【科普】螺栓连接装配方法分类
常见的螺栓连接的装配方法主要有拧紧法、拉伸法、加热法。
拧紧法通过旋转固定螺栓头或螺母其中一端，对另一端施加扭矩来完成装配；
拉伸法则使用液压拉伸装置，直接对螺栓施加轴向拉伸载荷，使被施加力的螺栓在其弹性变形区内被拉长，而后将螺母旋入。
加热法螺栓安装是一种利用热胀冷缩原理的螺栓紧固方法。通过将螺栓加热至一定温度，使其膨胀伸长，然后拧紧螺母，待螺栓冷却后收缩，从而在螺栓与被连接件之间产生所需的预紧力。
螺栓安装分散性指的是在螺栓连接过程中，由于多种因素的影响，导致各个螺栓实际达到的预紧力与目标预紧力之间存在差异的现象。
这种分散性可能由以下几个因素造成：
摩擦系数的影响：在拧紧螺栓时，摩擦系数的变化会影响夹紧力。摩擦系数的不一致会导致即使使用相同的拧紧策略，不同的螺栓也可能产生不同的夹紧力。
材料和几何参数的变异性：螺栓和被连接件的材料属性、几何尺寸和表面状况的变异性也会导致预紧力的分散。
拧紧方法：不同的拧紧方法（如扭矩法、角度法、屈服点控制法）对夹紧力的一致性有不同的影响。例如，角度法拧紧由于不受摩擦力影响，在角度拧紧部分不会产生因摩擦而产生的预紧力分散。
螺栓强度等级的变化：螺栓强度等级的变化也会影响夹紧力的一致性。
安装过程中的偏差：在实际安装过程中，操作者的技术和工具的精度也会影响螺栓的预紧力，从而产生分散性。
螺栓预紧力的正态分布：统计数据表明，螺栓预紧力基本呈正态分布，这意味着存在一定程度的自然分散性。
01
螺栓安装方法对比
安装方法 | 控制方法 | 核心内容 | 分散性 |
拧紧法 | 扭矩法 | 计算特定预紧力所需的安装扭矩 | 高 |
扭矩-转角法 | 指定扭转角度，同时监控扭矩 | 中 | |
屈服点控制法 | 通过检测扭矩-转角曲线斜率变化 | 较低 | |
拉伸法 | 轴向力控制 | 通过液压拉伸装置直接拉伸螺栓 | 低 |
加热法 | 温度控制 | 通过加热装置将螺栓加热到指定温度 | 中 |
拧紧法可大致分为弹性区拧紧法、塑性区拧紧法和其他拧紧方法,其中弹性区拧紧主要是扭矩法;塑性区拧紧法包括扭矩-转角法(也可适用于弹性区)、扭矩斜率法(屈服点控制法)。
02
扭矩法
扭矩法是一种最为常用，装配时只能应用在弹性区，利用扭矩与预紧力的线性关系进行拧紧的方法。
目前，扭矩法是通过控制螺栓扭矩来间接控制被连接件的预紧力值，通常采用电动扳手、弹簧式力矩扳手、气动液压扭矩扳手进行拧紧，拧紧时的外力矩等于螺栓扭矩值，当其达到规定扭矩时停止拧紧。
图 1 电动扳手 图 2 弹簧式力矩扳手
图 3 气动扳手
图 4 驱动轴式液压扳手典型结构
扭矩法操作简单，但影响螺栓摩擦系数的因素很多，在定扭矩的条件下，预紧力会受扭矩系数的影响，即受摩擦系数的影响，若摩擦系数不同，所获得的预紧力也有差异。
因此，应对该拧紧方法进行全面而深人的研究，充分了解扭矩系数的变化规律，否则难以实现对预紧力的精准控制。
03
扭矩-转角法
扭矩-转角法是在拧紧时，将螺栓拧到贴合扭矩后，再转动螺纹紧固件达到相应的角度，达到精确控制预紧力的目的，该方法可适用于弹性区域和塑形区域，拧紧过程如图5所示。
虽然扭矩-转角法得到的预紧力也会受到摩擦系数影响，但其处在弹性变形区域时，若弹性模量恒定，预紧力可以通过拧紧转角来控制，从而降低摩擦系数对预紧力的影响。
在螺栓发生塑性变形后，螺栓预紧力虽不与伸长量成正相关,但只要将螺栓的形变维持在屈服点上下的区域内,预紧力就会保持相对稳定。因此,该方法可以降低预紧力的分散度,提高对预紧力的控制精度。
图 5 扭矩-转角法拧紧示意图
04
屈服点控制法
屈服点控制法是在拧紧过程中，由拧紧设备进行监控，一旦监测到螺栓强度达到屈服，即达到目标扭矩遂停止拧紧，从而获得相应预紧力的一种拧紧方法，示意图如图6(a)所示。
拧紧设备的原理是螺栓在伸长过程中，预紧力相对于螺栓旋转角度的上升斜率有所不同，如图6(b)所示a段与b段斜率不同，而螺栓屈服时，扭矩斜率的变化十分迅速，屈服点的监控是通过对转角与力的变化进行计算与识别，从而达到控制预紧力的目的。
图 6 屈服点控制法
屈服点控制法的优点是不受螺栓摩擦系数和起始扭矩的影响，从而克服了扭矩法和扭矩-转角法两种方法的缺点，拧紧精度有所提高。
采用屈服点控制法时预紧力的大小主要取决于螺栓本身的屈服强度，对于螺栓自身的屈服强度与抗拉强度有较高要求，即对螺栓的材料和热处理要求较高，一般应用于要求特别高的装配部位。
05
拉伸法
拉伸法螺栓安装是一种通过外力使螺栓在其弹性变形区内被拉长，从而使螺母易于安装的方法。
这种方法利用液压拉伸器产生的伸张力，使螺栓直径轻微变形，进而实现精确控制螺栓预紧力的目的。
图 7 液压拉伸器典型结构及组成
图 8 液压拉伸器使用过程
优点
精确控制预紧力：拉伸法可以非常精确地控制螺栓的预紧力，提供稳定的紧固力矩。
无扭转应力和摩擦损伤：使用纯拉力直接拉长螺栓，无扭剪力和侧向力，对连接面无摩擦损伤。
同步预紧多个螺栓：可以同时预紧多个螺栓，保证受力的均匀性，尤其适用于高压密封的法兰连接。
提高连接可靠性：有效地增加联接的可靠性及螺栓的抗疲劳强度，提高装配精度及安全系数。
减轻劳动强度：操作简便，减轻劳动强度，缩短生产维修周期。
缺点
设备成本高：需要专业的设备，如液压拉伸器，成本较高。
操作技术要求高：对操作人员的技术水平有一定要求，需要专业的操作培训。
空间限制：需要足够的伸长量和操作空间，轴向空间狭窄的使用场合受到很大限制。
回弹现象：拉伸器撤去压力后，连接螺栓会因突然施加的载荷而变形，使连接螺栓剩余预紧力要小于施加目标的预紧力。
现状
拉伸法螺栓安装因其高精度和可靠性，在工业安装领域得到了广泛的应用。
尤其是在电力、石油、化工、钢铁、矿山、水泥、交通、机械等行业中，液压拉伸器因其操作简便、体积小、重量轻等优点，广受操作者的欢迎。
同时，随着技术的发展，为特定的设备开发专用的螺栓拉伸器成为一种趋势，如在风电、船舶工业等领域的应用。
然而，也存在一些局限性，例如不适用于小尺寸法兰节点，紧固作用力直接作用于螺栓，不适合屈服强度低的不锈钢螺栓等，因此能否采用液压拉伸法紧固螺栓应该视具体情况分析。
06
加热法
加热法螺栓安装是一种利用热胀冷缩原理的螺栓紧固方法。通过将螺栓加热至一定温度，使其膨胀伸长，然后拧紧螺母，待螺栓冷却后收缩，从而在螺栓与被连接件之间产生所需的预紧力。这种方法特别适用于大直径螺栓的紧固。
图 9 典型火焰加热装置
图 10 电加热器和测量杆安装示意
优点
提高装配效率：加热螺栓可以使螺栓更容易旋入或旋出，从而提高装配和维修效率。
减少损伤：加热螺栓可以减少因过度用力而导致的螺栓或螺纹损伤。
适用性广：适用于高温和高应力环境，尤其适合在高温设备中使用，因为这些设备在常温下安装的螺栓在高温操作时会伸长。
操作简便：使用方便，安装方便，无污染，价格便宜。
安全性：相比电阻加热或明火加热，感应膨胀螺栓采用精准的局部加热，更快速、更安全。
缺点
需要专业设备和操作人员：加热法需要专业的加热设备和有经验的操作人员，使用成本较高。
温度控制要求高：控制温度要较精确，过高有些金属会出规蓝脆，过低会影响充盈。
可能导致工期延误和资源浪费：螺栓的反复加热可能造成工期的延误及人力物力的损失。
现状
加热法螺栓安装在工业应用中非常广泛，尤其是在大型设备安装、水轮机安装施工中高强度螺栓联接的应用等场合。
随着技术的发展，加热法螺栓安装也在不断优化，例如，通过使用自动上料装置提高施工效率，以及研究热紧固螺栓预设拉伸值与实际拉伸值的关系，以提高紧固的准确性和效率。
此外，感应加热技术的应用也在提高加热法螺栓安装的安全性和效率。
尽管存在一些缺点，但由于其独特的优势，加热法螺栓安装仍然是工业中重要的螺栓紧固方法之一。
参考文献
[1]刘宁, 安鲁陵, 王庆有, 赵聪. 拧紧策略及其对螺栓预紧力影响研究[J]. 装备制造技术, 2022(10): 26-33.
[2]石伟涛, 卞庆广, 滕传勇. 螺栓拧紧失效原因与控制方法[J]. 装备制造技术, 2018(12): 218-220.
[3]Grzejda R, Parus A. Experimental Studies of the Process of Tightening an Asymmetrie Multi-Bolted Connection [J]. IEEE Access, 2021, 9: 47372-47379.
[4]李柏乐,张志存,陈荣. 螺纹拧紧技术研究与应用[J]. 装备制造技术, 2020(10): 167-169.
[5]孙宝章, 戴文斌, 左运发. 螺栓拧紧方法分析与应用[J]. 沈阳建筑工程学院学报(自然科学版), 2002(4): 319-320.
[6]Zaki A M , NASSAR S A, YANG X. Effect of Thread and Bearing Friction Coeficients on the Self -Loosening of Preloaded Countersunk-Head Bolts Under Periodic Transverse Excitation[J]. Journal of Tribology, 2010, 132: 1-5.
[7]于成杰. 扭矩法与扭矩转角法比较与分析[J]. 山东工业技术, 2014(14): 156.
[8]于虹, 李永波. 汽车制造业螺栓拧紧工艺及控制方法[J]. 现代制造技术与装备, 2020(5): 130-131.
[9]Q/GDW 46 10002-2018, 水轮发电机组重要螺栓典型安装规范[S].
