一起学习：螺栓和螺母的扭矩和张力

扭矩是使物体旋转的力，而张力是使物体拉伸或伸长的力。

螺栓扭矩和张力如何相关？

      扭矩是一种通过拉伸螺栓来产生拉力的方法。为了直观地显示导致螺栓拉伸的旋转力，请考虑螺栓的螺纹作为楔块或缠绕在螺栓体上的斜面。当扭矩施加在螺栓上且螺栓相对于螺母或螺纹孔旋转时，配合螺纹之间的楔入作用使螺栓拉伸，压缩夹紧构件。这种楔入动作类似于最早的紧固件形式之一的原理，这种无螺纹螺栓被称为罗马帝国时期的锁紧螺栓。如图1b所示，将一个前锁或楔子锤入这个陈旧螺栓一端的槽中，以产生张力。

扭矩是工业设置和家庭中最常用的方法，用于在接头中产生螺栓张力及其对应的夹紧载荷。在大多数应用中，这是一种极为可行且具有成本效益的螺栓接头组装方法。手动扳手和手动扭矩扳手主要用于较小的螺栓直径（≤1 in.[≤25 mm]），而对于直径大于1 in.（25 mm）的螺栓，则首选冲击扳手和液压扭矩扳手。

扭矩在产生螺栓张力时准确吗？

为了正确回答这个问题，首先考虑只有大约10-15%的输入扭矩实际拉伸了螺栓；其余85-90%的输入扭矩主要用于克服配合螺纹之间的摩擦和螺栓头或螺母下的摩擦。摩擦取决于许多变量，包括但不限于润滑剂类型和条件、表面粗糙度、镀层和材料，因此，即使在同一组件中的螺栓之间，摩擦也可能会发生显著变化。此外，由于摩擦力主导了扭矩-张力关系，即使摩擦力发生微小变化，也会导致螺栓张力发生显著变化。

       因此，扭矩是在螺栓中产生张力的最常见方法，也是最不准确的方法，这一点也就不足为奇了。普遍的共识是，扭矩控制导致的螺栓张力变化为±25%至±35%。高达±35%的变化意味着在完全相同的测量扭矩下，一个螺栓的张力可能小于另一个螺栓张力的50%。在考虑到扭矩值可接受范围内的任何公差后，变化可能会更大。因此，精确扭转的螺栓接头并不等同于精确张紧的螺栓接头。

产生螺栓张力的替代方法

       在关键螺栓连接中，单独的扭矩控制往往不够精确，无法提供安全有效的螺栓连接；创建螺栓张力的其他方法通常更合适，或者需要验证螺栓张力的补充方法。此外，随着螺栓直径的增加，扭矩在物理上变得不太可行或太耗时，有必要使用替代方法。

液压张紧，无论是螺栓张紧器还是液压螺母形式，都使用液压来拉伸螺纹紧固件。由于液压可以轻松准确地测量，而且液压缸的压力面积保持不变，因此液压张紧比扭矩控制方法具有更好的精度（螺栓张力变化<±10%）。在这两种液压张拉方法中，需要注意的是，不存在高扭矩旋转力及其相关摩擦。这种在高负载下接触的滑动面的缺乏将螺纹磨损的风险降至最低，这是液压张紧的另一个优点。

螺栓张紧器是一种工具，用于抓取和拉动螺母外突出的螺纹，如图3和图4所示。液压螺母采用了相同的原理，即使用液压拉伸螺栓，但其功能不仅仅是张紧工具。通过更换应用中的标准螺母，液压螺母成为结构螺栓接头的一部分。达到适当的压力后，液压螺母的锁环以机械方式保持螺栓的张力。

       液压螺母的一个显著特点是可以同时拉紧螺栓接头中的所有螺栓。通过消除拧紧模式或顺序的需要，可以缩短组装和拆卸时间。此外，相邻螺栓之间的串扰或负载分担被最小化，从而使螺栓之间的张力更加均匀。

螺栓加热是产生螺栓张力的另一种方法，但通常仅用于非常大直径的螺栓应用。在这种耗时的方法中，使用热量拉伸螺栓或螺柱，同时使用简单的手动工具转动和拧紧螺母。必须直接测量螺栓或双头螺栓的拉伸，但必须在螺栓或双脚冷却后进行测量。重复加热、冷却和测量的迭代过程，直到拉伸达到规定的极限。

指示螺栓张力的补充方法

       有一些补充方法或工具可以与任何扭转或张紧方法结合使用，以更直接地指示螺栓张力，并减少螺栓接头中螺栓张力的变化。这些方法包括实际测量螺栓拉伸，或使用载荷指示装置。

如果可以接触到螺栓的两端，则可以使用卡尺千分尺测量螺栓的实际拉伸。在盲孔应用或更大的螺栓直径应用中，深度千分尺可与放置在螺栓轴向钻孔中的基准杆一起使用，以测量拉伸。测量超声波脉冲飞行时间的设备提供了另一种确定螺栓拉伸的方法。在所有这些测量方法中，需要在测量前后确定拉伸量。

载荷指示装置，如载荷指示紧固件或直接张力指示垫圈也可用。载荷指示紧固件基本上具有内置基准杆，允许以±5%的精度直接测量张力。与测量标准紧固件拉伸的方法不同，载荷指示紧固件在拉伸前不需要进行测量。它们还提供简单的现场和实时张力指示。

结论

       扭矩在大多数应用中都很普遍，可以有效地实现适当的螺栓张力。但在更关键的螺栓连接应用中，如果需要精确的螺栓张力，扭矩变得不切实际，或扭矩会带来安全风险，则其他产生张力的方法，如液压张紧，或其他在扭矩后验证张力的方法（如载荷指示紧固件），都是行之有效的解决方案。

无论采用何种方法产生螺栓张力，在安装过程中获得适当的螺栓张力对螺栓接头的完整性至关重要；安装过程中的过度张力可能会使螺栓承受过大的应力或损坏夹紧的构件，但安装过程中张力不足可能会导致接头分离和/或疲劳导致接头过早失效。

记住：准确地扭转的螺栓连接并不等同于精确张紧的螺栓连接。