环境温度和湿度对扭矩系数的影响分析

赵健，冯冠宙

（1.中咨公路养护检测技术有限公司，北京 100089；2.呼和浩特市市政建设服务中心，内蒙古 呼和浩特 010000）

1 工程概况

以某桥梁工程作为研究对象，其主桥设计为重力式锚索桥，主桥长度为680m。锚杆与锚杆之间、锚杆与锚梁之间的连接全部使用高强螺栓，实际施工过程中需要配备21 300 套高强螺栓。施工地点所在地区为热带季风性气候区，每年5 月至9 月为干旱季节，该时间段内的温度保持在9～26℃，10 月至次年4 月为多雨时节，温度保持在28～40℃。该区域内的平均温度为22.72℃，干旱季节空气湿度较低。

该项目所在地流域水位波动较大，日间与夜间的温差、湿度波动较大。本文使用专业监测仪器测量不同温度、湿度环境下扭矩系数的变化情况，然后分析测量数据，总结出变化规律，在此基础上制定施工质量提升措施。

2 扭矩系数的概念及理论分析

在拧紧扭矩T的作用下，连接构件与螺栓之间会形成一个轴向预紧作用力F，将螺纹直径定义为d，那么扭矩系数K的表达式为：

式（1）中：K为高强螺栓的扭矩系数，可以反映螺栓的扭矩与预紧力的关联性[1]。

由此建立以下表达式：

式（2）中：P为螺纹牙距（mm）；β为螺纹牙型半角（°）；μb为螺纹的摩擦系数；r2为螺纹的中径，mm；μn为螺母与支撑面间的摩擦系数；rn为螺母与支撑面之间的摩擦半径（mm）。

结合式（1）和式（2）分析，影响扭矩系数K的有两组变量：一组是摩擦系数变量[2]；另一组是螺纹的参数变量[3]。以螺栓连接结构而言，因连接件的摩擦系数存在波动性，无法精准估测摩擦系数值，所以即便理论层面建立了扭矩系数表达式，也无法利用该表达式计算出精准的扭矩系数，且拧紧螺栓连接件时，螺纹的技术参数变量仍然处于波动状态。现阶段，我国大部分的机械设计说明书所提供的扭矩系数推荐使用数值是设计人员提供的一个概数。结合摩擦系数与扭矩系数之间的关联性，本文选择了不同尺寸的螺栓展开深入分析，以构建能表征扭矩系数K与摩擦系数关联性的表达式。

3 扭矩系数影响因素的试验研究

结合前文阐述发现，影响螺纹、摩擦系数、螺纹几何参数的因素也会对螺栓的扭矩系数造成影响。部分学者对螺栓的扭矩系数影响因素进行长期研究后取得了一定的成果。有的学者针对连接件的拧紧速度、多次拧紧、螺栓表面涂层厚度对螺栓扭矩系数的影响进行研究，研究结果显示：涂层厚度增大能有效减小螺栓的摩擦系数，间接减小扭矩系数的数值。还有的学者在分析扭矩系数、摩擦系数的影响因素时，着重分析了润滑剂，所选择的润滑剂主要有润滑油、薄膜以及润滑脂三种。有的学者则探讨了润滑条件、支撑面材质、表面处理效果对扭矩系数的影响。也有学者将研究重心放在汽车连接件摩擦系数与扭矩系数之间的关联性方面。需要注意的是，上述试验均在室内环境下进行。

国内学者多研究的是15～45℃下螺栓扭矩系数的变化规律。若室内环境与室外环境差异非常大，环境温度、湿度的波动会导致螺栓的扭矩系数发生变化，其中不得忽视高强螺栓连接结构造成的影响。

3.1 环境温度和湿度对扭矩系数的影响

3.1.1 试验器材

可用的扭矩系数测量设备有：轴力测量仪、扭矩测量仪、轴力仪、电动扳手、温度测量计、湿度计、砂纸、高强螺栓等。

3.1.2 试验方案

在正式试验之前，提前两周持续测量并记录施工区域7：00—22：00 的温度、湿度，收集到的测量信息如表1所示。

表1 不同温湿度下测定扭矩系数的方案

3.1.3 扭矩系数测定

每次试验需准备8 套高强螺栓连接件，放到特定温湿度环境下30min。通过扭矩系数试验计算出扭矩系数平均值，然后接通扭矩检测仪器与轴力检测仪器的电源，之后按下归零按钮，保证仪表的指针处于“0”位。扭矩系数检测仪采用的是峰值保持模型，轴力检测仪则不必应用这种检测方式。将螺栓与适配器放置到传感器中，扭矩系数检测仪与垫圈之间放置砂纸，避免垫圈出现松动。用扭矩扳手控制仪按下控制按钮，设备会自动开始拧紧，扳手停止作业后，扭矩检测仪将检测结果显示在屏幕上，轴力检测仪显示的数值为轴力值。结合这两个数据可以计算出螺栓的扭矩系数。按照相关的标准和规范，扭矩系数应保持在0.11～0.15，合理偏差不能超过0.01。

3.1.4 试验结果及分析

不同温度、湿度环境下检测到的扭矩系数波动曲线如图1所示。

图1 温度对高强螺栓扭矩系数的影响

分析图1 可知，若环境湿度稳定，螺栓的扭矩系数K将随着环境温度升高而减小，当温度保持在20～35℃时，温度每提升10℃，K值将下降6.96%左右。

在环境温度稳定的情况下，当相对湿度在20%～60%时，扭矩系数随着相对湿度的变化波动不大；当相对湿度在60%～90%时，随着相对湿度的提升，扭矩系数缓慢减小；当相对湿度＞80%时，扭矩系数明显减小，减小幅度达4%～6%。由此可以总结出以下几点结论：

（1）在环境湿度稳定的情况下，螺栓的扭矩系数K值会随着环境温度的升高而减小；

（2）在环境温度稳定的情况下，螺栓的扭矩系数K值会随着环境湿度的升高而减小。

（3）若温度与湿度都升高，螺栓的扭矩系数K值将减小，当相对湿度小于60%时，K值受温度影响更大；当相对湿度超过80%后，K值则主要受湿度变化的影响。

3.2 力矩加载速度对扭矩系数的影响

利用计算机调控电动机的转动速度，间接实现对螺栓拧紧的力矩速度的控制。试验时，必须确保螺栓拧紧过程中其他影响因素处于稳定状态，且螺栓、垫片及螺母为同一批次生产。螺栓持续进行三次加载操作，一旦传感器显示数据，试验人员应立即记录。试验结果如表2所示。

表2 改变力矩加载速度的扭矩系数

由表2 可知，如果环境条件相同，扭矩系数受力矩加载速度改变的影响非常小。三次加载作用下，扭矩系数逐渐增大，其变化规律比较明显。因此，螺栓在首次拧紧时螺纹会出现塑性变形，严重时可能会出现表面磨损现象，这种现象直接造成第二次、第三次加载以后扭矩系数一直加大。

3.3 垫片厚度对扭矩系数的影响

螺栓与垫片之间的摩擦系数会对螺栓的扭矩系数造成影响，而仅垫片厚度本身不会影响螺栓的扭矩系数。但是螺栓在拧紧时垫片肯定会出现一定程度的变形，从而对螺栓的扭矩系数造成影响。在保证其他工况条件不变的情况下，改变垫片厚度，同时保证使用同一批次的螺栓、螺母、垫片，垫片对扭矩系数的影响如表3所示。

如其他条件保持稳定，不同厚度垫片对螺栓的扭矩系数的影响结果如表3所示。

表3 垫片对扭矩系数的影响

通过表3 可知，1.7mm 和0.7mm 厚度的垫片对螺栓的扭矩系数有明显的影响。进一步来看。对1.7mm的垫片持续加载三次，螺栓的扭矩系数虽然呈增大的趋势，但变化微小。对其中一个1.7mm 厚的垫片继续进行第四、第五次加载，扭矩系数分别为0.24、0.26。通过该试验结果可以判断，若对螺栓持续加载，螺栓的扭矩系数会继续增大。究其原因，主要是垫片的弹性变形使得塑性变形减小，进而导致螺栓的扭矩系数持续增大。

1.7mm 厚的垫片与0.7mm 厚的垫片对扭矩系数有明显影响。1.7mm 厚的垫片连续加载三次，扭矩系数也有增大的趋势，但变化十分微小。根据此现象对其中一个1.7mm 厚的垫片继续进行第四、第五次加载，扭矩系数分别为0.24、0.26。

结合1.7mm、0.7mm 厚度垫片的试验数据来看，1.7mm 厚度垫片的螺栓扭矩系数明显小于0.7mm 厚度的垫片。所以，如果条件允许，应优先考虑使用厚垫片。

3.4 垫片润滑油对扭矩系数的影响

连接螺栓时，在条件允许的情况下使用厚垫片能够提升轴向力，从而保护螺栓，但是垫片与连接件、垫片与螺栓头之间的摩擦作用力会对螺栓扭矩系数造成影响。鉴于此，在连接螺栓时应涂刷润滑油。垫片润滑油对扭矩系数影响的相关试验结果如表4 所示。

表4 垫片有无润滑对扭矩系数的影响

由表4 可知，对垫片涂刷润滑油，在施拧扭矩相同的情况下，螺栓的扭矩系数会增大，轴向力会减小。润滑油会对支撑面的摩擦系数造成影响，造成扭矩一致时螺栓扭矩系数变小。

3.5 手拧紧力矩与拧紧转角的关系

在连接螺栓的过程中，预紧力的变化较大且这种变化无规律可循，无法通过直观观察总结。在拧紧螺栓时，可以利用旋转编码器确定扭矩。经过多次试验后得出：当试验的技术参数发生变化后，螺栓的扭矩系数波动较小。

不同试验条件下连续加载三次，扭矩的转角变化均稳定且相同。其中，第一次加载的扭矩角度最大，第二次、第三次相对减小。这直接反映出螺栓连接过程中第一次拧紧操作时产生的轴向力最大。

通过对三种不同试验条件的比较分析得出：垫片润滑油的施拧扭矩为10N·m 时，转角为63°，此时的转角为三种试验条件下最小的，螺栓扭矩系数也最小；在正常试验条件下，首次转角与第二次、第三次转角之间的差异非常大，这直接反映出螺纹的塑性变形较大。在使用1.7mm 厚度垫片时，曲线几乎为一条直线，并且前两次加载转角之间相差20°，说明只有当螺纹塑性变形非常小时才会出现上述情况。

3.6 试验结果分析

结合前文的分析以及试验数据可知，螺栓在首次拧紧时产生的轴向力最大，之后每次拧紧轴向力都在减小。究其原因，主要是螺栓连接过程中螺纹会在摩擦作用力与压紧作用力的影响下出现塑性变形。

螺母与螺栓连接的全过程大致分为贴合、拧紧、终拧三阶段。贴合阶段，螺栓连接过程中螺纹会对连接质量造成一定影响，这也是螺栓首次拧紧时转角最大的主要原因。螺栓连续加载时其扭矩系数不断减小的主要原因是螺纹产生了塑性变形。

通过对不同施力速度进行试验后得出，施力速度对螺纹连接的影响较小。当加载的速度增大时，螺栓的瞬时惯性扭矩会增大，但是螺栓的实际扭矩会变小，而实际扭矩减小，则螺栓的轴向力也减小，所以并不会对螺栓的扭矩系数造成影响。

通过对不同厚度垫片的试验结果进行分析发现，厚垫片相较之薄垫片，首次加载的过程中厚垫片的扭矩系数小，但轴向力更大。进一步来看，在第二次与第三次加载时，不同厚度的垫片下螺栓的扭矩系数差异较大，其中薄垫片的扭矩系数明显增大，厚垫片的扭矩系数则波动较小。究其原因，主要是厚垫片的弹性模量更大，促使垫片的弹性变形量变大。

在拧紧螺栓时，螺纹间将出现塑性变形，进而导致螺栓连接时轴向力减小，但是弹性变形则导致轴向力增大，此外，垫片的弹性变形也会导致螺纹的轴向力变大。在连接螺栓时，螺纹与垫片受到的作用力是相同的。因此，厚垫片受到的轴向力超过薄垫片的轴向力，是因为厚垫片的弹性变形量比薄垫片大。

4 结语

综上所述，影响螺栓扭矩系的因素非常多，如螺纹的摩擦系数、支撑面的摩擦系数等。在研究螺栓的扭矩系数影响因素时，应将如何减小螺栓的扭矩系数值、提高螺栓的稳定性作为重点。结合现有文献来看，国内外学者对螺栓扭矩系数影响因素的研究主要集中在螺纹表面摩擦系数、润滑油、拧紧速度、螺纹的规格等方面，而很少有对环境温度、湿度方面的影响进行研究。本文对环境温度、湿度与螺栓扭矩系数之间的关联性进行研究，可以为螺栓拧紧作业提供科学的理论依据与实践经验，降低螺栓扭矩系数重复检查次数，保证螺栓连接作业的安全与稳定。