液压扳手油压与上紧力的分析探讨

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 420223)

液压扳手是一种高效的螺栓上紧专业工具，它与液压拉伸器是同时期发展起来的，其具有工作效率高、上力均匀、完全可以控制螺栓上紧力的大小等优点。在石油、化工、电厂等工业装置的安装中，液压扳手上紧高压螺栓越来越多地被使用。特别是对M64以下高压螺栓的上紧，使用液压扳手更能显示出其优越性。大于M64的高压螺栓上紧，则更多地使用液压拉伸器。

本文进行了液压扳手油压与螺栓上紧力的分析探讨，并提供了两者间的转换关系，为工程设计及施工中应用该项技术提供了方便。

1 液压扳手上紧油压的问题

不论是液压拉伸器，还是液压扳手，它们对螺栓的上紧力都是通过其系统的油压表反映出来的。对于液压拉伸器而言，因其油缸产生的拉力是沿上紧螺栓轴线的方向，故螺栓在轴线方向获得的上紧力可由油压和油缸面积直接相乘而得出。若已知所需的上紧力，则可以直接求得油压值，该值作为控制上紧操作的油压指示控制值。而对于液压扳手而言，则情况有所不同，到目前为止，还没有人给出相应公式来反映液压扳手上紧力与液压扳手油压的关系。液压扳手制造厂商仅提供出螺栓规格及对应的液压扳手上紧油压值，以解决使用的问题，但这显然是不够的，因为上紧力与密封的形式有很大的关系，不单单是由螺栓规格尺寸这一单一因素所决定。因此，有必要对液压扳手上紧螺栓的问题进行详细地分析，推出相应的计算方法。

市场上的液压扳手，型号规格繁多，但应用时提供的技术数据与螺栓上紧力精确控制之间，也还存在不够方便的问题，这个问题就是油压与上紧力的换算。表1是某厂的液压扳手技术数据，但是表中没有提供对应数据或换算公式。该厂大功率液压扭矩扳手是通过液压缸的推力，经过曲柄系统形成力矩，带动螺母转动一个角度，并以此扭矩传送到螺栓联接上，按要求预紧螺栓。它是由扳手、套筒、高压油泵、换向阀及其带快速接头的高、低压胶管组成。

表1 某厂的液压扳手技术数据

注：液压扭矩扳手均配置超高压电动油泵、高压油管、套筒等全套。

2 液压扳手上紧过程中受力分析

选择螺栓、螺母、垫片和被连接件作为研究对象，绘出受力图，进行分析。螺栓联接示意见图1。

图1 螺栓联接示意

螺母A在旋转时，螺母将沿着螺栓B上的螺纹面运动，产生周向位移和沿螺栓轴向的位移。可以将其简化成滑块在斜面上受力的情况，螺母即为滑块，螺纹中经处展开即为斜面，垫片和被联接件可以作为一体(视为C)，其对螺母产生的摩擦力和轴向力作用在A上。系统的受力见图2，螺母受力图(不含力矩)见图3，螺母所受力矩见图4，力平衡矢量见图5。

图2 系统的受力

图3 螺母受力图

图4 螺母所受力矩

图5 力平衡矢量

由图5可得：

Ft-F端-F′tg(λ+β′)=0

(1)

由图4可得：

T-T1-T2=0

(2)

联立(1)、(2)求解，即推动螺母的力与螺母端面摩擦力及螺纹面摩擦力平衡，同时考虑力矩平衡情况。

在拧紧螺母时，液压扳手力矩T，需要克服F′在螺纹斜面间的摩擦力矩T1和F端在螺母底面与被联接件支承面(此处为垫片)之间的摩擦力矩T2。在此过程中，沿螺栓轴向将产生上紧力F′，而螺纹部分将受到摩擦力矩T1=F′tg(λ+β′)d2/2作用(d2为螺纹的中径)，螺母与被连接件支承面(此处为垫片)之间的摩擦力矩T2=1/3×fs×F′(D13-d03)/(D12-d02)。液压扳手力矩T大于或等于摩擦力矩T1与T2之和时，才能实现拧紧螺母的目的，故取：

T1+T2=F′tg(λ+β′)d2/2+1/3×fs×

F′(D13-d03)/(D12-d02)

=F′×[tg(λ+β′)d2/2+1/3×fs×

(D13-d03)/(D12-d02)]

令：KT= tg(λ+β′)d2/2+1/3×fs×(D1-d0)

则，

T=KTF′

(3)

其中，D1=1.7d；d0为被联接件螺孔直径；λ为螺纹升角，λ=2°30′；β′为螺纹斜面间的当量摩擦角，β′=tg-10.15；fs为螺母与支撑面(有垫片时为垫片或无垫片时为被连接件)之间的摩擦系数，钢制螺母与钢制垫片(或无垫片的钢制被联接件)之间无润滑摩擦，取fs=0.15 ，有润滑fs=0.05～0.1；d为螺栓直径；d2为螺栓螺纹中径，d2=0.9d；M为螺纹圈数；P为螺距。

3 上紧油压通式推导

对于液压扳手而言，输出的力矩等于油缸推力PA(P为油压，A为油缸面积)乘以力臂L(L为油缸轴线距上紧螺栓中心距)，即T=PAL。对于一个油缸上紧一个螺栓的情况，则代入(3)式，有：

PAL=KTF′

故：

P=KTF′/AL

(4)

公式(4)即为液压扳手上紧力与油压间的关系式。

一个油缸，同时上紧N个螺栓，则P=NKTF′/AL，此为通式。

4 通式的运用

通式中上紧力F′应根据不同的密封面结构来计算。对于双锥密封和平垫密封的情况，HG/T 21573—95高压螺栓和螺栓液压上紧装置中已经给出了其上紧力F′的计算。而对于液压扳手所使用的主要场合，如透镜垫密封的螺栓上紧，其上紧力没有理论公式。H1～31—1967高压管、管件及紧固件通用设计中，根据实际试验归纳出的经验公式可以作为上紧力的计算依据。该公式仅针对32MPa和22MPa压力等级系列。其给出总的上紧力，如下：

32MPa 压力系列，F总′=5.85DK2；

22MPa 压力系列，F总′=5.14DK2。

每个螺栓上紧力F′=F总′/n，其中n为法兰螺栓数量；

对于透镜垫密封时，液压扳手上紧油压为：

32MPa 压力系列，P=5.85KTNDK2/(ALn)

(5a)

22MPa 压力系列，P=5.14KTNDK2/(ALn)

(5b)

公式(5a)和(5b)中的KT值在0.1～0.3之间。可通过公式进行准确的计算获得油压P，也可根据经验取KT的值，以简化计算得到油压P。当然，在出现密封泄漏时，根据KT的范围可以很方便地调整上紧油压，以达到再次密封的目的。

对于上紧过程，液压扳手的油压控制值可以按照公式(5a)或(5b)计算的油压取值；而对于拆卸螺栓时，液压扳手的油压要比公式(5a)或(5b)计算的油压值略高一些时才能卸下螺栓。

考虑到实际操作中各种因素的影响，为稳妥地上紧，可将计算油压值P放大10%～20%；即增加一个可靠系数1.1～1.2，实际油压P实=1.1～1.2P。

5 应用

针对透镜垫密封的情况，将第1章中厂家数据表进行完善，我们可以取KT值为0.3，可靠系数为1.2。螺栓的上紧载荷如下：

(1)32MPa 压力系列，F总′=5.85DK2，则：

P=5.85KTNDK2/(ALn)=0.3×1.2×N×5.82DK2/(ALn)=0.36NF总′/(ALn)

(2)22MPa 压力系列，F总′=5.14DK2，则：

P=5.14KTNDK2/(ALn)

=0.3×1.2×N×5.14DK2/(ALn)

=0.36NF总′/(ALn)

即：在(1)与(2)的情况下，公式均为：P=0.36NF总′/(ALn)，将相关公式加入到应用表中，完善使用说明见表2。

表2 螺栓的上紧载荷

注：厂家可以提供AL，简化上式。

6 结语

本文分析了液压扳手上紧螺栓过程中的受力情况，推出了液压扳手的螺栓上紧油压计算通式，即P=KTNF′/AL，该公式适合于双锥、平垫、八角垫及透镜垫密封的情况。考虑到液压扳手更多的是用于透镜垫密封的螺栓上紧，故进一步给出了透镜垫密封时，液压扳手上紧油压的计算公式5(a)和5(b)。