緊固軸力測(cè)試：原理、方法與工業(yè)實(shí)踐

在工業(yè)制造與裝備維護(hù)中，緊固件（螺栓、螺母、螺釘?shù)龋┦沁B接各類結(jié)構(gòu)的核心元件。其可靠性直接影響設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性與使用壽命——而緊固軸力（Fastening Axial Force）正是衡量緊固件連接質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。它指的是緊固件在擰緊過程中，螺栓或螺桿受到的軸向拉力，是維持連接面壓力、防止松動(dòng)、抵抗疲勞破壞的根本保障。本文將從原理、測(cè)試方法、影響因素及工業(yè)應(yīng)用等維度，全面解析緊固軸力測(cè)試的重要性與實(shí)踐邏輯。

一、緊固軸力的核心地位：為什么必須測(cè)試？

緊固的本質(zhì)是通過扭矩（或直接拉力）使螺栓發(fā)生彈性變形，從而在連接面產(chǎn)生預(yù)緊壓力。軸力過小會(huì)導(dǎo)致連接松動(dòng)、泄漏（如液壓系統(tǒng)、管道）或疲勞斷裂（如旋轉(zhuǎn)機(jī)械）；軸力過大則可能超過螺栓的屈服強(qiáng)度，造成螺紋滑牙、螺栓拉斷等破壞性失效。

以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為例，缸蓋螺栓的軸力不足會(huì)導(dǎo)致氣缸密封失效，引發(fā) coolant 泄漏或動(dòng)力下降；而軸力過大可能破壞缸蓋的平面度，甚至拉斷螺栓。在風(fēng)電塔筒、核電壓力容器等高端裝備中，軸力偏差10%就可能導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠性下降30%以上。因此，精準(zhǔn)控制與測(cè)試緊固軸力，是避免因緊固件失效引發(fā)重大事故的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

二、緊固軸力的測(cè)試方法：從傳統(tǒng)到智能

目前，工業(yè)中常用的軸力測(cè)試方法可分為直接測(cè)量與間接測(cè)量兩類，各有其適用場(chǎng)景與優(yōu)缺點(diǎn)：

1. 直接測(cè)量法：精準(zhǔn)但需接觸

（1）應(yīng)變片法（Strain Gauge Method）

原理：在螺栓表面粘貼應(yīng)變片，通過測(cè)量螺栓擰緊時(shí)的彈性變形（應(yīng)變），結(jié)合材料的彈性模量（E），計(jì)算軸力（F = ε·E·A，其中ε為應(yīng)變，A為螺栓橫截面積）。
優(yōu)勢(shì)：精度高（誤差≤1%），可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軸力變化；適用于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)或高端裝備的 critical 部位（如航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓）。
局限：應(yīng)變片粘貼工藝復(fù)雜（需除油、固化、防潮），無法重復(fù)使用；不適合量產(chǎn)線的快速測(cè)試。

（2）內(nèi)置式力傳感器法（Embedded Load Cell Method）

原理：將微型力傳感器（如壓電式、應(yīng)變式）集成在螺栓頭部或螺母內(nèi)，直接測(cè)量軸向力。
優(yōu)勢(shì)：安裝方便（類似普通緊固件），可重復(fù)使用；適用于量產(chǎn)線的在線監(jiān)測(cè)（如汽車底盤螺栓）。
局限：傳感器成本高（尤其是高溫、高壓環(huán)境下的特種傳感器）；易受安裝扭矩影響（需校準(zhǔn)傳感器與螺栓的同軸度）。

2. 間接測(cè)量法：高效但依賴校準(zhǔn)

（1）扭矩-軸力關(guān)系法（Torque-Axial Force Correlation）

原理：基于扭矩與軸力的經(jīng)驗(yàn)公式 $T = K \cdot F \cdot d$T=K⋅F⋅d（其中T為扭矩，K為扭矩系數(shù)，d為螺栓直徑），通過測(cè)量扭矩間接計(jì)算軸力。
優(yōu)勢(shì)：操作簡(jiǎn)單（使用扭矩扳手或擰緊機(jī)即可），成本低；適用于量產(chǎn)線的快速檢測(cè)（如家電、建筑機(jī)械）。
局限：誤差大（±10%~20%），因扭矩系數(shù)K受摩擦（螺紋摩擦、支撐面摩擦）、潤(rùn)滑、表面處理等因素影響顯著。需提前通過直接測(cè)量法校準(zhǔn)K值，且每次更換緊固件批次或潤(rùn)滑條件時(shí)需重新校準(zhǔn)。

（2）超聲法（Ultrasonic Method）

原理：利用超聲波在螺栓中的傳播特性——軸力會(huì)改變螺栓的彈性長(zhǎng)度，從而影響超聲波的傳播時(shí)間（聲程）。通過測(cè)量擰緊前后的聲程差，計(jì)算軸力（$F = \frac{E \cdot A \cdot \Delta t \cdot v_0}{2 \cdot L_0}$F=2⋅L0?E⋅A⋅Δt⋅v0??，其中Δt為聲程差，v?為無應(yīng)力時(shí)的聲速，L?為螺栓原始長(zhǎng)度）。
優(yōu)勢(shì)：非接觸、無損傷；可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)（如風(fēng)電塔筒螺栓的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)）；精度較高（誤差≤5%）；適用于高溫、高壓等惡劣環(huán)境。
局限：需校準(zhǔn)聲速（不同材質(zhì)、熱處理狀態(tài)的螺栓聲速不同）；對(duì)螺栓表面光潔度要求高（需去除氧化皮、油污）。

三、影響緊固軸力的關(guān)鍵因素

軸力的準(zhǔn)確性不僅取決于測(cè)試方法，還受以下因素影響：

1. 摩擦系數(shù)

摩擦是扭矩轉(zhuǎn)化為軸力的主要損耗（約占扭矩的50%~80%）。螺紋副（螺栓與螺母的螺紋）、支撐面（螺母與被連接件的接觸面）的摩擦系數(shù)越高，相同扭矩下的軸力越小。
控制措施：采用潤(rùn)滑（如螺紋膠、黃油）、表面處理（如鍍鋅、滲硫）降低摩擦；定期檢測(cè)摩擦系數(shù)（如通過扭矩-軸力試驗(yàn)機(jī)校準(zhǔn)）。

2. 擰緊工藝

• 擰緊方式：手動(dòng)擰緊誤差大（±20%以上），氣動(dòng)/液壓擰緊機(jī)精度高（±5%以內(nèi)），伺服擰緊機(jī)可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制（±3%以內(nèi)）。
• 擰緊速度：速度過快會(huì)導(dǎo)致摩擦熱增加，降低摩擦系數(shù)，使軸力偏大；需根據(jù)緊固件規(guī)格設(shè)定合理速度（如M12螺栓的擰緊速度≤30rpm）。
• 擰緊順序：多螺栓連接（如發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋）需遵循對(duì)稱、分步擰緊原則（如先預(yù)緊至50%扭矩，再依次擰緊至目標(biāo)值），避免軸力分布不均。

3. 緊固件本身特性

• 材質(zhì)與強(qiáng)度：高強(qiáng)度螺栓（如10.9級(jí)、12.9級(jí)）的彈性模量更高，相同變形下的軸力更大；需根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇合適強(qiáng)度等級(jí)。
• 尺寸與加工精度：螺栓直徑偏差、螺紋牙型誤差會(huì)影響摩擦系數(shù)與軸力傳遞；需符合GB/T 196、ISO 898等標(biāo)準(zhǔn)。

4. 環(huán)境因素

• 溫度：高溫會(huì)降低螺栓的彈性模量，導(dǎo)致軸力下降（如發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓在工作溫度下軸力可能降低10%~15%）；需考慮溫度補(bǔ)償。
• 腐蝕：腐蝕會(huì)增加摩擦系數(shù)，同時(shí)削弱螺栓強(qiáng)度；需定期檢查緊固件的腐蝕情況。

四、標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范：確保測(cè)試的一致性

為保證緊固軸力測(cè)試的準(zhǔn)確性與可比性，國(guó)際、國(guó)內(nèi)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)：

• ISO 16047：《緊固件 扭矩-軸力測(cè)試方法》（規(guī)定了扭矩-軸力關(guān)系的校準(zhǔn)與測(cè)試流程）；
• GB/T 16823：《緊固件 軸向力測(cè)試方法》（涵蓋應(yīng)變片法、力傳感器法的具體操作）；
• ASTM F1850：《超聲法測(cè)量螺栓軸力的標(biāo)準(zhǔn)方法》（針對(duì)超聲測(cè)試的校準(zhǔn)與誤差控制）；
• VDA 235-101：《汽車工業(yè) 緊固件擰緊技術(shù)規(guī)范》（德國(guó)汽車行業(yè)的擰緊工藝與軸力要求）。

這些標(biāo)準(zhǔn)明確了測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)要求、操作步驟、數(shù)據(jù)處理方法，是工業(yè)實(shí)踐的重要依據(jù)。

五、工業(yè)應(yīng)用：從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)

緊固軸力測(cè)試廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、風(fēng)電、核電、工程機(jī)械等領(lǐng)域，以下是典型場(chǎng)景：

1. 汽車制造：量產(chǎn)線的在線監(jiān)測(cè)

汽車底盤（如懸掛系統(tǒng)）、發(fā)動(dòng)機(jī)（如缸蓋、曲軸）的螺栓需嚴(yán)格控制軸力。采用伺服擰緊機(jī)+內(nèi)置式力傳感器的閉環(huán)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)反饋軸力值，確保每顆螺栓的軸力在目標(biāo)范圍內(nèi)（如±5%）。對(duì)于關(guān)鍵部位（如發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋），還會(huì)采用超聲法進(jìn)行抽檢，驗(yàn)證在線測(cè)試的準(zhǔn)確性。

2. 航空航天：高精度要求

飛機(jī)結(jié)構(gòu)（如機(jī)翼、機(jī)身）的螺栓需承受高應(yīng)力、高振動(dòng)，軸力誤差需控制在±2%以內(nèi)。采用應(yīng)變片法或超聲法進(jìn)行100%檢測(cè)，確保每顆螺栓的軸力符合設(shè)計(jì)要求。此外，還會(huì)通過疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證軸力對(duì)螺栓壽命的影響。

3. 風(fēng)電：現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)與監(jiān)測(cè)

風(fēng)電塔筒的螺栓（M30~M60）需承受風(fēng)載、振動(dòng)等交變載荷，易發(fā)生松動(dòng)。采用超聲法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試（無需拆卸螺栓），定期監(jiān)測(cè)軸力變化。若軸力下降超過15%，則需重新擰緊或更換螺栓，避免塔筒倒塌事故。

4. 核電：極端環(huán)境下的可靠性

核電壓力容器的螺栓需在高溫（300℃以上）、高壓（15MPa以上）環(huán)境下工作，軸力測(cè)試需采用高溫應(yīng)變片或光纖傳感器（抗電磁干擾、耐高溫）。測(cè)試結(jié)果需符合RCC-M（法國(guó)核電標(biāo)準(zhǔn)）或ASME BPVC（美國(guó)核電標(biāo)準(zhǔn)）的要求，確保壓力容器的密封性能。

六、未來趨勢(shì)：智能與數(shù)字化

隨著工業(yè)4.0的推進(jìn)，緊固軸力測(cè)試正朝著智能化、數(shù)字化、非接觸化方向發(fā)展：

1. 智能測(cè)試設(shè)備

集成**物聯(lián)網(wǎng)（IoT）與人工智能（AI）**的測(cè)試設(shè)備，可實(shí)時(shí)采集扭矩、軸力、溫度、摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)，通過云端平臺(tái)分析趨勢(shì)（如軸力隨時(shí)間的衰減），提前預(yù)警故障（如螺栓松動(dòng)）。

2. 機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)軸力

通過收集大量扭矩、轉(zhuǎn)速、摩擦系數(shù)等數(shù)據(jù)，訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），實(shí)現(xiàn)扭矩-軸力的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)（誤差≤3%），減少對(duì)直接測(cè)量的依賴，提高量產(chǎn)線的效率。

3. 非接觸式技術(shù)普及

激光干涉法（測(cè)量螺栓的微小變形）、電磁超聲法（無需耦合劑，適用于高溫環(huán)境）等新型非接觸技術(shù)，正逐步替代傳統(tǒng)接觸式方法，提升測(cè)試的便利性與可靠性。

4. 數(shù)字孿生

建立緊固件的數(shù)字孿生模型，實(shí)時(shí)模擬軸力在不同工況下的變化（如溫度、載荷），為設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)提供決策支持（如優(yōu)化擰緊工藝、預(yù)測(cè)螺栓壽命）。

結(jié)語(yǔ)

緊固軸力測(cè)試是工業(yè)可靠性的基石，其核心目標(biāo)是確保緊固件在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)保持足夠的軸力。從傳統(tǒng)的應(yīng)變片法到智能的超聲法，從實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，測(cè)試技術(shù)的發(fā)展始終圍繞“精準(zhǔn)、高效、便捷”的需求。未來，隨著智能技術(shù)的融入，緊固軸力測(cè)試將更深度地參與到產(chǎn)品的全生命周期管理中，為工業(yè)裝備的安全運(yùn)行提供更有力的保障。

無論是汽車制造商的量產(chǎn)線，還是風(fēng)電項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，理解緊固軸力的原理、掌握正確的測(cè)試方法，都是工程師必備的技能——畢竟，一顆螺栓的失效，可能引發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。