轉盤軸承連接螺栓應用分析

徐佐宇，李穎

(1.中國特種設備檢測研究院，北京 100013； 2.國電聯合動力技術有限公司，北京 100039)

絕大多數轉盤軸承的內、外圈上均帶有一定數量的螺栓孔，安裝時利用螺栓將轉盤軸承固定在座架上。主機在運轉過程中承受的力和力矩需通過螺栓傳遞，若螺栓連接破壞將會導致嚴重后果，因此螺栓是保證主機旋轉部件安全工作的關鍵零件。一般轉盤軸承內、外圈上的螺栓孔規格與數量均相同，且沿圓周均勻分布。螺栓孔的布局及螺栓的安裝方式對于保障轉盤軸承正常運轉至關重要。

1 螺栓連接系統分析

某轉盤軸承螺栓連接示意圖如圖1所示。其承受的最大工況條件為：軸向載荷Fa，徑向載荷Fr，傾覆力矩M。軸承內、外圈與座架均通過j個螺栓連接，內、外圈上連接螺栓孔的中心圓直徑分別為Di和De。

螺栓受力與變形的關系如圖2所示[1]，曲線Ⅰ為螺栓彈性曲線，曲線Ⅱ為被連接零件的彈性曲線，在D點時螺栓拉力達到規定的預緊力FM，此時螺栓對被連接零件的壓力等于預緊力。在預緊狀態下，螺栓承受拉力外載荷FA時，使螺栓的伸長量增加了fSA，被連接零件的壓縮量減少了fPA(fPA=fSA)，螺栓上的拉力增加了FSA,被連接零件上的夾緊力減小了FPA，則

圖1 轉盤軸承螺栓連接簡圖

圖2 螺栓受力與變形關系圖

FA=FSA+FPA。

2 預緊力推薦

適當的預緊力可充分發揮螺栓性能，提高螺栓在交變載荷下的疲勞強度，防止螺栓在外力作用下與安裝座架貼合面產生間隙，造成沖擊[2]。

轉盤軸承中螺栓的預緊一般采用定力矩扳手或液壓拉伸器完成。在擰緊螺母時，螺栓被拉伸并使被連接件貼緊，當扳手的擰緊力矩MA達到某值時，對應螺栓的拉伸預緊力FM也達到了要求。螺栓直徑越大，扳手擰緊過程中螺母端面處和螺紋處的摩擦力矩不確定性的影響越大，所以對于直徑較大的螺栓(螺栓直徑d≥30 mm)推薦使用液壓拉伸器，可以施加相對精確的預緊力。

螺栓強度校核規范VDI 2230—2003認為，螺栓在預緊狀態下的內部應力(螺栓的剪切應力與拉應力的合成應力)約為90%材料屈服極限應力時為最佳預緊狀態。轉盤軸承多采用8.8(非比例延伸強度RP0.2=660 N/mm2)或10.9(非比例延伸強度RP0.2=940 N/mm2)級螺栓，安裝螺栓所需預緊力或預緊力矩的推薦值見表1和表2(緊固方法依據ISO 898標準進行)。

3 螺栓安全性驗證

在驗證轉盤軸承中螺栓的安全性時，進行如下假設：(1)螺栓孔在軸承套圈上均勻分布；(2)螺栓夾緊長度至少為5d；(3)螺紋孔中螺紋連接長度最小為d(8.8級螺栓)、1.25d(10.9級螺栓)。

表1 采用定力矩扳手安裝螺栓時的預緊力和力矩

表2 采用液壓拉伸器安裝螺栓時的預緊力

由于內、外圈螺栓數量和規格相同，內圈螺栓孔中心圓直徑較小，則內圈上單個螺栓所受的載荷較大，所以僅需對內圈上螺栓受力情況進行驗證。

3.1 螺栓承受的最大外部工作載荷

在純傾覆力矩M作用下，均布螺栓連接中的力和軸向變形如圖3所示。在純傾覆力矩M作用下，最大受載螺栓的外部工作載荷為FA1max,與最大受載螺栓相距φ處(同一套圈上)的螺栓所受的外部工作載荷為

FA1=FA1maxcosφ。

(1)

圖3 力矩作用下螺栓受力與變形簡圖

純傾覆力矩作用下，M與所有螺栓所承受的外部載荷間的關系為

(2)

由(1)式和(2)式可得

“學案教學”不是把“我”知道的告訴給學生，學生被動聽，被動接受并確認，而是讓學生主動發現知識、建構知識，學生在獲得知識的過程中有了親歷、有了體驗，形成了“生成”的能力。利用學案教學的課堂，要學會“放而不亂”，“放”不是放任自流、漫無目的，要把握準確的“度”，找到最佳結合點。教師要利用學案把學習的主要內容，學習目標，學習重難點攥在了自己手里。

(3)

在純軸向載荷Fa作用下產生的均勻分布的螺栓外部工作載荷為

FA2=Fa/j。

(4)

在力和力矩共同作用下最大受載螺栓上的外部工作載荷FA為

FA=FA1max+FA2=4M/(Dij)±Fa/j，

(5)

式中：j為螺栓個數；當軸向力指向軸承時，取“-”，當軸向力背離軸承時，取“+”。

3.2 螺栓屈服極限校核

螺栓預緊后受拉余量F′為

F′=0.1Rp0.2AS。

(6)

受外力時螺栓拉力增加值FSA為

FSA=0.65ΦKFA，

(7)

式中：ΦK為載荷系數，該值與螺栓和被連接零件的柔性有關，一般取0.2～0.3。

若FSA

3.3 殘余夾緊力的驗算

在傾覆力矩和軸向力共同作用下螺栓被拉伸，被連接件受到的夾緊力減小，當該殘余夾緊力使被連接件貼合面產生的摩擦力不足以承受徑向力時，會產生附加沖擊，螺栓連接有失效的風險。若轉盤軸承與座架間有止口來承擔徑向力作用時，可不必考慮徑向力對螺栓連接的影響。

螺栓連接受外力后被夾緊零件殘余夾緊力FKR為

(8)

式中：αA為緊固系數，根據文獻[1]，用定力矩扳手預緊時取1.6，用液壓拉伸器預緊時取1.4。

被連接件在徑向力Fr作用下所需的最小夾緊力FKRe為

(9)

式中：k為載荷分布系數，對于球軸承k=4.37，滾子軸承k=4.10；μ為軸承安裝面與支架之間的摩擦因數，μ=0.25。

4 螺栓安裝及維護

在使用定力距扳手或液壓拉伸器安裝螺栓時，按周向順序依次緊固螺栓會使先緊固的螺栓發生松弛，因此推薦如圖4所示的緊固順序，并需經過3～4次擰緊以后，螺栓才能達到規定的預緊力。

轉盤軸承中的螺栓連接不允許采用彈簧墊片防松，因為彈簧墊片破壞了螺栓受力的中心性，影響預緊力施加的準確性，對連接強度不利。因此，該螺栓連接一般采用調質平墊片或不用墊片。

圖4 螺栓緊固順序圖

由于螺栓連接必然會發生工作疲勞，故應檢查螺栓是否維持所需要的預緊力水平，建議在轉盤軸承使用2～4個月后，對各螺栓進行重新緊固，然后僅需每年系統性檢查時對其進行檢查。有些場合則規定工作7年或14 000 h后更換緊固件，因此，需根據使用條件和相關規定檢修或更換。