冲击载荷下螺纹连接残余应力检测：残余扭矩扳手测量有效性验证

一、研究背景与问题提出

螺纹连接是机械装备、土木工程、航空航天等领域应用广泛的可拆卸连接方式，其连接可靠性直接关系到整个结构的运行安全。在风电主轴连接、汽车发动机紧固件、桥梁节点螺栓、高铁轨道扣件等典型工程场景中，螺纹连接件长期承受交变冲击载荷作用，初始预紧应力会发生不同程度的松弛，残余预紧应力不足会引发连接面滑移、紧固件疲劳断裂等严重安全事故。据中国特种设备检测研究院统计，超过30%的机械结构失效事故与螺纹连接残余预紧应力不足直接相关，因此对在役螺纹连接的残余应力进行定期检测，是保障结构安全运行的核心环节。

目前工程领域常用的残余应力检测方法包括X射线衍射法、钻孔法、超声检测法等，这类方法虽然检测精度较高，但存在设备成本高、检测流程复杂、难以现场快速检测等缺陷，不适用于大规模在役检测场景。残余扭矩扳手测量法凭借操作简便、设备成本低、无需对结构进行破坏改造等优势，成为工程现场常用的残余预紧应力快速检测方法。其基本原理是：通过施加递增扭矩，记录螺栓刚发生转动时的扭矩值，将该扭矩值近似等同于螺栓当前的残余扭矩，再通过扭矩-预紧力关系换算得到残余预紧应力。

然而，现有残余扭矩扳手测量法的有效性大多基于静载条件下的经验总结，针对冲击载荷作用后的螺纹连接，该方法是否仍然能够准确反映真实残余应力尚未得到系统验证。冲击载荷会引发螺纹牙间的塑性变形、接触面微观形貌改变、摩擦系数波动等一系列变化，这些变化是否会影响残余扭矩转动法的测量精度，测量偏差的主要来源是什么，目前学界和工程界都缺乏明确的结论。基于此，本文开展冲击载荷循环作用后螺纹连接残余应力的对照试验，通过与应力片实测结果对比，验证残余扭矩扳手测量法的有效性，并分析不同条件下测量误差的变化规律，为工程现场检测提供参考依据。

二、残余扭矩扳手测量法的基本原理

2.1 测量方法流程

残余扭矩扳手测量法也被称为“转动起点法”，其标准检测流程可以分为三个步骤：第一，在被测螺栓标记位置线，将螺栓头与被连接件表面的相对位置记录下来；第二，使用扭矩扳手缓慢递增施加扭矩，同时通过放大镜或者位移传感器观察螺栓头的转动状态；第三，记录螺栓刚发生可观测转动瞬间的扭矩值，该值即为测量得到的残余扭矩，再通过扭矩系数公式计算得到残余预紧力：，其为残余扭矩，$K$为扭矩系数，$d$为螺栓公称直径，最终得到螺栓杆的残余预紧应力，为螺栓杆应力截面积。

2.2 理论假设与核心逻辑

该方法成立的核心理论假设包括两点：第一，螺栓刚发生转动时，外扭矩刚好克服残余预紧力产生的总摩擦力矩，此时外扭矩等于残余扭矩；第二，螺纹连接的扭矩系数在安装后保持不变，冲击载荷作用不会改变扭矩系数的稳定性，因此可以用初始标定的扭矩系数换算残余预紧应力。如果冲击载荷作用破坏了上述两个假设条件，就会导致测量结果出现系统性偏差，而当前工程领域普遍忽略了这一问题，直接沿用静载条件下的测量逻辑，这也是引发检测误差的潜在原因。

三、试验方案设计

3.1 试样制备与参数设置

本次试验选用工程领域常用的M16高强度螺栓，性能等级为8.8级，螺栓杆应力截面积，配对螺母为标准六角螺母，被连接件为Q235钢板，厚度均为20mm，连接总厚度40mm。共制备12组相同规格的试样，按照预设的冲击载荷循环次数分为4组，分别为0次（对照组，静载状态）、1000次、5000次、10000次，每组3个平行试样，减少试验随机性影响。

3.2 加载方案与残余应力预置

首先对所有螺栓进行初始预紧，控制初始预紧应力为400MPa，接近8.8级螺栓屈服强度的70%，符合工程设计要求。初始预紧完成后，将试样安装到疲劳冲击试验机上，施加轴向冲击载荷，冲击载荷幅值为120MPa，频率为5Hz，按照分组设定完成对应循环次数的冲击加载。冲击加载完成后，试样内部形成稳定的残余应力，等待24小时让应力充分松弛后再进行检测。

3.3 对照检测方案

为了验证残余扭矩扳手测量法的有效性，本次试验采用两种方法同步检测残余应力，对比测量结果：

· 方法一：应变片直接测量法，作为真实残余应力的参考标准。在螺栓杆中部开槽粘贴高温应变片，整个加载和检测过程中应变片实时采集螺栓杆的轴向应变，通过应变-应力关系直接计算得到冲击载荷后的残余应力，测量精度可以达到±1%，作为真值参考。

· 方法二：残余扭矩扳手测量法，按照工程标准流程操作，使用精度等级为0.5级的数显扭矩扳手，记录螺栓刚发生转动时的扭矩值，采用初始标定的扭矩系数换算残余预紧应力，每个螺栓重复测量3次，取平均值作为测量结果。

试验过程中同时记录螺纹接触面、螺栓头与被连接件接触面的摩擦系数变化，分析摩擦系数对测量结果的影响。

四、试验结果与数据分析

4.1 不同冲击次数下的测量结果对比

从试验结果可以得到初步结论：第一，在无冲击的静载对照组中，残余扭矩扳手测量法的平均相对误差仅为1.61%，测量精度满足工程要求，验证了静载条件下该方法的有效性；第二，随着冲击循环次数增加，残余应力实测值逐渐降低，符合冲击载荷引发预紧应力松弛的基本规律，同时残余扭矩扳手测量法的相对误差逐渐增大，冲击10000次后平均相对误差达到13.50%，最大绝对偏差接近50MPa，已经超出了工程检测允许的误差范围（一般工程要求检测误差不超过5%）。

4.2 误差来源分析

试验过程中同步测量了冲击前后的摩擦系数变化，结果显示：初始状态下，螺纹接触面平均摩擦系数为0.14，螺栓头与被连接件接触面平均摩擦系数为0.12；冲击10000次后，两个接触面的摩擦系数分别下降到0.10和0.09，摩擦系数平均下降了21%左右。摩擦系数下降是测量误差的核心来源，具体分析如下：

螺纹连接的总扭矩可以分解为螺纹摩擦力矩、支撑面摩擦力矩和螺栓杆扭转变形力矩三部分，其中摩擦力矩占总扭矩的90%以上，总扭矩可以表示为：，其中为螺纹中径，为螺纹升角，为螺纹当量摩擦角，为支撑面摩擦系数，为支撑面等效直径。可见总扭矩与摩擦系数呈线性正相关，当冲击载荷引发接触面摩擦系数下降后，相同残余预紧力对应的总摩擦力矩降低，因此转动螺栓需要的外扭矩也会降低，残余扭矩扳手测量得到的扭矩值偏小，最终换算得到的残余应力也偏小，这与试验中测量结果普遍低于真值的规律一致。

除此之外，冲击载荷引发的螺纹牙塑性变形也会影响测量结果：冲击循环作用下，螺纹牙的接触部分会发生局部塑性碾压，螺纹牙间的间隙减小，接触面积增大，虽然接触面积增大会一定程度增加摩擦力，但是摩擦系数下降的影响占主导地位，因此整体仍然表现为总摩擦力矩下降。另外，冲击载荷引发螺栓杆的疲劳软化，会使得螺栓转动起点的判断出现偏差，进一步增加测量的随机误差。

4.3 不同初始预紧应力下的误差规律

为了进一步分析误差规律，本次试验补充了初始预紧应力为300MPa和500MPa两组试样，冲击10000次后的测量结果显示：当初始预紧应力为300MPa时，平均相对误差为11.2%，当初始预紧应力为500MPa时，平均相对误差为15.7%，说明初始预紧应力越高，冲击后测量误差越大。原因在于高预紧应力条件下，接触面的正压力更大，冲击过程中接触面微观凸起的塑性变形更充分，摩擦系数下降幅度更大，因此测量误差也更大。

五、结论与工程建议

本次通过对照试验系统验证了冲击载荷作用后螺纹连接残余应力检测中残余扭矩扳手测量法的有效性，得到以下主要结论：

1. 静载条件下无冲击作用时，残余扭矩扳手测量法的测量误差小于2%，能够满足工程检测精度要求，方法有效性得到验证。

2. 冲击载荷循环作用后，残余扭矩扳手测量法的测量误差会随冲击次数增加逐渐增大，当冲击循环次数达到10000次时，平均相对误差超过13%，无法满足工程检测的精度要求，测量结果普遍低于真实残余应力，会高估预紧应力松弛程度，引发不必要的螺栓更换，增加运维成本。

3. 冲击后摩擦系数下降是测量误差的核心来源，冲击载荷引发接触面微观塑性变形，降低了接触面摩擦系数，使得相同残余预紧力对应的转动扭矩降低，最终导致测量结果偏小，初始预紧应力越高，误差越大。

针对工程现场检测提出以下建议：第一，对于承受低次数冲击或基本承受静载的螺纹连接，可以继续采用残余扭矩扳手测量法进行快速检测，误差在可接受范围内；第二，对于承受长期交变冲击载荷的在役螺栓（如风电螺栓、轨道扣件螺栓等），采用残余扭矩扳手测量法时需要引入摩擦系数修正系数，根据冲击服役年限修正测量结果，或者结合超声法等其他检测方法进行校准，避免出现大的检测误差；第三，建议后续开发带摩擦系数现场标定功能的残余扭矩检测设备，提高冲击载荷条件下的检测精度。