螺栓聯接的可靠性研究

童輝云 包珺

（武漢長海高新技術有限公司，武漢 430223）

1 引言

螺母和螺栓是最常用的緊固件，它們可以承受很高的工作負荷，并且可以拆卸下來再加以重復利用。因此，螺栓聯接具有應用廣泛、聯接牢固可靠、互換性強的優點。

螺栓聯接的可靠性主要取決于兩個方面：一是設計要合理可靠；二是裝配過程確保聯接質量。

2 合理可靠的設計計算

設計時根據受力情況及結構尺寸要求，先進行結構設計，即確定螺栓的布置方式、數量及聯接結合面集合形狀，然后進行受力分析，找出一組中受力最大的螺栓及其受力大小，進行強度計算［1］。

2.1 結構設計

結構設計時要遵循以下原則：

1）聯接結合面的幾何形狀要合理，如成軸對稱的形狀；結合面要便于加工；

2）螺栓的位置應靠近結合面邊緣，以減少螺栓受力；

3）同一組螺栓的大小和長度應盡量相同；

4）應避免螺栓受附加彎曲載荷；

5）應考慮扳手空間，便于裝配操作。

2.2 受力分析及強度計算

受力分析時，假設螺栓為彈性體，其變形在彈性范圍內；每個螺栓的預緊力相同；結合面的壓強均布；被聯接件為剛體；受載后結合面應保持平面接觸。因此螺栓的強度計算可以簡化為單個螺栓的強度計算。

單個螺栓聯接的強度計算是螺栓聯接強度計算的基礎。對單個螺栓聯接而言，其受力的形式不外乎是受軸向力或受橫向力［2］。

在軸向力（包括預緊力）的作用下，螺栓桿和螺紋部分可能發生塑性變形甚至斷裂，塑性變形是不可恢復的變形［3］；而在橫向力的作用下，當采用配合螺栓時，螺栓桿和孔壁間可能發生壓潰或螺栓桿被剪斷。

單個螺栓聯接的強度計算通常分三種情況：

1）僅受預緊力的緊螺栓聯接

如圖 1所示，螺栓危險剖面的拉伸強度條件為：

式中：σca─計算應力；Qp─螺栓所受預緊力；A─螺栓危險剖面面積；［σ］─螺栓材料的許用應力

圖1 僅受預緊力的緊螺栓聯接

2）承受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯接

圖2 承受預緊力和工作拉力的緊螺栓聯接

如圖 2所示，螺栓危險剖面的拉伸強度條件為：

式中：Q─螺栓所受總拉力

式中：F─螺栓所受工作拉力；Cb/（Cb+Cm） ─螺栓的相對剛度，設計時可參考表 1推薦的數據選取。

3）承受工作剪力的緊螺栓聯接

如圖 3所示，螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為：

螺栓桿的剪切強度條件為：

式中：F─螺栓所受工作剪力；d0─螺栓剪切面的直徑；Lmin─螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度；［σ］p─螺栓或孔壁材料的許用擠壓應力；［τ］─螺栓材料的許用剪切應力。

表1 螺栓的相對剛度Cb/（Cb+Cm）

圖3 承受工作剪力的緊螺栓聯接

表2 擰緊力矩系數K

2.3 預緊力的控制

一般規定擰緊后螺栓聯接件預緊應力不得大于其材料屈服點 σs的 80%［1］。對于一般聯接用鋼制螺栓，推薦用預緊力限值如下：

式中：As─螺栓公稱應力；

式中：d1─外螺紋小徑；d2─外螺紋中徑

2.4 擰緊力矩計算

為了增強螺栓聯接的剛性、緊密性、防松能力以及受橫向載荷螺栓聯接的滑動，多數螺栓聯接在裝配時都要預緊。其擰緊力矩T是用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被聯接件支承面間的端面摩擦力矩T2。

式中：K─擰緊力矩系數，設計時可參考表 2推薦的數據選取；d─螺栓公稱直徑。

2.5 設計實例分析

圖4 飛輪連接盤螺栓聯接

如圖 4所示，螺栓均布在同一平面上，受力均勻，加工和安裝方便。

經過受力分析可知，該螺栓組承受預緊力和旋轉剪切力。

先計算預緊力，由式（6）可得：

再進行拉伸強度校核，由式（1）可得：

再進行螺栓桿的剪切強度校核，由式（5）可得：

式中：

因此，該螺栓組聯接設計合理可靠。

3 裝配過程確保螺栓聯接質量的方法

在螺栓聯接裝配過程中，任何一種危險狀況的產生都是無征兆的。經驗和教訓告訴我們，裝配產品所發生的大量事故里，主要原因是螺栓聯接的質量問題。

3.1 影響螺栓聯接質量的主要因素

影響裝配結果受到許多變量的影響。日本科學家 Karuo Ishikawa對此作出了圖解分析，分類列出了各種原因。將 Karuo Ishikawa的圖解分析運用到螺栓聯接上，可以確認存在四種影響因素［4］，如圖5所示。

3.2 確保螺栓聯接質量的方法

為了確保螺栓聯接的質量，就必須做到：

圖5 螺栓聯接質量影響因素

1）加強對操作者的技能培訓

熟練掌握螺栓聯接工藝原理的操作者能夠洞悉影響螺栓聯接質量的主要因素，對螺栓聯接的失效能很好地處理。

2）選擇合適的擰緊工具

對于重要的聯接部位，必須使用有轉矩控制的擰緊工具，如：扭力扳手。其優點是：所有的螺栓聯接數據都可以被測量，不合格者立即被識別，從而允許零件被直接重新利用或維修時進行更換；操作者可以知道每個螺栓聯接的擰緊質量；測量結果可以存檔。

3）制定并執行正確的裝配工藝

在制定裝配工藝時應按以下原則［5］：保證產品質量；滿足裝配周期要求；盡量減少手工勞動量；盡量減少成本。首先考慮的是質量，有了質量才有數量。

4）嚴格把關緊固件材料的質量

緊固件的材料性能、幾何形狀、表面處理等將影響到螺栓聯接的質量。

4 結束語

螺栓聯接看似簡單，因此往往容易被人輕視。而輕視的后果將會非常嚴重─輕則產品出現故障，重則危及人身安全。所以確保螺栓聯接的可靠性極為重要。

[1] 成大先. 機械設計手冊. 北京: 化學工業出版社,2004年9月.

[2] 濮良貴. 機械設計. 北京: 高等教育出版社.

[3] 王希林. 金屬材料及熱處理. 北京: 水利電力出版社, 1992年11月

[4] Volker Schatz著, 朱正德, 郭林健等譯. 實現螺栓可靠裝配的 10個步驟. 北京: 機械工業出版社,2010年1月

[5] 王先逵. 機械制造工藝學. 北京: 清華大學出版社,1996年3月.