不同非金属材料紧固力矩值研究

刘　亮，黄莹瑛，陆凯雷

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025)

不同非金属材料紧固力矩值研究

刘亮，黄莹瑛，陆凯雷

(常州博瑞电力自动化设备有限公司，江苏 常州 213025)

摘要：针对被紧固材料为非金属材料时，螺钉紧固力矩问题进行了详细的分析与试验研究。测试了多种电气设备中常用的非金属材料受到压力时的疲劳曲线，并根据螺钉紧固力矩与预紧力的关系计算得到非金属材料的最大紧固力矩值，按照一定的安全系数计算非金属材料的安全紧固力矩值，这些紧固力矩值可以作为工程应用中的重要参考依据。

关键词：非金属材料；压力疲劳曲线；疲劳破坏；紧固力矩值；安全系数

紧固件是各类产品中广泛使用的零件，其安装质量的好坏直接影响产品的质量；因此需要合理、正确的安装方法和安装质量控制手段进行控制[1]。紧固件安装分为三个阶段：第一阶段“经验法”，即凭人的感觉来估计紧固件的松紧程度，判断安装质量，此种安装方法受多种因素影响较大，安装结果难以控制；第二阶段区分紧固件的大小和材质对紧固力的大小进行要求，制定相应的工艺规范和力矩指标并在产品上严格执行，例如波音公司的紧固件安装工艺规范BAC5009[2]；第三阶段既考虑紧固件的紧固力大小同时考虑被连接材料所能承受力的大小，例如GB 50149-2010 电气装置安装工程母线装置施工及验收规范和西开针对不同材料制定的不同紧固力矩值[3]。

本文针对电气设备常用的几种非金属材料进行了压缩破坏试验，得到不同材料的疲劳曲线并计算得到其能所能承受的最大安全紧固力矩值，为生产中遇到的问题提供理论和试验依据。

1非金属材料压缩试验

电气设备应用的场合一般电场强度高，需长时间运行，检修困难。非金属材料有着自身本质的优越性，抗腐蚀能力强，使用寿命有保障；非金属材料相对金属材料普遍密度小，部分材料有独特的自润滑性能，在电气方面不会影响电场的分布。非金属材料的工艺众多，通过改变配方，加工工艺，制成具有各种特殊性能的工程材料[4]。

1.1　试验材料选择

为防止试验结果与实际使用情况不符，试验用材料与生产用材料相同(试验中出现过外购试验材料与实际使用材料试验结果不同的情况)。

1.2　压缩试验及数据分析

根据GB/T1041-1992制备试样尺寸为高度30 mm，直径12 mm的圆柱体；每种材料试样进行10组压缩破坏试验[5-9]。

(a)环氧材料3240压力试验破坏图像(b)环氧材料EPGC202压力试验破坏图像(c)环氧材料UPGM203压力试验破坏图像(d)聚甲醛POM压力试验破坏图像(e)聚氯乙烯PVC压力试验破坏图像(f)尼龙PA66压力试验破坏图像

(g)聚四氟乙烯PTFE压力试验破坏图像图1　非金属材料压力试验破坏图像

由图1中(a)-(f)压力试验破坏图像，计算10组试样的平均压力值得到相应的屈服极限值如表1所示[10]。

表1　试验材料压力屈服极限平均值

2材料性能及紧固力矩值计算

要准确计算预紧力，必须根据螺钉的表面处理状态、润滑条件和支撑面材料选择相应的拧紧力矩系数，如表2所示[11-13]。

表2　拧紧力矩系数K

按照一般的非金属材料使用情况取一般加工表面无润滑状态K=0.2。

螺钉紧固力矩值与预紧力关系：

T=kFd=0.2Fd，

(1)

式中：T为螺钉的紧固力矩值；F为螺钉的预紧力；d为螺钉直径；k为不同接触面间的拧紧力矩系数，与摩擦系数有关。

试样为直径12mm，高30mm的圆柱体，根据材料的屈服极限压力值计算试样所受的压强。

屈服极限下材料试样受到的压强：

(2)

式中：P1为试样受到的压强；F1为试样的屈服极限压力值；S1为试样的截面面积。

被紧固非金属材料在实际使用中受到的压强为螺钉的预紧力与平垫片截面面积的比值，平垫圈截面积计算参照GB/T97.1-2002平垫圈国标[14]。平垫圈截面尺寸参照表3，A级和C级平垫圈在内径外径上的差别很小对最终计算结果影响可以忽略。

表3　平垫圈截面尺寸

垫圈截面面积：

(3)

平垫圈下非金属材料受到的压强

(4)

式中：S为垫圈截面面积；d1为公称内径；d2为公称外径；P2为非金属材料受到的压强；F2为平垫圈受到的螺钉预紧压力。

根据式(1)~式(4)中P2=P1、P2=F及表1中材料压力屈服极限平均值，计算得到下表4非金属材料所能承受的最大紧固力矩值。

表4　非金属材料最大紧固力矩值(N·m)

表4中的最大紧固力矩值以安全系数为1.2考虑后并取整得到表5中的安全紧固力矩值。参照表5中加粗材料及其数据(3240、EPGC202、UPGM203)已经超过相应公称直径螺钉所能承受的最大紧固力矩值，这三种材料可按照相应公称直径螺钉规定的力矩值进行紧固，其他四种材料(POM、PVC、PTFE、PA66)作为被紧固材料时需要对螺钉的紧固力矩进行要求避免被紧固非金属材料的损坏。

表5　非金属材料安全紧固力矩值(N·m)

3安全力矩值的验证

为确定以上计算得到的安全力矩值在实际应用中是否会对材料造成损坏，对非金属结构件进行了安全力矩值的验证试验[15]。

由表5可发现环氧类材料计算的安全力矩值都比较高，首先验证EPGC202，UPGM203、3240三种材料。

如图2所示使用此三种材料作为结构件时按照相应直径紧固件紧固力矩值进行紧固，三种材料的结构件表面都没有出现由于力矩过大造成的材料压缩疲劳破坏。

图2　EPGC202、UPGM203、3240三种环氧材料力矩值验证

使用表5所示的其他材料作为结构件时应根据对应的材料选择相应力矩值，如图3中四种材料的结构件表面都没有出现由于力矩过大造成的材料疲劳破坏。从以7种非金属材料的安全力矩值验证试验来看计算得到安全力矩值的安全系数较高，不会出现材料的压缩疲劳破坏情况[16]。

图3　POM、PVC、PA66、PTFE四种非金属材料力矩值验证

以上验证试验都没有出现当力矩值过大时材料出现压缩疲劳破坏的情况，为验证力矩值过大时是否会造成材料的破坏进行了如图4所示的验证试验。

图4　PTFE(聚四氟乙烯)紧固力矩过大与安全力矩比较

从图4中可以发现，左侧图中由于紧固力矩值超过了计算的安全紧固力矩值，聚四氟乙烯结构件表面出现了压缩性的破坏；右侧图按照计算的安全力矩值进行验证则没有出现破坏。由图4可以观察到紧固力矩过大时对材料本身造成的影响，因此在生产中应注意相应材料的紧固力矩值的大小。

4结论

通过试验测试非金属材料的抗压缩性能、理论计算非金属材料的最大紧固力矩值和安全紧固力矩值、试验验证安全紧固力矩值的方式完成了7种非金属材料的安全紧固力矩值试验。图4的试验对比发现紧固力矩值超过安全紧固力矩值时对材料造成的破坏情况，因此在生产中需要规定非金属材料的安全紧固力矩值。

本文主要提供一种计算和验证非金属材料安全紧固力矩值的方法，同时提供部分非金属材料的安全紧固力矩值，对实际生产具有一定的指导和借鉴意义。

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Study of Different Non-metallic Materials Fastening Torque Value

LIU Liang，HUANG Ying-ying，LU Kai-lei

(NR Electric Power Electronics Co.，Ltd.，Changzhou Jiansu 213025)

Abstract：Analysis and research of screws fastening torque value，when fastened material is non-metallic，is focused on.Draw pressed fatigue curves of some non-metallic frequently used in electrical equipment，then max fastening torque value is calculated bases on relationship of screw fastening torque value and preload，，safety fastening torque value is calculated with a safety factor，the fastening torque value can be referenced in engineering applications.

Key words：Non-metallic materials；Pressure fatigue curves；Fatigue damage；Fastening torque value；Safety factor

中图分类号：TM206

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2015)06-0091-05

作者简介：刘亮(1987-)，男，黑龙江省哈尔滨市人，常州博瑞电力自动化设备有限公司设计工程师，硕士，主要研究方向：电力一次设备工艺性研究.

收稿日期：2015-09-12