1 研究现状
风力发电机组总装一般采用扭矩拧紧法对各种高强度螺栓进行预紧，通常每个螺栓在使用扭矩扳手预紧前都需要涂上润滑剂，以降低连接副的摩擦系数。这样不仅可以减少螺栓与配合面之间的摩擦阻力，降低螺栓卡死的发生率，而且可以实现更低更稳定的扭矩系数，从而更容易、更稳定地将预紧力传递到固定部位，产生更接近设计值的螺栓轴力。
Croccolo等[1]研究了螺纹表面涂层和润滑剂如何改变其摩擦性能和相互作用，发现两者都很重要，且在不同的润滑位置其影响不同。王长川等[2]探究了不同润滑剂及其组合对不同接头的影响，发现二硫化钼润滑剂与润滑油一起使用时，可以产生协同效应，从而显著提高润滑效果。其中，二硫化钼润滑剂更适用于精度高、卡死率高的接头，如使用锁紧螺母时。从预紧性能和经济效率考虑，润滑油更适用于普通较小尺寸的接头。尽管如此，现有关于不同润滑条件对大尺寸高强度螺栓预紧力影响的扭矩系数试验研究还比较有限。因此需模拟风电现场工况，探究润滑剂用量、润滑方式对螺栓预紧力的影响，在保证螺栓连接可靠性和装配效率的前提下，找到合理的润滑剂用量和润滑方式，验证可靠、高效的润滑工艺。
2 基本原理
扭矩拧紧法是利用扭矩与预紧力之间的线性关系在弹性范围内控制拧紧的方法，它只控制设定的拧紧扭矩来拧紧螺栓。拧紧质量受螺纹部分摩擦系数的影响很大，导致拧紧扭矩中只有约10%真正作用在轴向预紧力上，其余部分主要用于克服螺纹摩擦和轴承表面摩擦。预紧力的分散程度会随着拧紧过程中对摩擦等因素的控制程度而变化。一般扭矩拧紧法设计的预紧力不会超过螺栓屈服强度的70%。在载荷计算中，分散度的数值约为23%，这表明螺栓的稳定性和利用率不高。
对于承受相同扭矩载荷的螺栓，螺栓的轴力与扭矩系数成反比，因此可以从螺栓扭矩系数的变化间接入手分析预紧力的影响。从稳定性角度考虑，标准差比扭矩系数更重要，因此主要比较扭矩系数及其标准差和离散系数。
扭矩系数：
式中：K为扭矩系数；T为施加扭矩；P为螺栓轴力；D为螺栓螺纹规格。
标准差：在概率统计中最常用的是作为统计分布程度的度量。标准差越小，意味着这些值越接近平均值。其公式为：
其中：σ为标准差；n为样本总数；xi代表每个数据点；x为平均值。
离散系数：离散系数又称变异系数或标准差，是能直接度量数据离散程度的统计指标。一般离散系数越小，数据离散程度越小。其公式为：
3 实验对比
3.1 检测方案
检测设备为校准有效期内的微机控制扭转试验机，其最大扭矩范围为2 000 N·m，试验机精度等级为0.5级，荷载精度为±1%。根据检验标准GB/T 1231-2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母及垫圈技术要求》[3]，螺栓扭矩系数检测步骤设计如下：
1）螺栓扭矩系数试验在恒定室温下进行；
2）清理螺纹表面杂质，用通止规检查螺栓、螺母，确保连接副符合精度要求；
3）按制定的润滑计划对连接副进行处理；
4）为防止垫圈转动，在垫圈底部加砂纸；
5)试验时扭转试验机均匀加载至1400 N·m；
6)对每组每次测试数据取平均值并汇总，进行比较分析。
注：考虑到风力发电机组安装及运行维护过程中需对螺栓进行预紧并反复安装、拆卸多次，为更加准确地模拟现场工况，连接副需进行多次安装、拆卸，且保证每次加载后冷却至室温后方可进行下一次加载。
3.2 统计
扭矩系数取8组连接副的算术平均值作为试验结果，根据公式（2）（3）计算相应数据，并汇总到表1中。
序列1润滑条件的“正常涂覆”方式是螺栓螺纹、垫片（与螺母接触面）、螺母（与垫片接触面）均均匀涂覆（图1）；序列8润滑条件的“厚涂覆”方式是螺栓螺纹涂覆至堆积或流淌的程度（图2）；序列9润滑条件的“不均匀涂覆”方式是螺栓螺纹随机漏涂（图3）；序列11润滑条件的螺纹“条状涂覆”方式是将四条润滑剂均匀涂覆在螺栓螺纹上（图4）。序列17润滑条件中的干燥时间为1小时，自然风干。
3.3 差异对比分析
如表1所示，螺栓、垫圈和螺母均匀涂抹润滑剂的螺栓，其平均扭矩系数为0.157 8，分散系数为3.929 0%，将以此作为后续对比的基准数据。螺栓中无润滑剂时，平均扭矩系数达到最大值0.277 7，分散系数为5.437 5%。无润滑与全润滑的扭矩系数相差较大，约为全润滑的1.7倍，且分散系数较大。半润滑（序列3）螺栓的扭矩系数与正常使用相比略有增加，约为1.5%，但其标准差和分散系数均有15%的下降；螺栓的扭矩系数在重复使用后会逐渐下降（排除温升影响）。经过反复使用3~4次后，扭矩系数逐渐减小至一定值并保持稳定。
对复杂工况下连接副的位置、厚度及正常润滑等数据进行了对比，得出以下结论：
1）针对不同润滑位置及润滑方式对螺栓扭矩系数的影响钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件，对比了螺纹涂层不均匀（序列9）、螺纹仅在旋拧位置涂层（序列10）、正常涂层（序列1）和螺纹条带涂层（序列11）的试验数据。结果表明，这4种润滑条件的扭矩系数和分散系数值逐渐减小，其中条带涂层试验数据最好，如图5所示；仅在旋拧位置涂层或螺纹涂层不均匀都会增大螺栓的扭矩系数和分散系数。螺纹涂层不均匀（序列9）和螺纹仅在旋拧位置涂层（序列10）的标准差在国家规定值0.01附近，分散系数处于较高值。
2）关于润滑剂用量对螺栓扭矩系数的影响，对比了序列5~序列8四种润滑条件下的试验数据，结果表明：涂层较薄的螺栓，扭矩系数呈减小趋势，但分散系数会增大；涂层较厚的螺栓，分散系数会减小，但扭矩系数会增大。以上数值变化均在正常范围内。
3）针对现场复杂的润滑条件，对比了序列12至序列20的9种润滑条件下的试验数据。结果表明：当螺栓螺纹表面有油污、灰尘、水污、铁锈等附着时，螺栓的扭矩系数和分散系数均比正常涂覆时大。其中，螺栓螺纹表面的水污和铁锈对螺栓的分散性影响较大；轴承脂和油污对螺栓的影响较小；当螺栓螺纹表面有灰尘时，螺栓的扭矩系数和分散系数在正常范围内，但为正常的高值。
4 结论与启示
扭矩紧固一直是螺栓紧固最常用的方法，因为紧固工具价格低廉，操作简便。但目前行业标准对于紧固润滑的工艺要求和规定不够详细，实际操作中容易出现不同的涂层图案，进而导致螺栓扭矩系数不同。在相同的预紧扭矩下，可能存在螺栓实际轴力分散性大，连接不稳定、不可靠等风险。
本文通过对M30高强度螺栓在各种润滑条件下的实测数据进行定量对比，得出不同润滑条件下螺栓扭矩系数及其离散变化的规律和结论：
1）在螺栓未润滑或潮湿时涂抹润滑剂，对扭矩系数的影响会比较大；即使螺栓受潮后短时间干燥，或生锈后再使用，扭矩系数的分散系数仍会受到较大影响。因此，对于采用扭矩法安装的螺栓，应做好螺栓的防潮、防水、防锈工作。
2）只在螺栓螺纹处均匀涂上润滑剂（半润滑）的数据远优于未涂润滑的数据，接近于正常润滑，虽然扭矩系数比正常润滑略高，但稳定性提高了。
3）螺纹处润滑剂涂抹不均匀、只在拧紧位置涂抹、螺纹上有灰尘时涂抹润滑剂，都会对螺栓扭矩系数的分散系数产生较大的影响。
4）螺纹带状涂层各方面数据较好，但实际操作时很难保证按要求涂敷数量和长度，容易造成涂敷不均匀或只在旋入位置涂敷，导致扭矩系数及其标准偏差偏大，因此在润滑较大尺寸的螺栓时不建议采用带状涂层。
5）如果螺栓上有油污、轴承油脂，或者螺栓有轻微损伤，修复后润滑正常，对螺栓的扭矩系数会造成轻微影响，不需要干预。
6）连接副涂抹润滑剂的厚度差异对螺栓扭矩系数影响不大，但涂抹不均匀会增大螺栓扭矩系数的分散性。
因此，对于分散性要求严格的场景，为了兼顾螺栓的紧固质量与涂抹的规范性，建议采用“正常涂抹”的全润滑方式，即用干净的硬毛油漆刷将润滑剂薄薄均匀地涂抹到干净的连接面上的规定位置，其量以足以覆盖螺栓表面为准钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件，既不能太少而露出螺栓的金属表面，也不能太多而堆积或流淌在螺栓的金属表面上。对于普通螺栓的安装，可以兼顾装配工艺和安装效率要求，考虑选择半润滑（只对螺栓螺纹部分进行润滑）或条带式润滑工艺。
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[参考]
[1] CROCCOLO D,DE AGOSTINIS M,FINI S等.不同螺钉涂层和润滑剂对螺栓摩擦学性能的影响:实验研究[J].国际摩擦学杂志,2017,107:199-205.
[2]王长川,杜丽清,金文伟,等.螺纹润滑对螺纹副扭矩系数及拧紧工艺的影响[J].内燃机及附件,2018(8):50-52.
[3] 钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母与垫圈技术条件:GB/T 1231—2006[S].
