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GB/T16823-1997[螺紋緊固件扭－拉關系 試驗方法〕介紹 在螺紋緊固件的使用中應用的較廣泛的是螺栓－螺母連接副的形式，應用的較多的是有預緊力的連接方式，預緊力的連接可以提高螺栓連接的可靠性、防松能力及螺栓的疲勞強度，并且能增強螺紋連接體的緊密性和剛度。在螺紋緊固件的連接使用中，沒有預緊力或預緊力不夠時，起不到真正的連接作用，一般稱之為欠擰；但過高的預緊力或者不可避免的超擰也會導致螺紋連接的失敗。眾所周知，螺紋連接的可靠性是由預緊力來設計和判斷的，但是，除在實驗室可以測量外，在裝配現場一般是不易直觀的測量。螺紋緊固件的預緊力則多是采用力矩或轉角的手段來達到的。因此，當設計確定了預緊力之后，安裝時采用何種控制方法？如何規定擰緊力矩的指標？則成為關鍵重要問題，這就提出來了螺紋緊固件扭（矩）－拉（力）關系的研究課題。 螺紋緊固件扭－拉關系，不僅涉及到扭矩系數、摩擦系數（含螺紋摩擦系數和支撐面摩擦系數）、屈服緊固軸力、屈服緊固扭矩和極限緊固軸力等以一系列螺紋連接副的緊固特性的測試及計算方法，還涉及到螺紋緊固件的應力截面積和承載面積的計算方法等基礎的術語、符號的規定。并且也還必須給出螺紋緊固件緊固的基本規則、主要關系式以及典型的擰緊方法。目前，這些內容ISO/TC2尚無相應的標準，德國工程師協會早在七十年代就發表了DVI2230《高強度螺栓連接的系統計算》技術準則。日本也于1987和1990年發布了三項國家標準，尚未查到其他國家的標準。國內尚未發現相應的行業標準，僅少數企業制定了企業標準。尤其是隨著引進技術的國產化不斷的拓展和螺紋緊固件技術發展的需要，這一需求日趨迫切。這也就是制定此項標準的初衷。 日本國家標準JIS B 1082-1987《螺紋緊固件應力截面積和承載面積》、JIS B 1083-1990《螺紋緊固件緊固通則》及JIS B 1084-1990《螺紋緊固件擰緊試驗方法》三個標準，概括了國際上有關螺紋緊固件扭－拉關系的研究成果和應用經驗，根據標準驗證，對我國也是適用的。因此，在制定標準時，在充分消化、分析日本標準的基礎上，提出了等效采用的意見。 因此，本系列標準也包括了下列三個國家標準： 1、GB/T16823.1-1997《螺紋緊固件應力截面積和承載面積》; 2、GB/T16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》; 3、GB/T16823.3-1997《螺紋緊固件擰緊試驗方法》 一、GB/T16823.1-1997《螺紋緊固件應力截面積和承載面積》 本標準等效采用JIS B 1082-1987《螺紋緊固件應力截面積和承載截面積》標準，本標準是設計螺紋緊固件扭－拉關系系列標準之一。 1、 范圍 本標準規定的螺紋緊固件的應力截面積（As）適用于計算外螺紋緊固件的最小拉力載荷、保證載荷以及內螺紋緊固件的保證載荷。外螺紋緊固件包括螺栓、螺釘和螺柱等標準件和專用件；內螺紋緊固件包括螺母標準件、專用件及機體中的螺孔。其螺紋尺寸及公差均應符合GB/T193、GB/T196和GB/T197的規定。本標準不適用于寸制螺紋、統一螺紋、惠氏螺紋等其他螺紋緊固件。 2、 螺紋緊固件應力截面積計算公式 本標準規定的螺紋緊固件應力截面積計算公式有兩個，即公式（1）和公式（2）。 螺紋緊固件應力截面積計算公式（1）與已發布的國家標準，即GB/T3098.1《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》、GB/T3098.2《緊固件機械性能 螺母》、GB/T3098.4《緊固件機械性能 細牙螺母》和GB/T3098.6《緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘、螺柱和螺母》等標準的規定完全一致。 螺紋緊固件應力截面積計算公式（2）是參照JIS B 1082標準，首次推出的新的一種計算公式，這個公式是直接利用螺紋公稱直徑（d）和螺距（P）數據，求出螺紋緊固件應力截面積（As）。公式（1）與公式（2）是等同的計算式，只不過是公式（2）比公式（1）計算更加方便。美國ASTM619標準也采用了這一公式。 標準中規定“如無特殊要求，取3位有效數字”，如無特殊要求時，即一般應照此處理。在已發布的緊固件機械性能國家標準中，也都是這樣處理的。也就是說，當As<1時，取小數點后3位數；當1≤As<10時，取小數點后2位數；當10≤As<100時，取小數點后1位數；當100≤As<1000時，取3位整數乘以10n。 3、 螺紋緊固件應力截面積值 標準根據GB/T193《普通螺紋 直徑與螺距系列》有關規定，在標準表1中給出了粗牙螺紋M1～M68和細牙螺紋M8×1～M130×6D的螺紋緊固件應力截面積值。總之，標準表1給出的螺紋緊固件應力截面積值，完全能滿足螺栓、螺釘、螺柱和螺母等螺紋緊固件產品現行國家標準的需要。 4、 螺紋緊固件承載面積計算公式 雖然螺紋緊固件產品品種，但是，按支撐面的形狀大致可分為圓形、六角形和方形三種，因此，在標準表2中給出了這三種支撐面承載面積的計算公式。承載面積應當是支撐面與被連接件實際接觸部分的面積，產品品種不同，承載面積肯定不同，即使是同一批零件，承載面積也不一定完全相同，如在計算中將支撐面形狀、尺寸公差、螺栓和螺釘通孔的尺寸和公差都予以考慮，無可非議，但是，給計算增加了麻煩，使用也不一定方便。標準制定時確定了計算承載面積近似值的原則，故標準表2中所列出的螺紋緊固件承載面積計算公式的各變量均采用公稱尺寸或極限尺寸。 螺紋緊固件承載面積的計算與螺紋緊固件應力截面積的計算一樣，如無特殊要求，取3位有效數字。 5、 面積比 螺紋緊固件承載面積（Ab）值與螺紋緊固件應力截面積（As）之比，簡稱為面積比（Ab/As）。 當面積比小于1時，即螺紋緊固件應力截面積（As）值大于螺紋緊固件承載面積（Ab）值，則支撐面的壓強過大，這對普通螺紋緊固件是不適宜的，尤其是對高強度螺紋緊固件更是不宜采用的。 6、 典型螺紋緊固件的承載面積及面積比 標準中圖1～6及表3～表5列出了典型螺紋緊固件的種類、螺紋緊固件承載面積（Ab）值以及面積比（Ab/As）值。其中有關參數均采用我國現行的緊固件基礎標準和產品標準的規定，如：六角頭螺栓的標準系列和加大系列按GB/T3104、方頭螺栓按GB/T8、內六角頭螺釘按GB/70、六角法蘭面螺栓按GB/T5787及盤頭螺釘按GB/67和GB/T818選取的。 7、 應當說明的幾個問題 ①、標準中雖然以螺栓、螺釘分類給出了計算更是及有關數據，但當螺母支撐面的形狀、尺寸與表中六角頭螺栓、方頭螺栓、六角頭發蘭面螺栓相同時，表中的數據也適用于該螺母。 ②、表中的螺栓和螺釘通孔直徑dh按GB5277標準中中等裝配系列（無內倒角）的基本尺寸選取。 ③、表中的墊圈面直徑Dw,見圖2，按Dw=0.95S計算。 ④、內六角螺釘、六角法蘭面螺栓的支撐面直徑dW分別按GB/70、GB/T5787、的“dWmin”選取。 ⑤、方頭螺栓（標準型）的對邊寬度，按GB/T8（即GB/T3104標準系列）的“Smax”值選取。 ⑥、盤頭螺釘的支撐面直徑dW，按GB/T67或GB/T818的“dWmax”值選取。 二、GB/T16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》 本標準等效采用JIS B 1083-1990《螺紋緊固件緊固通則》標準，本標準也是設計螺紋緊固件扭－拉關系系列標準之一。本標準有兩個附錄，附錄A“螺紋摩擦系數、支承面摩擦系數與扭矩系數的對照表”和附錄B“螺紋摩擦系數、支承面摩擦系數與屈服緊固軸力和屈服緊固扭矩的對照表”均為標準的附錄（現應為規范性附錄）。 1、范圍 本標準的名稱為“螺紋緊固件緊固通則”，所以本標準限于螺紋緊固件的范圍。但是，螺紋緊固件包括的種類、設計選用的緊固方法很多，在一個通用規則中不可能完全包括進去，而只能規定最通用的方法。因此，本標準適用于最典型的，也就是最通用的“螺栓－螺母連接副”。本標準規定了擰緊螺栓－螺母連接副連接的術語、基本要求、主要關系式以及典型的擰緊方法。本標準也適用于螺栓或螺釘擰入機體內螺紋的連接副或者其他外螺紋（專用件）與內螺紋的連接副。但是，本標準對自攻螺釘、自鉆自攻螺釘和木螺釘的“螺紋連接體”（由螺紋緊固件和被連接件構成的總體是不適用的，對于螺紋連接體中使用彈簧墊圈或彈性墊圈（如：外齒鎖緊墊圈、內齒鎖緊墊圈、內外齒鎖緊墊圈、鞍形彈性墊圈等）以及使用有效力矩型螺紋緊固件（如：尼龍鎖緊螺母等）的螺紋連接副也都是不適用的。總之，本標準僅適用于影響螺紋緊固件“扭－拉”關系最簡單或單純的，最典型或通用的螺紋連接副。 2、術語及符號 標準表1中給出的術語及其定義和相應的英文名稱，以及表2給出的本標準使用的主要符號及其含義，均等同采用JIS B 1083-1990標準。因為JIS標準制定時，相應的英文名稱參考了J.H.BLCKFORD著的《An Introduction to the Design and Behavior of Bolted Joints〈螺栓連接件的設計與應用〉》（1981.Dekker發行）的資料，并且，這些與我國現行術語大同小異，基本適用，故沒有必要另搞一套。 3、螺紋緊固的基本要求 國內外實踐表明，螺紋緊固件的緊固，并不是像有些人想像得那樣，不就是螺絲螺帽嗎？用扳手擰緊就行了吧。螺紋緊固的方式方法很多，但是最簡單的、最常用的還是使用手工扳擰工具進行擰緊，這種緊固手段雖然容易操作，但是，對于高強度或者重要的連接緊固中是絕對不行的，也是絕對不允許的，這一點恐怕極易被人忽視。因為使用手工扳擰工具進行擰緊的方法是無法控制軸向預緊力的，也是會影響螺紋連接體的可靠性，甚至會直接影響整機或工程的性能和質量。因此，在螺紋緊固件的連接設計中應該明確提出確切的初始預緊力的指標要求，在裝配工藝或施工規范中，根據設計要求，應制訂切實可行的方案，采用合適的擰緊方法，準確控制，來確保設計目標的實施，是非常必要的。在這方面鋼結構工程多年來積累了許多經驗。汽車行業在技術引進中，通過通過吸收消化過程，也廣泛地采用了國際先進技術，在這方面做了很多基礎研究工作。目前，在各行業中不論是在螺紋緊固件連接緊固的連接理論、檢測試驗、還是現場裝配使用研究工作都引起了足夠的重視。所以，標準中對螺紋緊固的基本要求雖然只有一段話，但意義深刻。 4、螺紋緊固的主要關系式 從標準圖1中可以看出，螺紋緊固件緊固時，可以根據螺栓承受應力處于屈服點的內或者外的位置，可分為彈性區或塑性區緊固。 彈性區內的緊固扭矩與預緊力的關系，見式1； 彈性區內的緊固轉角與預緊力的關系，見式6； 屈服緊固軸力與螺紋應力截面積及其等效直徑的關系，見式7； 屈服緊固扭矩與屈服緊固軸力的關系，見式8。 5、螺紋擰緊方法 選擇螺紋連接的擰緊方法，應該在充分了解各種擰緊方法特性的基礎上，按照設計對初始預緊力離散程度的要求、預緊力的大小、使用條件等因素來合理選擇擰緊方法。其中對初始預緊力離散程度的要求，通常用緊固系數（Q）來表示，一般也稱之初始預緊力離散度。雖然擰緊工具以及精度的不同，所對應的初始預緊力離散度也是不同的，但是，由于擰緊方法的不同，在擰緊時對應的初始預緊力離散度更是不同的，因此，緊固系數是選擇螺紋擰緊方法的一個重要條件。 標準表3中給出了扭矩法、轉角法及扭矩斜率法三種常用的典型擰緊方法。下面就分別將它們的特點簡單的介紹如下： ⑴、 扭矩法 從標準圖2“緊固扭矩和預緊力的關系圖”中可以看出，扭矩法就是利用扭矩與預緊力的線性關系在彈性區進行緊固控制的一種方法。該方法在擰緊時，只對一個確定的緊固扭矩進行控制，因此，因為該方法操作簡便，是一種一般常規的擰緊方法。但是，由于緊固扭矩的90％左右作用于螺紋摩擦和支承面摩擦的消耗，真正作用在軸向預緊力方面僅10％左右，初始預緊力的離散度是隨著擰緊過程中摩擦等因素的控制程度而變化的，因而該擰緊方法的離散度較大，適合一般零件的緊固，不適合重要的、關鍵的零件的連接。 ⑵、 轉角法 從標準圖3“緊固轉角和預緊力的關系圖”中可以看出，轉角法就是在擰緊時將螺栓于螺母相對轉動一個角度，稱之為緊固轉角，把一個確定的緊固轉角作為指標來對初始預緊力進行控制的一種方法。該擰緊方法可在彈性區和塑性區使用。從標準圖3“緊固轉角和預緊力的關系圖”中還可以看出，Q-F曲線斜率急劇變化時，隨著緊固轉角的設定誤差，預緊力的離散度也會變大。因此，在被連接件和螺栓的剛性較高的場合，對彈性區的緊固是不利的；對塑性區的緊固時，初始預緊力的離散度主要取決于螺栓的屈服點，而轉角誤差對其影響不大，故該緊固方法具有可最大限度地利用螺栓強度的優點（即可獲得較高的預緊力）。 應該注意的是該擰緊方法在塑性區擰緊時會使螺栓的桿部以及螺紋桿部發生塑性變形，因此，對螺栓塑性差的以及螺栓反復使用的場合應考慮其適用性。另外，對預緊力過大，會造成被連接件受損的情況時，則必須對螺栓的屈服點及抗拉強度的上限值進行規定。 ⑶、 扭矩斜率法 從標準圖4“緊固轉角相對應的預緊力及緊固扭矩圖”中可以看出，扭矩斜率法是以Q-F曲線中的扭矩斜率值的變化作為指標對初始預緊力進行控制的一種方法。該擰緊方法通常把螺栓的屈服緊固軸力作為控制初始預緊力的目標值。該擰緊方法一般在螺栓初始預緊力離散度要求較小并且可最大限度地利用螺栓強度的情況下使用。但是由于該擰緊方法對初始預緊力的控制與塑性區的轉角法基本相同，所以，需要對螺栓的屈服點進行嚴格的控制。該擰緊方法與塑性區的轉角法相比，螺栓的塑性即反復使用等方面出現的問題較少，有一定的優勢，但是，緊固工具比較復雜，也比較昂貴。 6、附錄 在附錄A中給出了螺紋摩擦系數、支承面摩擦系數與扭矩系數關系的對照表。即當已知預緊力、螺紋摩擦系數、支承面摩擦系數以及螺紋公稱直徑的六角頭螺栓連接副連接時，可由附錄A表A1（包括粗牙和細牙）中查出扭矩系數，并按公式1求出緊固扭矩。 在附錄B中給出了螺紋摩擦系數、支承面摩擦系數與屈服緊固軸力和屈服緊固扭矩關系的對照表。即當已知螺栓的公稱直徑、性能等級以及螺紋摩擦系數、支承面摩擦系數時，可由附錄B表B1中分別查出屈服緊固軸力和屈服緊固扭矩的值。 在標準附錄B圖B1中，僅以螺紋公稱直徑M10，性能等級8.8級的螺栓為例，給出了螺紋摩擦系數、支承面摩擦系數與屈服緊固軸力和屈服緊固扭矩的關系。由圖B1也可以看出螺紋摩擦系數對屈服緊固扭矩的影響較小（曲線的軌跡趨近于水平線），幾乎可以忽略不計。因此，標準制訂時，為了簡化，把屈服緊固扭矩是按一個不變的紋摩擦系數（0.15）值計算出來的。JIS B 1083-1990和VDI 2230也都是采用的這種方法，否則，十種螺紋摩擦系數與十種支承面摩擦系數排列組合后可要得出100個表，我們進行了標準驗證，選用了國家現行標準進行了計算，驗證結果是可行的，我們認為處理這一問題的原則是科學的。 三、GB/T16823.3-1997《螺紋緊固件擰緊試驗方法》 本標準等效采用JIS B 1084-1990《螺紋緊固件擰緊試驗方法》標準，本標準也是設計螺紋緊固件扭－拉關系系列標準之一。 1、 范圍 本標準的范圍與GB/T16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》大致相同。本標準適用于最典型的，也就是最通用的“螺栓－螺母連接副”。本標準規定了螺栓－螺母螺紋連接副的緊固特性值的試驗方法。緊固特性值包括扭矩系數、螺紋摩擦系數、支承面摩擦系數、屈服緊固軸力、屈服緊固扭矩及極限緊固軸力。本標準也適用于螺栓或螺釘擰入機體內螺紋的連接副或者其他外螺紋（專用件）與內螺紋的連接副。但是，本標準對自攻螺釘、自鉆自攻螺釘和木螺釘的“螺紋連接體”（由螺紋緊固件和被連接件構成的總體是不適用的，對于螺紋連接體中使用彈簧墊圈或彈性墊圈（如：外齒鎖緊墊圈、內齒鎖緊墊圈、內外齒鎖緊墊圈、鞍形彈性墊圈等）以及使用有效力矩型螺紋緊固件（指在螺紋連接副不受軸向載荷的情況下，平穩旋轉螺母或者螺栓時所測得的旋轉力矩。該力矩具有抗旋轉的功能。如：尼龍鎖緊螺母等）的螺紋連接副也都是不適用的。 2、 緊固特性值的測定項目 緊固特性值的測定項目是計算螺紋緊固件各緊固特性值涉及的要素，具體的測定項目按表1的規定 表1 緊固特性值的測定項目 緊固特性值 初始預緊力 緊固扭矩 螺紋扭矩 支承面扭矩 緊固轉角 扭矩系數 ○ ○ ─ ─ ─ 螺紋摩擦系數 ○ ─ ○ ─ ─ 支承面摩擦系數 ○ ─ ─ ○ ─ 屈服緊固軸力 ○ ─ ─ ─ △ 屈服緊固扭矩 ○ ○ ─ ─ △ 極限緊固軸力 ○ ─ ─ ─ △ 注：①、在測試扭矩系數、螺紋摩擦系數和支承面摩擦系數時，對標有“○”的項目，即初始預緊力、緊固扭矩、螺紋扭矩和支承面扭矩需同時測試并記錄。 ②、在測試屈服緊固軸力、屈服緊固扭矩和極限緊固軸力時，對標有“△”和“○”的項目，即初始預緊力、緊固扭矩和緊固轉角需同時測試并記錄。但在只求極限緊固軸力時，可僅測試預緊力的最大值。 3、 試驗裝置及試驗條件 為了對試驗裝置有統一規定，標準中第4.1~4.6條較詳盡地提出了要求。 標準中對試件和墊片做了規定，并且標準圖1 給出了試件裝夾示意圖。 標準規定了試驗裝置及試驗條件應能滿足下列條件： ⑴、試驗裝置在測試中，應該可以采用連續記錄或者指示計讀取； ⑵、試驗裝置可自動或手動操作，可對螺栓頭部或螺母施加緊固扭矩； ⑶、緊固扭矩、螺紋扭矩、支承面扭矩和初始預緊力的測定精度（誤差率），無特殊規定時，可采用±2％。 ⑷、求屈服緊固軸力和屈服緊固扭矩時，緊固轉角值應在線性范圍內測定。 ⑸、在緊固軸力范圍內進行試驗時，緊固特性應是線性的。 ⑹、試件原則上只能使用一次； ⑺、在試驗中，擰緊螺母時，螺栓不得轉動；擰緊螺栓時，螺母也不得轉動。并且試驗中，標準墊片也不得轉動。 ⑻、試驗時，必須明確螺栓、螺母、墊圈和墊片的技術條件、試件的裝夾方式、潤滑條件、擰緊速度以及試驗環境等； ⑼、擰緊速度一般以4r/min為宜； ⑽、A類試驗用標準墊片，B類試驗用實用墊片。但實用墊片的形狀與尺寸應與標準墊片一致。 4、 緊固特性的計算式 本標準所述的計算式與GB/T16823.2-1997《螺紋緊固件緊固通則》標準第5章中規定的計算式是完全一致的。 －－扭矩系數按公式1； ――螺紋摩擦系數按公式2； ――支承面摩擦系數按公式3。 5、 試驗報告 標準中對試驗報告的內容做了較詳細的規定。

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