的预紧力),主要取决于螺栓与连接件之间的摩擦系数的变化,那么,能引起摩擦系数变化的可能性因素有哪些呢?

  1)螺栓头表面: 含镀层、涂层等,是否光洁、平整?有无凸凹缺陷?有无锈蚀破损?等;

  2)螺纹副中:有无杂质、磕碰、螺纹工艺等级等;

  3)连接方式:分为硬连接和软连接两种方式,比如垫圈、垫片的应用等;

  4)材料特性:主要与材料的硬度或刚性相关,也可广义地区分为硬连接和软连接方式;

  5)改善措施:比如涂抹润滑油、或对螺栓表面进行特殊处理等。

  三、拧紧控制方法

  1。 扭矩控制法

  定义: 当拧紧扭矩达到某一设定的控制扭矩时,立即停止拧紧的控制方法。优点: 控制系统简单、直接,易于用扭矩传感器或高精度扭矩扳手来检查拧紧的质量。缺点: 控制精度不高(预紧力误差±25%左右),也不能充分利用材料的潜力。

  扭矩-转角控制法定义: 先把螺栓拧到一个不大的扭矩后,再从此点开始,拧一个规定的转角的控制方法。优点: 螺栓轴向预紧力精度较高(±15%),可以获得较大的轴向预紧力,且数值可集中分布在平均值附近。缺点: 控制系统较复杂,要测量扭矩和转角两个参数;且质检部门也不易找出适当的方法对拧紧结果进行检查。

  屈服点控制法定义: 把螺栓拧紧到屈服点后,停止拧紧的一种方法。优点: 拧紧精度非常高,预紧力误差可以控制在±8%以内;但其精度主要取决于螺栓本身的屈服强度。缺点: 拧紧过程需要对扭矩和转角曲线的斜率进行动态的、连续的计算和判断,控制系统的实时性、运算速度等都有较高的要求。

  伺服电动系统内置了转矩、位置、速度三环控制,因其高转速、高扭矩、高精度而广泛应用于工控设备的传动、控制领域。日本多摩川精机株式会社推出的MINI型小体积、低功率伺服电机系列,在医疗设备、半导体、多关节机器人等方面有其独特的应用,艾而特公司作为多摩川品牌的总代理,对其新产品、新技术的应用得天独厚,已成功开发出以伺服电机为精密控制和驱动的螺丝拧紧系统,填补了国内多项空白。

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