工業(yè)中最常用的螺栓連接為預(yù)緊型螺栓連接，預(yù)緊的目的在于將被連接構(gòu)件緊緊地連接在一起，與螺栓一道共同承擔(dān)外部工作載荷。與松螺栓連接相比，預(yù)緊螺栓連接中的螺栓本身承受很小的軸向工作載荷，通常不超過(guò)總載荷的10%，因此可以抵御更大的軸向載荷。同時(shí)被連接件之間的夾緊力使得接觸面之間產(chǎn)生摩擦力，起到平衡外部橫向剪力作用，使得螺栓本身不承受或承受很小的橫向工作載荷，所以工業(yè)中的絕大多數(shù)螺栓采用預(yù)緊型螺栓連接。實(shí)施螺栓預(yù)緊的方法有很多，比如擰緊扭矩法、扭轉(zhuǎn)角度法、螺栓屈服法以及直接拉伸法等等，目前最常用的擰緊方法是擰緊扭矩法。扭矩法是通過(guò)扭矩扳手對(duì)螺桿施加扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)螺栓的擰緊，本文的討論主要聚焦于扭矩法。從陰陽(yáng)角度來(lái)講，扭矩屬陽(yáng)，是無(wú)形的能量和功能，其功能在于把螺栓和被連接件團(tuán)結(jié)成一個(gè)整體，形成以螺栓為核心的共同體，抱團(tuán)取暖、共擔(dān)風(fēng)雨。被連接件如同營(yíng)衛(wèi)抵御來(lái)自外部的侵?jǐn)_，螺栓如同氣血蓄藏著擰緊產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)變能。陽(yáng)精若壯千年壽，扭矩長(zhǎng)存必?zé)o憂；人之長(zhǎng)壽在于陽(yáng)精壯，栓之可靠在于扭矩足。人通過(guò)定期體檢來(lái)了解自身的健康狀態(tài)，螺栓連接也需要相應(yīng)的校驗(yàn)來(lái)判斷螺栓連接狀態(tài)是否可靠。通過(guò)對(duì)螺栓預(yù)緊力的測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓連接質(zhì)量的校驗(yàn)，但螺栓預(yù)緊力的測(cè)量相對(duì)困難，通常通過(guò)對(duì)扭矩的測(cè)量來(lái)間接反映。扭矩和預(yù)緊力互為表里，效果相當(dāng)，本文以螺栓的扭矩校驗(yàn)為主要內(nèi)容。

螺栓的扭矩有多種表現(xiàn)形式，本文按所處的時(shí)間階段將螺栓扭矩劃分為三大類，分別為設(shè)計(jì)扭矩、裝配扭矩和服役扭矩，下面將逐一進(jìn)行探討。    

01 設(shè)計(jì)扭矩及其校驗(yàn)

設(shè)計(jì)扭矩為設(shè)計(jì)過(guò)程中確定的螺栓扭矩，通常包括額定扭矩M_A0、最大扭矩M_Amax以及最小扭矩M_Amin。額定扭矩體現(xiàn)了接頭的螺栓選型，考慮了接頭結(jié)構(gòu)、預(yù)緊力衰減、外部載荷以及工藝能力等眾多因素。由于擰緊工具的精度及摩擦系數(shù)的離散性等因素導(dǎo)致扭矩具有離散性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮扭矩的最大值和最小值，最值用于評(píng)估極端條件下的螺栓連接安全性，即在由此引起的最大螺栓預(yù)緊力和最小螺栓預(yù)緊力范圍內(nèi)，螺栓的各評(píng)估指標(biāo)均能滿足設(shè)計(jì)要求。額定扭矩為設(shè)計(jì)部門的輸出值，傳遞至工藝/裝配部門則作為目標(biāo)值。嚴(yán)格的螺栓設(shè)計(jì)扭矩應(yīng)包含螺栓額定扭矩以及扭矩公差。比如某螺栓接頭的扭矩要求為100Nm ± 15Nm，其中100Nm為額定扭矩，即擰緊過(guò)程中設(shè)置的目標(biāo)值，即M_A0=100Nm；±15Nm為扭矩公差，有ΔM_A=15Nm，扭矩公差與擰緊工具的精度有關(guān)；100Nm - 15Nm = 85Nm為可接受的最小扭矩，即M_Amin=85Nm；100Nm + 15Nm =115Nm為可接受的最大扭矩，即M_Amax=115Nm。

值得說(shuō)明的是，直接通過(guò)VDI2230標(biāo)準(zhǔn)查表或按照其方法計(jì)算得到的扭矩為最大扭矩而不是額定扭矩，額定扭矩為最大扭矩與扭矩公差的差值，可通過(guò)下式計(jì)算：

扭矩公差的設(shè)定應(yīng)充分考慮擰緊的工藝水平，主要與擰緊工具的精度有關(guān)，同時(shí)需要兼顧設(shè)備能力指標(biāo)以及過(guò)程能力指標(biāo)。大眾、通用和福特等知名汽車公司一般扭矩公差取15%；DIN 25201-2在附錄中提供了扭矩公差為±7%情況下螺栓擰緊的額定扭矩。

設(shè)計(jì)扭矩的校驗(yàn)通常采用理論校核方法，即將擰緊扭矩轉(zhuǎn)化為螺栓預(yù)緊力，對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行校核。螺栓預(yù)緊力與扭矩的關(guān)系如圖1所示。

圖1-1 螺栓預(yù)緊力與螺栓扭矩的關(guān)系曲線

螺栓的最大預(yù)緊力可表示為：

螺栓的最小預(yù)緊力可表示為：

式中，F_Mmax和F_Mmin分別為螺栓最大預(yù)緊力和最小預(yù)緊力，M_Amax和M_Amin分別為螺栓最大扭矩和最小扭矩，P為螺紋螺距，d₂為螺紋中徑，D_Km為承壓面等效摩擦直徑，μ_G為螺紋副摩擦系數(shù)，μ_K為承壓面摩擦系數(shù)。

對(duì)于最大預(yù)緊力，應(yīng)滿足如下關(guān)系：

式中，F_Mzul為螺栓的許用預(yù)緊力。

對(duì)于最小預(yù)緊力，應(yīng)滿足如下關(guān)系：

式中，F_Kerf為螺栓接頭滿足功能所需的最小夾緊力，F_SAmax為螺栓承擔(dān)的最大軸向工作載荷，F_Z為由接觸面沉降及材料蠕變等引起的螺栓預(yù)緊力的衰減，ΔF_Vth為溫度變化引起的螺栓預(yù)緊力衰減。

同時(shí)滿足上述兩條件，則表明螺栓的設(shè)計(jì)扭矩滿足要求。

02 裝配扭矩及其校驗(yàn)

裝配扭矩是在裝配過(guò)程中所施加的螺栓扭矩，是以設(shè)計(jì)部門提供的額定扭矩為目標(biāo)值，并以是否處于所要求的扭矩范圍作為擰緊是否合格的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

為評(píng)估和校驗(yàn)螺栓的擰緊效果，通常還需要對(duì)擰緊后的螺栓連接進(jìn)行一定比例的抽檢或全檢，以驗(yàn)證螺栓擰緊工藝的適應(yīng)性和可靠性。抽檢過(guò)程和擰緊過(guò)程一般都在裝配現(xiàn)場(chǎng)完成，因此將其統(tǒng)一歸為裝配階段。

在擰緊過(guò)程和抽檢過(guò)程中螺栓的扭矩存在較大區(qū)別，擰緊過(guò)程的扭矩通常稱為動(dòng)態(tài)扭矩，抽檢過(guò)程的扭矩通常稱為靜態(tài)扭矩。動(dòng)態(tài)扭矩是指擰緊過(guò)程中在擰緊工具動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的扭矩峰值，在此過(guò)程，螺栓處于連續(xù)的動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，故將其稱為動(dòng)態(tài)扭矩，測(cè)量的目的主要是保證擰緊過(guò)程中的扭矩符合要求，用以監(jiān)控和反映裝配過(guò)程的擰緊狀態(tài)、擰緊結(jié)果及工藝能力。靜態(tài)扭矩是指在裝配結(jié)束后較短時(shí)間內(nèi)，抽檢時(shí)得到的扭矩值，在此過(guò)程，螺栓處于靜止?fàn)顟B(tài)，故稱為靜態(tài)扭矩。靜態(tài)扭矩測(cè)量的目在于驗(yàn)證擰緊過(guò)程中是否出現(xiàn)異常，同時(shí)評(píng)估擰緊后螺栓扭矩是否處于正常范圍。    

下面將分別對(duì)動(dòng)態(tài)扭矩和靜態(tài)扭矩加以介紹。

（一）動(dòng)態(tài)扭矩

動(dòng)態(tài)扭矩是在擰緊過(guò)程中測(cè)量的最大扭矩，用以監(jiān)控和反映裝配過(guò)程的擰緊狀態(tài)、擰緊效果以及工藝能力等。對(duì)動(dòng)態(tài)扭矩的校驗(yàn)，首先判斷動(dòng)態(tài)扭矩是否滿足設(shè)計(jì)扭矩的范圍要求，即動(dòng)態(tài)扭矩M_A,day應(yīng)滿足如下關(guān)系：

可以看出動(dòng)態(tài)扭矩直接對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)扭矩。

為進(jìn)一步評(píng)估動(dòng)態(tài)扭矩與目標(biāo)扭矩的一致性，通常采用過(guò)程能力指數(shù)來(lái)評(píng)估。過(guò)程能力指數(shù)是指所評(píng)估的過(guò)程能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求的程度，通常用C_P和C_PK表示。過(guò)程能力指數(shù)也稱工序能力指數(shù)，是指該工序在一定時(shí)間內(nèi)，處于控制狀態(tài)下的實(shí)際加工能力。它是工序固有的能力，或者說(shuō)它是工序保證質(zhì)量的能力。這里所說(shuō)的工序，是指操作者、機(jī)器、原材料、工藝方法和生產(chǎn)環(huán)境等五個(gè)基本質(zhì)量因素綜合作用的過(guò)程。

C_P稱為離散性指標(biāo)，在這里主要考核擰緊結(jié)果的一致性，與邊界和離散程度相關(guān)，計(jì)算公式如下：

C_PK稱為偏離度指標(biāo)，在這里主要考量動(dòng)態(tài)扭矩與額定扭矩的偏差程度，它不僅與邊界和離散度相關(guān)，還與中心相關(guān)，計(jì)算公式如下：    

這里，M_HI為同批次中最大的動(dòng)態(tài)扭矩，M_LO為最小動(dòng)態(tài)扭矩，M_AV為動(dòng)態(tài)扭矩的均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差。

離散性指標(biāo)C_P主要表征的是數(shù)據(jù)的離散性，指標(biāo)越高說(shuō)明數(shù)據(jù)越集中，如圖2-1所示。

圖2-1 離散性指標(biāo)C_P示意圖

偏離度指標(biāo)C_PK主要表征數(shù)據(jù)與目標(biāo)值的偏離程度，指標(biāo)越高說(shuō)明數(shù)據(jù)與目標(biāo)值越接近，如圖2-2所示。

圖2-2 偏離度指標(biāo)C_PK示意圖

對(duì)過(guò)程能力指數(shù)的要求應(yīng)考慮實(shí)際需求以及工藝能力，汽車行業(yè)中通常要求C_P≥1.67，C_PK≥1.33。

（二）靜態(tài)扭矩    

為進(jìn)一步控制擰緊質(zhì)量，對(duì)于扭矩法一般都在擰緊完成后的一定時(shí)間內(nèi)，在螺栓連接處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)對(duì)螺栓扭矩進(jìn)行檢測(cè)。

為獲取較高的檢測(cè)精度，通常要求檢測(cè)工具的精度高于裝配工具的精度，扭矩精度一般要求3-5%。

不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于靜態(tài)扭矩校驗(yàn)的時(shí)間要求也不相同，有的甚至差異較大。譬如GB 50205-2020 《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定高強(qiáng)度螺栓連接副應(yīng)在終擰1h后，48h內(nèi)進(jìn)行終擰質(zhì)量檢查；GB/T 33628-2017《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組高強(qiáng)度螺紋連接副安裝技術(shù)要求》規(guī)定高強(qiáng)度螺栓應(yīng)在裝配后4h - 24h內(nèi)進(jìn)行復(fù)檢。JGJ 82-2011《鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程》規(guī)定扭矩檢查宜在螺栓終擰1h以后，24h之前完成。汽車行業(yè)要求的時(shí)間普遍較短，據(jù)報(bào)道大眾汽車公司規(guī)定擰緊完成后30min以內(nèi)測(cè)量，通用汽車公司規(guī)定在擰緊完成后5min以內(nèi)測(cè)量。

校驗(yàn)時(shí)間要求的差異與行業(yè)特點(diǎn)有關(guān)，主要考慮螺栓連接的穩(wěn)定性和操作時(shí)間窗口的寬度。校驗(yàn)時(shí)螺栓連接的狀態(tài)盡量穩(wěn)定，即螺栓預(yù)緊力瞬態(tài)衰減已完成且長(zhǎng)期衰減尚未開(kāi)始，螺栓連接處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。在滿足狀態(tài)穩(wěn)定的前提下，適當(dāng)增加操作時(shí)間窗口的寬度有利于現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)操作的實(shí)施。對(duì)于家電、汽車、等較小設(shè)備，校驗(yàn)時(shí)間一般要求較短；對(duì)于橋梁、重型裝備等大型鋼結(jié)構(gòu)，校驗(yàn)時(shí)間通常要求較長(zhǎng)。

螺栓預(yù)緊力的衰減是不可避免的，在校驗(yàn)時(shí)間范圍內(nèi)，螺栓預(yù)緊力的衰減主要表現(xiàn)為接觸面表面的沉降和微觀塌陷，沉降等引起的螺栓預(yù)緊力的衰減可表示為：

式中，F_Z為螺栓預(yù)緊力的衰減，f_Z為接觸面等效沉降位移，δ_S和δ_P分別為螺栓和被夾緊件的柔度。

螺栓預(yù)緊力的衰減導(dǎo)致扭矩的衰減，衰減扭矩可表示為：

可以看出螺栓扭矩的衰減量與螺栓尺寸、螺孔尺寸、摩擦系數(shù)、被連接件材質(zhì)、夾持厚度、接觸面?zhèn)€數(shù)、接觸面粗糙度等眾多參數(shù)相關(guān)。不同的螺栓接頭結(jié)構(gòu)，其扭矩的衰減量也不相同。定義預(yù)緊力衰減系數(shù)：

這里F_M為螺栓的預(yù)緊力，通常情況下，對(duì)于全金屬的硬螺栓連接，螺栓預(yù)緊力衰減可取α_M=5%；對(duì)于包含非金屬?gòu)?fù)合材料等的中性螺栓連接，預(yù)緊力衰減可取α_M=15%；對(duì)于包含橡膠、塑料等材料的軟螺栓連接，預(yù)緊力衰減可取α_M=30%。在有條件情況下，推薦針對(duì)實(shí)際螺栓接頭形式進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。

靜態(tài)扭矩的校驗(yàn)時(shí)間距離裝配過(guò)程的時(shí)間間隔較短，推薦選取動(dòng)態(tài)扭矩而非額定扭矩作為參考值進(jìn)行評(píng)估，其原因在于靜態(tài)扭矩校驗(yàn)的目的在于校驗(yàn)螺栓扭矩的衰減是否正常，即校驗(yàn)自裝配結(jié)束瞬間至抽檢校驗(yàn)這段時(shí)間內(nèi)的螺栓衰減量是否滿足要求。選取動(dòng)態(tài)扭矩可以更好地反映螺栓扭矩的衰減量。若選取額定扭矩作為參考值，由于無(wú)法獲該取螺栓扭矩的初始值，難以精確反映該螺栓連接的扭矩衰減量，適用于精度要求不高或小比例抽檢的場(chǎng)合。

靜態(tài)扭矩的校驗(yàn)方法有很多，按旋轉(zhuǎn)方向可以劃分為擰緊法、復(fù)位法和擰松法。擰緊法是通過(guò)將螺栓頭或螺母向擰緊方向施加扭矩進(jìn)行扭矩校驗(yàn)的方法；復(fù)擰法則是先將螺栓頭或螺母擰松，再恢復(fù)至原位，通過(guò)測(cè)量復(fù)位扭矩來(lái)校驗(yàn)扭矩的一種方法；擰松法則是通過(guò)將螺栓頭或螺母向擰松方向施加扭矩進(jìn)行扭矩校驗(yàn)的方法。下面分別進(jìn)行介紹。    

（1）擰緊校驗(yàn)法

在要求的時(shí)間范圍內(nèi)，對(duì)已擰緊的螺栓施加擰緊方向的扭矩。根據(jù)校驗(yàn)扭矩的定義，又可細(xì)分為分離扭矩校驗(yàn)法、再擰緊扭矩校驗(yàn)法和扭矩轉(zhuǎn)角校驗(yàn)法。

a）分離扭矩校驗(yàn)法

對(duì)已擰緊的螺栓連接施加擰緊方向的扭矩，隨著施加扭矩的不斷增加，在螺栓發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，停止擰緊，記錄此時(shí)的扭矩值，該扭矩稱為分離扭矩，記作M_A,break，如圖2-3所示。

圖2-3 分離扭矩示意圖

分離扭矩法把分離扭矩定義為靜態(tài)扭矩的校驗(yàn)值，有：

分離扭矩校驗(yàn)法操作簡(jiǎn)單，使用帶扭矩顯示的擰緊扳手即可實(shí)施。但該方法僅提取了螺栓由靜態(tài)轉(zhuǎn)變成動(dòng)態(tài)的瞬間信息，螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，扭矩扳手克服的摩擦力由靜態(tài)摩擦力轉(zhuǎn)變成動(dòng)態(tài)摩擦力，通常靜態(tài)摩擦系數(shù)略大于動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)，定義摩擦因子α_μ：

這里μ_sta和μ_dyn分別為靜態(tài)摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)。通常情況下，α_μ在1.1-1.3之間，重要場(chǎng)合需通過(guò)試驗(yàn)確定其值。

此時(shí)測(cè)得的扭矩與動(dòng)態(tài)扭矩相比，包括了螺栓預(yù)緊力的衰減量、靜態(tài)摩擦系數(shù)與動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)的差異以及工具精度。

滿足如下關(guān)系，則表示靜態(tài)扭矩合格，否則不合格：

通常情況下，對(duì)于硬螺栓連接，靜態(tài)扭矩校驗(yàn)值應(yīng)為動(dòng)態(tài)扭矩的1.0 - 1.3倍；中性螺栓連接，為動(dòng)態(tài)扭矩的0.9-1.3倍；軟螺栓連接，為動(dòng)態(tài)扭矩的0.8-1.3倍。

若以額定扭矩為評(píng)估參考值，則應(yīng)考慮扭矩的測(cè)量精度。

b）再擰緊扭矩校驗(yàn)法

分離扭矩校驗(yàn)法雖然簡(jiǎn)單，但是由于包含了靜態(tài)摩擦與動(dòng)態(tài)摩擦的轉(zhuǎn)化，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，僅適合靜態(tài)摩擦系數(shù)與動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)差別不大的場(chǎng)合。為避免靜態(tài)摩擦系數(shù)的影響，可采用再擰緊扭矩校驗(yàn)法。

再擰緊扭矩校驗(yàn)法要求在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，對(duì)已擰緊的螺栓連接施加擰緊方向的扭矩，隨著施加扭矩的不斷增加，螺栓發(fā)生了轉(zhuǎn)動(dòng)，繼續(xù)施加扭矩。通常螺栓扭矩會(huì)有一定幅度的降低；若動(dòng)靜摩擦系數(shù)差別不大，擰緊扭矩降低不明顯。繼續(xù)擰緊，扭矩開(kāi)始增加，記錄增加瞬間的扭矩值，該扭矩值稱為再擰緊扭矩，記作M_A,resid，如圖2-4所示。

   

再擰緊扭矩法將再擰緊扭矩定義為靜態(tài)扭矩，有：

再擰緊角度通常不超過(guò)15°。

滿足如下關(guān)系，則表示靜態(tài)扭矩合格，否則不合格：

通常情況下，對(duì)于硬螺栓連接，靜態(tài)扭矩校驗(yàn)值應(yīng)為動(dòng)態(tài)扭矩的0.95 - 1.05倍；中性螺栓連接，為動(dòng)態(tài)扭矩的0.85-1.05倍；軟螺栓連接，為動(dòng)態(tài)扭矩的0.70-1.05倍。

若以額定扭矩為參考值，對(duì)于硬螺栓連接，靜態(tài)扭矩校驗(yàn)值應(yīng)為額定扭矩的0.80 - 1.20倍；中性螺栓連接，為額定扭矩的0.70-1.20倍；軟螺栓連接，為額定扭矩的0.55-1.20倍。    

對(duì)于再擰緊扭矩校驗(yàn)法，目前采用較多的是以額定扭矩為參考扭矩，比如VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)要求靜態(tài)扭矩應(yīng)為所需動(dòng)態(tài)扭矩的0.85-1.3倍。據(jù)報(bào)道大眾汽車公司規(guī)定一般情況下可以按照0.8-1.2的額定扭矩進(jìn)行校驗(yàn)。目前普遍接受的范圍是關(guān)鍵部位的螺栓連接扭矩衰減不能超過(guò)20%左右的水平；對(duì)于一些非關(guān)鍵部位的螺栓連接，特別有橡膠件或塑料件等影響扭矩衰減的部位，允許最大50%的扭矩衰減。

以額定扭矩為參考的校驗(yàn)由于不需要使用各螺栓的動(dòng)態(tài)扭矩值，便于操作，因此應(yīng)用廣泛。但該方法無(wú)法準(zhǔn)確反映螺栓預(yù)緊力/扭矩的衰減程度。比如，某硬螺栓連接的扭矩要求為100Nm±15Nm，裝配線上測(cè)得的動(dòng)態(tài)扭矩值為112Nm，滿足動(dòng)態(tài)扭矩要求。靜態(tài)校驗(yàn)時(shí)，測(cè)得再擰緊扭矩為88Nm，若以動(dòng)態(tài)扭矩為參考值，扭矩衰減為動(dòng)態(tài)扭矩的0.79倍，不滿足靜態(tài)扭矩的要求；但若以額定扭矩為參考值，扭矩衰減為額定扭矩的0.88倍，滿足靜態(tài)扭矩的要求?？梢?jiàn)，采用額定扭矩作為參考值在理論上存在漏檢的風(fēng)險(xiǎn)，該校驗(yàn)方法適用于對(duì)扭矩衰減不嚴(yán)格的場(chǎng)合。

再擰緊扭矩比較精準(zhǔn)，但是要求較高，擰緊工具應(yīng)具有扭矩曲線繪圖功能，能夠識(shí)別并記錄再擰緊扭矩的數(shù)值。目前市面上已出現(xiàn)能夠準(zhǔn)確識(shí)別再擰緊扭矩的智能扳手。

c）扭矩轉(zhuǎn)角校驗(yàn)法

GB/T 33628-2017 《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 高強(qiáng)螺紋連接副安裝技術(shù)要求》提供了一種通過(guò)校驗(yàn)轉(zhuǎn)角來(lái)判斷靜態(tài)扭矩是否滿足要求的方法，具體操作為：對(duì)被檢查螺栓做好觀察基準(zhǔn)線；將校驗(yàn)合格的力矩扳手調(diào)整到被測(cè)螺栓原施擰力矩的110%；對(duì)被測(cè)螺栓進(jìn)行擰緊，均勻施擰，觀察顯示器的數(shù)值以及螺栓旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，按轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)判斷其合格性。

判斷準(zhǔn)則為：若螺栓未轉(zhuǎn)動(dòng)，表明螺栓過(guò)擰，評(píng)定為不合格，需要更換全套螺紋連接副；若轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于30°，表明完全擰緊，評(píng)定為合格；若轉(zhuǎn)動(dòng)角度在30°-60°之間，表明基本擰緊，評(píng)定基本合格，需校驗(yàn)該螺栓相鄰的兩個(gè)螺栓；若轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于60°，表明未擰緊，評(píng)定為不合格，更換螺栓并校驗(yàn)該螺栓相鄰的兩個(gè)螺栓。若墊片與法蘭面發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)更換螺母和墊片。

（2）復(fù)位校驗(yàn)法

擰緊校驗(yàn)法是沿著擰緊的方向進(jìn)行施擰，此方法也帶來(lái)一些不利的因素，包括1）螺栓存在超擰的風(fēng)險(xiǎn)；2）扭矩值受到內(nèi)側(cè)裸露螺紋區(qū)摩擦系數(shù)的影響，尤其是校驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)沙較大或存在油污的情況；3）靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)的轉(zhuǎn)換。為避免上述不利因素，可采用復(fù)位校驗(yàn)法。

復(fù)位校驗(yàn)法在校驗(yàn)前預(yù)先在螺栓頭部或螺母與相聯(lián)結(jié)的接觸面對(duì)應(yīng)處劃一道基準(zhǔn)線作為標(biāo)記，然后將螺栓頭或螺母擰松一定角度，再用扭矩扳手沿?cái)Q緊方向緩慢而均勻地?cái)Q緊，直至螺栓頭或螺母重新回到初始位置，標(biāo)記線完全復(fù)位，將復(fù)位時(shí)的扭矩定義為靜態(tài)扭矩，如圖2-5所示。由于校驗(yàn)過(guò)程中需要預(yù)先做標(biāo)記，該方法又稱標(biāo)記法。    

圖2-5 復(fù)位扭矩法示意圖

擰松的角度應(yīng)根據(jù)螺栓接頭的實(shí)際結(jié)構(gòu)確定，通常設(shè)置為10°-30°，GB 50205建議回退60°左右。

該校驗(yàn)方法操作稍復(fù)雜，同時(shí)優(yōu)勢(shì)明顯，譬如可使用裝配擰緊工具，不受動(dòng)靜摩擦系數(shù)的影響，精確較高，校驗(yàn)合格的螺栓連接無(wú)需返工等。復(fù)位校驗(yàn)法適用于對(duì)關(guān)鍵部位螺栓連接的校驗(yàn)。

滿足如下關(guān)系，表示靜態(tài)扭矩合格，否則不合格：

通常情況下，對(duì)于硬螺栓連接，靜態(tài)扭矩校驗(yàn)值應(yīng)為動(dòng)態(tài)扭矩的0.95 - 1.05倍；中性螺栓連接，為動(dòng)態(tài)扭矩的0.85-1.05倍；軟螺栓連接，為動(dòng)態(tài)扭矩的0.70-1.05倍。GB 50205-2001 鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范。該扭矩值與施工扭矩值的偏差在10%以內(nèi)為合格。

同樣也可以將額定扭矩作為參考值，需要考慮擰緊工具的精度。

（3）擰松校驗(yàn)法

將已經(jīng)緊固的螺栓，用扭力扳手慢慢使其松開(kāi)，然后讀取其轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間的扭矩值，該扭矩稱為擰松扭矩。擰松扭矩理論上是峰值，后續(xù)扭矩值通常小于此值。    

擰松校驗(yàn)法與分離扭矩校驗(yàn)法基本一致，在實(shí)際運(yùn)用中通常被擰緊校驗(yàn)法替代。

03 服役扭矩及其校驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)備在服役過(guò)程中螺栓連接的可靠性，通常在經(jīng)歷一段時(shí)間后（譬如在汽車大保養(yǎng)、大型設(shè)備的定期修以及高速列車的高級(jí)修），對(duì)螺栓預(yù)緊力進(jìn)行校驗(yàn)，評(píng)估螺栓預(yù)緊力是否仍處于安全范圍之內(nèi)。采用校驗(yàn)扭矩的方法來(lái)反映螺栓預(yù)緊力的狀態(tài)，這一階段的扭矩稱為服役扭矩。

從校驗(yàn)方法上來(lái)看，靜態(tài)扭矩的所有方法都適用于服役扭矩的校驗(yàn)。只是由于螺栓連接已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)一段時(shí)間的熱機(jī)循環(huán)載荷，螺栓預(yù)緊力的損失有所增加，除是接觸面的微觀沉降外，疊加了循環(huán)載荷引起的接觸面的微動(dòng)磨損以及被連接件材料蠕變導(dǎo)致的軸力衰減，其中以橡膠等非金屬材料尤為明顯。通常，最低可接受扭矩可在靜態(tài)可校驗(yàn)扭矩的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低。

由于校驗(yàn)時(shí)間距離裝配時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)扭矩值一般難以獲取，為了校驗(yàn)的方便通常取額定扭矩作為校驗(yàn)的參考值。

針對(duì)大批量的服役螺栓，譬如高速動(dòng)車組走行部的連接螺栓，螺栓數(shù)量大，時(shí)間窗口短，要求校驗(yàn)效率高。通常在分離扭矩校驗(yàn)法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化，即設(shè)定一個(gè)扭矩作為校驗(yàn)扭矩，對(duì)螺栓連接施加擰緊方向的扭矩，直至擰緊力矩達(dá)到該校驗(yàn)扭矩，如果此時(shí)螺栓未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，判定為合格，反之則不合格。    

校驗(yàn)扭矩可采用下式進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)于硬螺栓連接預(yù)緊力衰減量α_MS可取10%，中性螺栓連接α_MS可取20%，軟螺栓連接α_MS可取40%。若ΔM_A=15%，α_μ=1.1，則校驗(yàn)扭矩可取額定扭矩的0.95倍（硬螺栓連接）、0.85倍（中性螺栓連接）和0.65倍（軟螺栓連接）。當(dāng)然，螺栓預(yù)緊力損失和摩擦因子的選取應(yīng)基于大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。

該校驗(yàn)扭矩在理論上應(yīng)能滿足螺栓連接安全的需要，或反過(guò)來(lái)說(shuō)，螺栓在設(shè)計(jì)時(shí)已考慮了該螺栓預(yù)緊衰減量。

校驗(yàn)扭矩法不是定量地測(cè)量剩余扭矩值，而是校驗(yàn)螺栓的擰緊狀態(tài)。若螺栓未轉(zhuǎn)動(dòng)表明螺栓連接滿足要求，可直接投入使用；若螺栓產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)則表明螺栓連接已不滿足要求，需要記錄數(shù)據(jù)并復(fù)擰或更換緊固件。該方法的優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單快捷，適用于風(fēng)電、高速列車等大批量關(guān)鍵部位螺栓的日常維護(hù)和高級(jí)修。

04 討論

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由于螺栓擰緊問(wèn)題導(dǎo)致的螺栓連接失效占螺栓總失效的80%以上。螺栓扭矩問(wèn)題主要表現(xiàn)為螺栓扭矩的漏打、欠打或過(guò)打。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)扭矩的校驗(yàn)可以從理論上避免螺栓連接的失效；通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)扭矩、靜態(tài)扭矩以及服役扭矩的校驗(yàn)可以提前發(fā)現(xiàn)不合格的螺栓連接狀態(tài)，暴露擰緊工藝中的不足，降低螺栓連接的失效風(fēng)險(xiǎn)。螺栓扭矩的校驗(yàn)工作應(yīng)貫穿于螺栓連接的整個(gè)生命周期中。    

螺栓扭矩校驗(yàn)方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行選擇，對(duì)于涉及到生命安全、設(shè)備整體失效等高危害性的螺栓連接，應(yīng)做到對(duì)設(shè)計(jì)扭矩進(jìn)行理論校驗(yàn)、對(duì)裝配扭矩進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)、對(duì)服役扭矩進(jìn)行定期校驗(yàn)。有條件的宜建立關(guān)鍵螺栓的扭矩履歷，以便對(duì)螺栓扭矩的時(shí)間歷程進(jìn)行跟蹤，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)螺栓扭矩的衰減趨勢(shì)并對(duì)未來(lái)失效風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

扭矩校驗(yàn)準(zhǔn)則的選取與校驗(yàn)方法以及螺栓連接的特性（硬連接、中性連接和軟連接）相關(guān)。在設(shè)置校驗(yàn)準(zhǔn)則時(shí)應(yīng)考慮是否存在靜態(tài)摩擦與動(dòng)態(tài)摩擦的轉(zhuǎn)化，被連接件中是否包含材料蠕變顯著的非金屬材料。螺栓扭矩在不同時(shí)期的衰減量需要大量的數(shù)據(jù)積累，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)制定各行業(yè)或企業(yè)的校準(zhǔn)規(guī)范，并將結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)部門，使得螺栓預(yù)緊力的損失在設(shè)計(jì)之初就得到充分考慮。靜態(tài)扭矩和服役扭矩的校驗(yàn)準(zhǔn)則推薦以動(dòng)態(tài)扭矩為參考，若以額定扭矩為參考，需定期進(jìn)行校驗(yàn)。

從螺栓連接的安全角度來(lái)講，扭矩/預(yù)緊力衰減的大小并不是問(wèn)題的關(guān)鍵，關(guān)鍵是該衰減量是否穩(wěn)定、是否在設(shè)計(jì)過(guò)程中已充分考慮、是否超出預(yù)期。