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螺栓连接：强度、滑移系数、扭矩系数检测

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发布时间：2025-07-29 06:29:20 更新时间：2025-07-28 06:29:20

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作者：中科光析科学技术研究所检测中心

螺栓连接：强度、滑移系数、扭矩系数检测

螺栓连接作为机械结构和工程领域最广泛应用的连接方式之一，其性能的可靠性直接关系到整个结构的安全性和使用寿命。螺栓连接的失效可能导致灾难性后果，因此对螺栓连接的关键性能参数进行严格检测至关重要。这些核心性能参数主要包括：连接强度（反映螺栓抵抗拉断或剪断的能力）、抗滑移系数（衡量连接接头在承受剪切力时抵抗滑动的能力）以及扭矩系数（连接预紧力与施加扭矩之间的比例关系，直接影响预紧力的控制精度）。对这些参数的精确检测与评估，是确保螺栓连接满足设计要求、保障工程结构安全稳定运行的基础。

检测项目

螺栓连接的检测主要围绕以下核心项目展开：

1. 强度检测：
- 拉伸强度： 检测螺栓材料或螺栓连接在轴向拉力作用下的最大承载能力，直至断裂。
- 剪切强度： 检测螺栓连接在垂直于螺栓轴线方向剪切力作用下的最大承载能力。
- 保证载荷： 验证螺栓在持续承受规定载荷下不发生塑性变形的能力。
- 头部坚固性： 评估螺栓头部在承受特定载荷时抵抗变形或断裂的能力。

2. 抗滑移系数检测：
- 这是针对高强度螺栓摩擦型连接的关键检测项目。通过试验测定连接接头在承受剪切力时，接触面之间从完全静止状态到发生相对滑移瞬间的最小摩擦阻力与螺栓预紧力之和的比值（即抗滑移系数）。该系数直接影响连接的抗剪承载力和结构刚度。

3. 扭矩系数检测：
- 扭矩系数（K）定义为施加在螺母或螺栓头上的扭矩（T）与由此产生的螺栓轴向预紧力（F）之间的比例常数，即 T = K * F * d（d为螺栓公称直径）。检测该系数对于精确控制螺栓预紧力至关重要，确保连接达到设计的夹紧力，避免过拧（导致螺栓断裂或连接件压溃）或欠拧（导致连接松动失效）。

检测仪器

完成这些检测项目需要专业、精密的仪器设备：

1. 万能材料试验机： 这是进行螺栓拉伸强度、剪切强度、保证载荷及头部坚固性等强度测试的核心设备。其应配备精确的力值传感器和位移传感器，并配有适合夹持螺栓和连接试样的专用夹具（如拉伸夹具、剪切夹具）。试验机需满足相关标准对精度、加载速率和控制方式的要求。

2. 抗滑移系数试验装置： 通常由以下几个部分组成：
- 专用加载框架： 用于固定试件并施加剪切力。
- 高精度测力传感器： 测量施加的剪切载荷。
- 位移测量装置（如电子引伸计或位移传感器）： 精确测量连接板之间的相对滑移量。
- 液压或伺服电动加载系统： 控制加载速率，实现准静态或规定速率的加载。

3. 扭矩-轴力测试系统： 这是专门用于测量扭矩系数（K）的仪器。其核心组件包括：
- 高精度扭矩传感器： 直接测量施加在螺母或螺栓头上的扭矩（T）。
- 高精度轴向力传感器： 直接或间接测量螺栓产生的轴向预紧力（F）。
- 数据采集与分析系统： 实时同步记录扭矩（T）和轴力（F）数据，并自动计算扭矩系数（K = T / (F * d)）。系统通常集成了拧紧驱动装置（电动或气动扳手）和相关夹具。

4. 辅助设备： 包括硬度计（检测材料硬度）、表面粗糙度仪（评估接触面状态）、金相显微镜（分析材料组织）、测温仪（监控试验温度）等。

检测方法

不同项目的检测需遵循标准化的方法：

1. 强度检测方法：
- 拉伸试验： 将螺栓试样安装在万能试验机的拉伸夹具中，按标准规定的速率（如10 mm/min）施加轴向拉力，记录力-位移曲线，测定抗拉强度、屈服强度、断后伸长率等。
- 剪切试验： 将螺栓穿过连接板的孔中，在万能试验机上通过专用剪切夹具施加垂直于螺栓轴线的力，直至螺栓被剪断，记录最大剪切载荷。
- 保证载荷试验： 对螺栓施加规定保证载荷并保持一定时间（通常15秒），卸载后检查螺栓是否发生永久变形（通常测量长度变化）。
- 头部坚固性试验： 将螺栓头支撑在特定模具上，对螺杆施加规定的载荷，检查头部是否开裂或变形。

2. 抗滑移系数检测方法：
- 按照标准要求加工摩擦面（如喷砂处理）并组装试件（通常为双摩擦面双栓或三栓试件）。
- 使用经标定的扭矩扳手或直接轴力法（如液压张拉器）将高强度螺栓拧紧至设计预拉力（需考虑超张拉补偿）。
- 将组装好的试件安装在抗滑移试验装置中，调整对中。
- 按标准规定的加载速率（如3-5 kN/s）施加剪切力，同时连续记录载荷（P）和滑移量（Δ）。
- 当试验曲线出现明显转折点（表明滑移发生）时，记录此时对应的滑移载荷（P_滑）。
- 计算抗滑移系数：μ = P_滑 / (n_f * m * ΣP) （其中n_f为摩擦面数，m为螺栓数量，ΣP为所有螺栓预拉力之和）。通常取多组试件结果的平均值或最小值。

3. 扭矩系数检测方法：
- 将待测螺栓（通常包括配套的螺母和垫圈）安装在扭矩-轴力测试系统的夹具上。
- 设置拧紧速度（通常推荐为低速，如5-15 rpm）。
- 启动拧紧过程，系统自动同步、实时采集施加的扭矩（T）值和产生的轴向预紧力（F）值。
- 通常需测试多组数据（如5个螺栓为一组），记录从拧紧开始到达到目标预紧力（或一定扭矩值）过程中的T和F值。
- 计算每个螺栓在特定预紧力（通常取0.7倍屈服强度对应的预紧力或设计预紧力）下的扭矩系数：K = T / (F * d)。
- 计算该组螺栓扭矩系数的平均值（K_m）和标准偏差（S_k）。K_m是工程应用的关键参数，S_k反映扭矩控制精度的离散性。