緊固軸力測試：原理、方法與工業實踐

在工業制造與裝備維護中，緊固件（螺栓、螺母、螺釘等）是連接各類結構的核心元件。其可靠性直接影響設備的安全性、穩定性與使用壽命——而緊固軸力（Fastening Axial Force）正是衡量緊固件連接質量的關鍵指標。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、抵抗疲勞破壞的根本保障。本文將從原理、測試方法、影響因素及工業應用等維度，全面解析緊固軸力測試的重要性與實踐邏輯。

一、緊固軸力的核心地位：為什么必須測試？

緊固的本質是通過扭矩（或直接拉力）使螺栓發生彈性變形，從而在連接面產生預緊壓力。軸力過小會導致連接松動、泄漏（如液壓系統、管道）或疲勞斷裂（如旋轉機械）；軸力過大則可能超過螺栓的屈服強度，造成螺紋滑牙、螺栓拉斷等破壞性失效。

以汽車發動機為例，缸蓋螺栓的軸力不足會導致氣缸密封失效，引發 coolant 泄漏或動力下降；而軸力過大可能破壞缸蓋的平面度，甚至拉斷螺栓。在風電塔筒、核電壓力容器等高端裝備中，軸力偏差10%就可能導致整個結構的可靠性下降30%以上。因此，精準控制與測試緊固軸力，是避免因緊固件失效引發重大事故的關鍵環節。

二、緊固軸力的測試方法：從傳統到智能

目前，工業中常用的軸力測試方法可分為直接測量與間接測量兩類，各有其適用場景與優缺點：

1. 直接測量法：精準但需接觸

（1）應變片法（Strain Gauge Method）

原理：在螺栓表面粘貼應變片，通過測量螺栓擰緊時的彈性變形（應變），結合材料的彈性模量（E），計算軸力（F = ε·E·A，其中ε為應變，A為螺栓橫截面積）。
優勢：精度高（誤差≤1%），可實時監測軸力變化；適用于實驗室校準或高端裝備的 critical 部位（如航空發動機螺栓）。
局限：應變片粘貼工藝復雜（需除油、固化、防潮），無法重復使用；不適合量產線的快速測試。

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

原理：將微型力傳感器（如壓電式、應變式）集成在螺栓頭部或螺母內，直接測量軸向力。
優勢：安裝方便（類似普通緊固件），可重復使用；適用于量產線的在線監測（如汽車底盤螺栓）。
局限：傳感器成本高（尤其是高溫、高壓環境下的特種傳感器）；易受安裝扭矩影響（需校準傳感器與螺栓的同軸度）。

2. 間接測量法：高效但依賴校準

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

原理：基于扭矩與軸力的經驗公式 $T = K \cdot F \cdot d$ （其中T為扭矩，K為扭矩系數，d為螺栓直徑），通過測量扭矩間接計算軸力。
優勢：操作簡單（使用扭矩扳手或擰緊機即可），成本低；適用于量產線的快速檢測（如家電、建筑機械）。
局限：誤差大（±10%~20%），因扭矩系數K受摩擦（螺紋摩擦、支撐面摩擦）、潤滑、表面處理等因素影響顯著。需提前通過直接測量法校準K值，且每次更換緊固件批次或潤滑條件時需重新校準。

（2）超聲法（Ultrasonic Method）

原理：利用超聲波在螺栓中的傳播特性——軸力會改變螺栓的彈性長度，從而影響超聲波的傳播時間（聲程）。通過測量擰緊前后的聲程差，計算軸力（ $F = \frac{E \cdot A \cdot \Delta t \cdot v_0}{2 \cdot L_0}$ ，其中Δt為聲程差，v?為無應力時的聲速，L?為螺栓原始長度）。
優勢：非接觸、無損傷；可實時監測（如風電塔筒螺栓的現場維護）；精度較高（誤差≤5%）；適用于高溫、高壓等惡劣環境。
局限：需校準聲速（不同材質、熱處理狀態的螺栓聲速不同）；對螺栓表面光潔度要求高（需去除氧化皮、油污）。

三、影響緊固軸力的關鍵因素

軸力的準確性不僅取決于測試方法，還受以下因素影響：

1. 摩擦系數

摩擦是扭矩轉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）的摩擦系數越高，相同扭矩下的軸力越小。
控制措施：采用潤滑（如螺紋膠、黃油）、表面處理（如鍍鋅、滲硫）降低摩擦；定期檢測摩擦系數（如通過扭矩-軸力試驗機校準）。

2. 擰緊工藝

擰緊方式：手動擰緊誤差大（±20%以上），氣動/液壓擰緊機精度高（±5%以內），伺服擰緊機可實現閉環控制（±3%以內）。
擰緊速度：速度過快會導致摩擦熱增加，降低摩擦系數，使軸力偏大；需根據緊固件規格設定合理速度（如M12螺栓的擰緊速度≤30rpm）。
擰緊順序：多螺栓連接（如發動機缸蓋）需遵循對稱、分步擰緊原則（如先預緊至50%扭矩，再依次擰緊至目標值），避免軸力分布不均。

3. 緊固件本身特性

材質與強度：高強度螺栓（如10.9級、12.9級）的彈性模量更高，相同變形下的軸力更大；需根據設計要求選擇合適強度等級。
尺寸與加工精度：螺栓直徑偏差、螺紋牙型誤差會影響摩擦系數與軸力傳遞；需符合GB/T 196、ISO 898等標準。

4. 環境因素

溫度：高溫會降低螺栓的彈性模量，導致軸力下降（如發動機螺栓在工作溫度下軸力可能降低10%~15%）；需考慮溫度補償。
腐蝕：腐蝕會增加摩擦系數，同時削弱螺栓強度；需定期檢查緊固件的腐蝕情況。

四、標準與規范：確保測試的一致性

為保證緊固軸力測試的準確性與可比性，國際、國內制定了一系列標準：

ISO 16047：《緊固件扭矩-軸力測試方法》（規定了扭矩-軸力關系的校準與測試流程）；
GB/T 16823：《緊固件軸向力測試方法》（涵蓋應變片法、力傳感器法的具體操作）；
ASTM F1850：《超聲法測量螺栓軸力的標準方法》（針對超聲測試的校準與誤差控制）；
VDA 235-101：《汽車工業緊固件擰緊技術規范》（德國汽車行業的擰緊工藝與軸力要求）。

這些標準明確了測試設備的校準要求、操作步驟、數據處理方法，是工業實踐的重要依據。

五、工業應用：從實驗室到現場

緊固軸力測試廣泛應用于汽車、航空航天、風電、核電、工程機械等領域，以下是典型場景：

1. 汽車制造：量產線的在線監測

汽車底盤（如懸掛系統）、發動機（如缸蓋、曲軸）的螺栓需嚴格控制軸力。采用伺服擰緊機+內置式力傳感器的閉環系統，可實時反饋軸力值，確保每顆螺栓的軸力在目標范圍內（如±5%）。對于關鍵部位（如發動機缸蓋），還會采用超聲法進行抽檢，驗證在線測試的準確性。

2. 航空航天：高精度要求

飛機結構（如機翼、機身）的螺栓需承受高應力、高振動，軸力誤差需控制在±2%以內。采用應變片法或超聲法進行100%檢測，確保每顆螺栓的軸力符合設計要求。此外，還會通過疲勞試驗驗證軸力對螺栓壽命的影響。

3. 風電：現場維護與監測

風電塔筒的螺栓（M30~M60）需承受風載、振動等交變載荷，易發生松動。采用超聲法進行現場測試（無需拆卸螺栓），定期監測軸力變化。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）環境下工作，軸力測試需采用高溫應變片或光纖傳感器（抗電磁干擾、耐高溫）。測試結果需符合RCC-M（法國核電標準）或ASME BPVC（美國核電標準）的要求，確保壓力容器的密封性能。

六、未來趨勢：智能與數字化

隨著工業4.0的推進，緊固軸力測試正朝著智能化、數字化、非接觸化方向發展：

1. 智能測試設備

集成**物聯網（IoT）與人工智能（AI）**的測試設備，可實時采集扭矩、軸力、溫度、摩擦系數等數據，通過云端平臺分析趨勢（如軸力隨時間的衰減），提前預警故障（如螺栓松動）。

2. 機器學習預測軸力

通過收集大量扭矩、轉速、摩擦系數等數據，訓練機器學習模型（如神經網絡），實現扭矩-軸力的精準預測（誤差≤3%），減少對直接測量的依賴，提高量產線的效率。

3. 非接觸式技術普及

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

4. 數字孿生

建立緊固件的數字孿生模型，實時模擬軸力在不同工況下的變化（如溫度、載荷），為設計、制造與維護提供決策支持（如優化擰緊工藝、預測螺栓壽命）。

結語

緊固軸力測試是工業可靠性的基石，其核心目標是確保緊固件在設計壽命內保持足夠的軸力。從傳統的應變片法到智能的超聲法，從實驗室校準到現場監測，測試技術的發展始終圍繞“精準、高效、便捷”的需求。未來，隨著智能技術的融入，緊固軸力測試將更深度地參與到產品的全生命周期管理中，為工業裝備的安全運行提供更有力的保障。

無論是汽車制造商的量產線，還是風電項目的現場維護，理解緊固軸力的原理、掌握正確的測試方法，都是工程師必備的技能——畢竟，一顆螺栓的失效，可能引發整個系統的崩潰。