2 摩擦系數(shù)μ
通過扭矩系數(shù)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(shù)K 對螺栓現(xiàn)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(tǒng)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(shù)K 則略顯簡單,因為扭矩系數(shù)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(shù),摩擦系數(shù)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(shù)
環(huán)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(lián)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(wěn)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(shù)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(shù)據(jù)可以看出,在相同的上緊扭矩情況下,當摩擦系數(shù)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(fā)現(xiàn),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(shù)的研究。
其實在國內的設計標準中就已經(jīng)將上緊力矩、軸力與摩擦系數(shù)聯(lián)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(shù)
μ—支撐面的摩擦系數(shù)
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(shù),這和我們前面對影響扭矩系數(shù)K的因素分析完全一樣。摩擦系數(shù)μ 能幫助我們更深入、更系統(tǒng)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(shù)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(guī)定摩擦系數(shù)而不是扭矩系數(shù)。