錢 苗，余虹云，朱志華，陳 玲，李文仙

（浙江華電器材檢測研究所，杭州 310015）

表面潤滑改性對熱鍍鋅緊固件軸力扭矩關(guān)系的影響研究

錢 苗，余虹云，朱志華，陳 玲，李文仙

（浙江華電器材檢測研究所，杭州 310015）

緊固件表面摩擦系數(shù)直接影響緊固件軸力扭矩關(guān)系，而其表面摩擦系數(shù)可以通過潤滑來改善。采用水蠟潤滑對熱鍍鋅緊固件軸力扭矩關(guān)系進行試驗研究，探討了不同濃度水蠟對緊固件軸力扭矩關(guān)系的影響，并與未經(jīng)任何潤滑處理緊固件的扭矩系數(shù)進行對比，可為輸電鐵塔緊固件預緊力的取值和提高防松可靠性提供參考。

熱鍍鋅緊固件；軸力；扭矩；潤滑

0 引言

扭矩系數(shù)，即螺栓連接副緊固狀態(tài)時扭矩與軸力的關(guān)系比值，是緊固的必要和關(guān)鍵參數(shù)。與其他金屬緊固件不同，熱鍍鋅緊固件表面采用熱浸鍍鋅工藝，該類緊固件的扭矩系數(shù)在0.19～0.83之間，均值為0.51，標準偏差0.11。其中，70%左右的扭矩系數(shù)集中在0.4～0.6之間，95%左右的扭矩系數(shù)集中在0.3～0.7之間[1]。根據(jù)現(xiàn)行標準，表面磷化的鋼結(jié)構(gòu)用緊固件的扭矩系數(shù)在0.110～0.150[2]。熱鍍鋅緊固件的扭矩系數(shù)遠大于表面磷化處理的緊固件的扭矩系數(shù)。而扭矩系數(shù)越大，同樣緊固扭矩下的緊固軸力值就越小，就容易發(fā)生松脫。

熱鍍鋅緊固件扭矩系數(shù)過高與其采用鍍鋅工藝造成表面摩擦系數(shù)過大有關(guān)。而對于螺紋緊固件，包括大量的防松緊固件，螺紋副表面的潤滑非常重要，它能顯著降低表面摩擦系數(shù)，改善連接副的工作性能。潤滑具有以下主要作用：第一，防止螺紋旋合時出現(xiàn)擦傷或卡死，保證得到理想的預緊力和可重復使用；第二，穩(wěn)定鎖緊力矩，能使第一次擰入最大力矩趨小，提高防松的可靠性；第三，使緊固系統(tǒng)具有良好的扭-拉關(guān)系[3]。

鑒于潤滑的重要作用，以下將嘗試在熱鍍鋅緊固件表面使用潤滑劑，探討熱鍍鋅緊固件表面潤滑改性的可行性，并研究表面潤滑改性后熱鍍鋅緊固件的軸力扭矩關(guān)系，為熱鍍鋅緊固件預緊力的取值和提高防松可靠性提供參考意義。

1 潤滑劑的選取

實際應(yīng)用中常用的潤滑劑有中性潤滑油及油膏、二硫化鉬、石墨和極性臘等，他們各有優(yōu)缺點。

1.1 中性潤滑油及油膏

中性潤滑油及油膏是最普通的螺紋濕膜潤滑劑，在潤滑和防腐方面都有良好的使用效果。但它的使用溫度不能超過120℃，否則油和油膏會熔化和蒸發(fā)，降低潤滑粘度，無法建立潤滑油膜，導致基體金屬直接摩擦，失去潤滑作用。它也不能用于真空環(huán)境。由于大部分潤滑油具有較高的粘度，會長期附著在零件表面，形成一定程度的污染。

1.2 二硫化鉬

二硫化鉬是最常用的一種干膜潤滑劑，以干的薄膜形態(tài)牢固地粘結(jié)在成品螺母上，安裝螺母時不必再添加額外的潤滑劑。二硫化鉬干膜潤滑劑是一種優(yōu)良的螺紋潤滑劑，可用于真空環(huán)境。但在溫度接近399℃時，二硫化鉬會轉(zhuǎn)化成具有研磨劑作用的三硫化鉬，對連接是有害的[4]。

1.3 石墨

干石墨粉加油、油膏（如凡士林）或水，使其潤濕后便可成為性能良好的螺紋潤滑劑，它的最大使用溫度受油或水的沸點所限。干石墨是研磨劑，在液體蒸發(fā)后，干石墨會對螺紋造成損害[5]。

1.4 水蠟

水蠟為高分子聚合物的水性分散液（主要成分為四氟乙烯），將水蠟與水按一定比例稀釋后，披覆在緊固件上，經(jīng)過烘干固化處理程序后，會在緊固件表面形成一層附著性強、干而不黏手的透明潤滑薄膜。水蠟的潤滑功能很好，能促進緊固件的攻牙速度，有效降低旋合螺紋的摩擦系數(shù)，顯著降低并穩(wěn)定全金屬鎖緊螺母的第一次擰入最大力矩以及提高多次裝拆后的擰出最小力矩，它對穩(wěn)定緊固系統(tǒng)的扭-拉關(guān)系也有良好的效果。與黑色的二硫化鉬不同，這類潤滑劑的干膜層是透明的，不影響緊固件強度區(qū)分標志以及因安全等使用要求所必需的螺母著色。

2 試驗條件的確定

以下采用日本進口艾美MAKE FT-606緊固件專用薄膜潤滑劑作為試驗緊固件潤滑劑。采用水蠟對緊固件試樣進行表面處理的主要步驟如下：

（1）采用超聲清洗的方法對緊固件進行清洗。

（2）將水蠟和純凈水按 1∶10 或 1∶5 的體積比例配比成溶液。

（3）將清洗后的緊固件試樣浸泡在配置好的水蠟溶液中1 h。

（4）取出緊固件試樣自然晾干后，置于烘箱中，60℃高溫干燥1 h備用。

圖1為熱鍍鋅緊固件試樣表面潤滑處理過程。處理完畢的試樣，緊固件表面比較光潔且干燥，沒有粘手的油脂留在上面。

圖1 緊固件試樣表面潤滑處理過程

分別在2種條件下進行潤滑表面改性緊固件扭矩系數(shù)測試，具體試驗條件如表1所示。

表1 潤滑表面改性緊固件扭矩系數(shù)測試條件

3 試驗系統(tǒng)的研制

試驗選用了自主研制的WNJ-1000型軸力-扭矩綜合智能試驗系統(tǒng)，試驗機工作原理參照標準GB 16823.3-1997《螺紋緊固件擰緊試驗方法》。

試驗系統(tǒng)的主機結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括電機、減速機、扭矩傳感器、負荷感器、反力框架及機柜，由電機驅(qū)動。

圖2 WNJ-3000型主機結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)緊固件軸力-扭矩聯(lián)合測試系統(tǒng)相比，WNJ-10000型軸力-扭矩綜合智能試驗系統(tǒng)（見圖3）不僅在裝配精度和控制器上做了改進，且結(jié)合大規(guī)格、高等級緊固件的特點，在夾具設(shè)計、軸力傳感器位置方面做了優(yōu)化。優(yōu)化后系統(tǒng)操作更加簡單方便，提高了試驗可靠性和工作效率。

圖3 WNJ-10000型軸力-扭矩綜合智能試驗系統(tǒng)

WNJ-10000型軸力-扭矩綜合智能系統(tǒng)的基本性能參數(shù)如表2所示。

表2 試驗系統(tǒng)的基本性能參數(shù)

4 試驗結(jié)果分析

4.1 異常值剔除

此次試驗最終得到2種潤滑改性后熱鍍鋅緊固件扭矩系數(shù)值，共計160組，考慮其中可能存在因儀器設(shè)備和人為操作引入的不可靠性，因此在對數(shù)據(jù)進行對比分析前，首先需對測試數(shù)據(jù)進行有效篩選，排除粗大誤差的引入，判定和剔除異常數(shù)據(jù)，保證測試數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

對異常測試數(shù)據(jù)的判定主要采用了格拉布斯準則檢驗，其判別思路為：若某個測量值殘差vi與標準差s的比值Gi大于格拉布斯表給出的臨界值G（a，n），則判斷此值有粗大誤差，應(yīng)予以剔除。

對于服從正態(tài)分布的試驗數(shù)據(jù) x1，x2，x3，…，xn-1，xn是否存在異常值，處理步驟如下：

（2）計算各個觀測值的殘差vi=xi-x。

（4）絕對值最大的殘差Vimax，其對應(yīng)的觀測值即為可疑值。

（6）該可疑值作為異常值被剔除后，剩下的（n-1）個數(shù)據(jù)需要重新按照（1）—（5）的步驟進行異常值剔除，直至數(shù)據(jù)中沒有異常值為止。

4.2 試驗數(shù)據(jù)分析

表3為2種潤滑條件下緊固件扭矩系數(shù)試驗數(shù)據(jù)，首先對試驗結(jié)果進行異常值剔除。根據(jù)格拉布斯準則，發(fā)現(xiàn)表3中數(shù)據(jù)0.274和0.332均為異常值，將其剔除；再對剩余數(shù)據(jù)進行異常值分析，發(fā)現(xiàn)水臘體積∶水體積=1∶10的數(shù)組中0.329同樣為異常值，再加以剔除，之后未發(fā)現(xiàn)無異常值。

圖4是經(jīng)過2種不同潤滑改性熱鍍鋅緊固件的扭矩系數(shù)分布圖和未經(jīng)任何表面處理的緊固件扭矩系數(shù)均值圖，結(jié)合計算結(jié)果可知：

（1）表面潤滑改性緊固件的扭矩系數(shù)明顯低于未經(jīng)任何表面處理緊固件的扭矩系數(shù)。

（2）水蠟體積與水體積按1∶5方式進行潤滑改性的緊固件扭矩系數(shù)略低于1∶10方式潤滑改性的緊固件扭矩系數(shù)。

表3 潤滑后緊固件扭矩系數(shù)測試數(shù)據(jù)

圖4 表面潤滑改性和未經(jīng)潤滑處理熱鍍鋅緊固件的扭矩系數(shù)對比

5 結(jié)論

通過對熱鍍鋅緊固件的表面潤滑改性，研究了不同濃度潤滑條件對緊固件軸力扭矩關(guān)系的影響，并與未經(jīng)任何潤滑處理緊固件的扭矩系數(shù)進行對比，得到如下結(jié)論：

（1）熱鍍鋅緊固件可以采用石蠟兌水方式進行表面潤滑改性，不影響其外觀及使用。

（2）經(jīng)表面潤滑改性后的熱鍍鋅緊固件的扭矩系數(shù)明顯降低，約為未經(jīng)潤滑處理熱鍍鋅緊固件的1/3。

（3）石蠟兌水濃度越高，其降低熱鍍鋅緊固件扭矩系數(shù)、改善軸力扭矩關(guān)系效果越明顯。

因此，建議在條件允許情況下，在熱鍍鋅緊固件螺紋上添加潤滑劑。

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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

國家電網(wǎng)公司科技項目（521104150001）

2017-07-14

錢 苗（1983），女，工程師，從事輸電鐵塔緊固件特性研究工作。

（本文編輯：方明霞）