表面润滑改性对热镀锌紧固件轴力扭矩关系的影响研究

钱 苗，余虹云，朱志华，陈 玲，李文仙

（浙江华电器材检测研究所，杭州 310015）

表面润滑改性对热镀锌紧固件轴力扭矩关系的影响研究

钱 苗，余虹云，朱志华，陈 玲，李文仙

（浙江华电器材检测研究所，杭州 310015）

紧固件表面摩擦系数直接影响紧固件轴力扭矩关系，而其表面摩擦系数可以通过润滑来改善。采用水蜡润滑对热镀锌紧固件轴力扭矩关系进行试验研究，探讨了不同浓度水蜡对紧固件轴力扭矩关系的影响，并与未经任何润滑处理紧固件的扭矩系数进行对比，可为输电铁塔紧固件预紧力的取值和提高防松可靠性提供参考。

热镀锌紧固件；轴力；扭矩；润滑

0 引言

扭矩系数，即螺栓连接副紧固状态时扭矩与轴力的关系比值，是紧固的必要和关键参数。与其他金属紧固件不同，热镀锌紧固件表面采用热浸镀锌工艺，该类紧固件的扭矩系数在0.19～0.83之间，均值为0.51，标准偏差0.11。其中，70%左右的扭矩系数集中在0.4～0.6之间，95%左右的扭矩系数集中在0.3～0.7之间[1]。根据现行标准，表面磷化的钢结构用紧固件的扭矩系数在0.110～0.150[2]。热镀锌紧固件的扭矩系数远大于表面磷化处理的紧固件的扭矩系数。而扭矩系数越大，同样紧固扭矩下的紧固轴力值就越小，就容易发生松脱。

热镀锌紧固件扭矩系数过高与其采用镀锌工艺造成表面摩擦系数过大有关。而对于螺纹紧固件，包括大量的防松紧固件，螺纹副表面的润滑非常重要，它能显著降低表面摩擦系数，改善连接副的工作性能。润滑具有以下主要作用：第一，防止螺纹旋合时出现擦伤或卡死，保证得到理想的预紧力和可重复使用；第二，稳定锁紧力矩，能使第一次拧入最大力矩趋小，提高防松的可靠性；第三，使紧固系统具有良好的扭-拉关系[3]。

鉴于润滑的重要作用，以下将尝试在热镀锌紧固件表面使用润滑剂，探讨热镀锌紧固件表面润滑改性的可行性，并研究表面润滑改性后热镀锌紧固件的轴力扭矩关系，为热镀锌紧固件预紧力的取值和提高防松可靠性提供参考意义。

1 润滑剂的选取

实际应用中常用的润滑剂有中性润滑油及油膏、二硫化钼、石墨和极性腊等，他们各有优缺点。

1.1 中性润滑油及油膏

中性润滑油及油膏是最普通的螺纹湿膜润滑剂，在润滑和防腐方面都有良好的使用效果。但它的使用温度不能超过120℃，否则油和油膏会熔化和蒸发，降低润滑粘度，无法建立润滑油膜，导致基体金属直接摩擦，失去润滑作用。它也不能用于真空环境。由于大部分润滑油具有较高的粘度，会长期附着在零件表面，形成一定程度的污染。

1.2 二硫化钼

二硫化钼是最常用的一种干膜润滑剂，以干的薄膜形态牢固地粘结在成品螺母上，安装螺母时不必再添加额外的润滑剂。二硫化钼干膜润滑剂是一种优良的螺纹润滑剂，可用于真空环境。但在温度接近399℃时，二硫化钼会转化成具有研磨剂作用的三硫化钼，对连接是有害的[4]。

1.3 石墨

干石墨粉加油、油膏（如凡士林）或水，使其润湿后便可成为性能良好的螺纹润滑剂，它的最大使用温度受油或水的沸点所限。干石墨是研磨剂，在液体蒸发后，干石墨会对螺纹造成损害[5]。

1.4 水蜡

水蜡为高分子聚合物的水性分散液（主要成分为四氟乙烯），将水蜡与水按一定比例稀释后，披覆在紧固件上，经过烘干固化处理程序后，会在紧固件表面形成一层附着性强、干而不黏手的透明润滑薄膜。水蜡的润滑功能很好，能促进紧固件的攻牙速度，有效降低旋合螺纹的摩擦系数，显著降低并稳定全金属锁紧螺母的第一次拧入最大力矩以及提高多次装拆后的拧出最小力矩，它对稳定紧固系统的扭-拉关系也有良好的效果。与黑色的二硫化钼不同，这类润滑剂的干膜层是透明的，不影响紧固件强度区分标志以及因安全等使用要求所必需的螺母着色。

2 试验条件的确定

以下采用日本进口艾美MAKE FT-606紧固件专用薄膜润滑剂作为试验紧固件润滑剂。采用水蜡对紧固件试样进行表面处理的主要步骤如下：

（1）采用超声清洗的方法对紧固件进行清洗。

（2）将水蜡和纯净水按 1∶10 或 1∶5 的体积比例配比成溶液。

（3）将清洗后的紧固件试样浸泡在配置好的水蜡溶液中1 h。

（4）取出紧固件试样自然晾干后，置于烘箱中，60℃高温干燥1 h备用。

图1为热镀锌紧固件试样表面润滑处理过程。处理完毕的试样，紧固件表面比较光洁且干燥，没有粘手的油脂留在上面。

图1 紧固件试样表面润滑处理过程

分别在2种条件下进行润滑表面改性紧固件扭矩系数测试，具体试验条件如表1所示。

表1 润滑表面改性紧固件扭矩系数测试条件

3 试验系统的研制

试验选用了自主研制的WNJ-1000型轴力-扭矩综合智能试验系统，试验机工作原理参照标准GB 16823.3-1997《螺纹紧固件拧紧试验方法》。

试验系统的主机结构如图2所示，包括电机、减速机、扭矩传感器、负荷感器、反力框架及机柜，由电机驱动。

图2 WNJ-3000型主机结构

与传统紧固件轴力-扭矩联合测试系统相比，WNJ-10000型轴力-扭矩综合智能试验系统（见图3）不仅在装配精度和控制器上做了改进，且结合大规格、高等级紧固件的特点，在夹具设计、轴力传感器位置方面做了优化。优化后系统操作更加简单方便，提高了试验可靠性和工作效率。

图3 WNJ-10000型轴力-扭矩综合智能试验系统

WNJ-10000型轴力-扭矩综合智能系统的基本性能参数如表2所示。

表2 试验系统的基本性能参数

4 试验结果分析

4.1 异常值剔除

此次试验最终得到2种润滑改性后热镀锌紧固件扭矩系数值，共计160组，考虑其中可能存在因仪器设备和人为操作引入的不可靠性，因此在对数据进行对比分析前，首先需对测试数据进行有效筛选，排除粗大误差的引入，判定和剔除异常数据，保证测试数据的准确性和可靠性。

对异常测试数据的判定主要采用了格拉布斯准则检验，其判别思路为：若某个测量值残差vi与标准差s的比值Gi大于格拉布斯表给出的临界值G（a，n），则判断此值有粗大误差，应予以剔除。

对于服从正态分布的试验数据 x1，x2，x3，…，xn-1，xn是否存在异常值，处理步骤如下：

（2）计算各个观测值的残差vi=xi-x。

（4）绝对值最大的残差Vimax，其对应的观测值即为可疑值。

（6）该可疑值作为异常值被剔除后，剩下的（n-1）个数据需要重新按照（1）—（5）的步骤进行异常值剔除，直至数据中没有异常值为止。

4.2 试验数据分析

表3为2种润滑条件下紧固件扭矩系数试验数据，首先对试验结果进行异常值剔除。根据格拉布斯准则，发现表3中数据0.274和0.332均为异常值，将其剔除；再对剩余数据进行异常值分析，发现水腊体积∶水体积=1∶10的数组中0.329同样为异常值，再加以剔除，之后未发现无异常值。

图4是经过2种不同润滑改性热镀锌紧固件的扭矩系数分布图和未经任何表面处理的紧固件扭矩系数均值图，结合计算结果可知：

（1）表面润滑改性紧固件的扭矩系数明显低于未经任何表面处理紧固件的扭矩系数。

（2）水蜡体积与水体积按1∶5方式进行润滑改性的紧固件扭矩系数略低于1∶10方式润滑改性的紧固件扭矩系数。

表3 润滑后紧固件扭矩系数测试数据

图4 表面润滑改性和未经润滑处理热镀锌紧固件的扭矩系数对比

5 结论

通过对热镀锌紧固件的表面润滑改性，研究了不同浓度润滑条件对紧固件轴力扭矩关系的影响，并与未经任何润滑处理紧固件的扭矩系数进行对比，得到如下结论：

（1）热镀锌紧固件可以采用石蜡兑水方式进行表面润滑改性，不影响其外观及使用。

（2）经表面润滑改性后的热镀锌紧固件的扭矩系数明显降低，约为未经润滑处理热镀锌紧固件的1/3。

（3）石蜡兑水浓度越高，其降低热镀锌紧固件扭矩系数、改善轴力扭矩关系效果越明显。

因此，建议在条件允许情况下，在热镀锌紧固件螺纹上添加润滑剂。

[1]钱苗，余虹云，王梁，等.输电线路用热镀锌螺栓扭矩系数的测定和分析[J].浙江电力，2013，32（6）∶17-19.

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[5]陈锐，李平，陆玉俊.固体润滑材料——石墨的应用[J].炭素，2000（4）∶23-25.

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Research on Impact of Surface Lubrication Modification on Relationship between Axial Force and Torque of Hot Galvanized Fastener

QIAN Miao， YU Hongyun， ZHU Zhihua， CHEN Ling， LI Wenxian

（Zhejiang Huadian Equipment Testing Institute，Hangzhou 310015，China）

Surface friction coefficient of fastener displays direct influence on its relationship between axial force and torque，and its coefficient could be improved by lubrication.Wax lubrication was used for experimental study of the relationship between axial force and torque of the hot galvanized fastener.The influence of different concentrations of wax on the relationship between axial force and torque of the galvanized fasteners was also discussed，and torque coefficient of the fastener without any lubrication is compared to provide guidelines to the pre-tightening valuing and anti-loose reliability of fasteners used in transmission tower.

hot galvanized fasteners； axial force； torque； lubrication

10.19585/j.zjdl.201709010

1007-1881（2017）09-0048-04

TH117.2

B

国家电网公司科技项目（521104150001）

2017-07-14

钱 苗（1983），女，工程师，从事输电铁塔紧固件特性研究工作。

（本文编辑：方明霞）