非標螺紋聯接的預緊

摘 要：介紹了一般螺紋聯接預緊力的計算方法和控制方法，并對某爆炸螺栓聯接預緊進行了詳細分析，總結了非標螺紋聯接中控制預緊力的基本方法，供非標螺紋聯接實際操作參考。

關鍵詞：預緊力；爆炸螺栓；擰緊力矩

1 引言

預緊能提高螺紋聯接的防松能力和疲勞強度，增強聯接的緊密性和剛性，從而提高聯接的可靠性。一般情況下，使用標準的工具擰緊螺紋聯接件時，憑操作者的經驗判斷擰緊程度即可，但對于關鍵聯接或實現特殊功能的非標準聯接問題，往往需要進行具體的分析和精確的計算。根據功能要求正確地進行結構設計，合理地確定預緊力的大小，并采取適當的方法進行控制，來提高連接的可靠性。

2 螺紋聯接預緊及其控制方法

2.1 螺栓載荷與變形關系

研究一個受軸向載荷的螺栓聯接，先作用預緊力Q，然后承受外拉力F。

螺栓未承受外拉力時，僅受預緊力Q，由于螺栓和被聯接件受力后發生彈性變形的原因，螺栓承受外拉力F時的總載荷F'并不等于工作載荷F與預緊力Q之和，而是工作載荷F與殘余預緊力Q'之和，如圖1所示。

2.2 預緊力的確定

凡承受拉力的螺栓連接，均需要適當預緊以提高連接的可靠性和緊密性。如果預緊力太小，在沖擊、振動、變載荷的作用下，會出現聯接松動，或者在正常承載情況下接合面出現縫隙。如果預緊力過大，螺桿靜載荷增大，導致聯接強度降低，甚至在擰緊時就被拉斷。

一般規定螺紋聯接的預緊應力σp不超過螺紋聯接件材料屈服極限σS的80%；航空航天工程中按σp≈0.35σS控制。有關確定預緊力大小的螺紋聯接設計準則：

a.對于按強度條件（不變形、不斷裂）設計的螺栓，應保證螺栓承受工作載荷時的應力小于螺栓材料的許用應力；b.對于受橫向載荷，接合面不允許相對滑動的聯接，要求預緊力要足夠大，以靠摩擦傳遞橫向力；c.對于受軸向載荷，接合面不允許出現縫隙的聯接，要求殘余預緊力Q'>0，一般按下面條件確定Q。

2.3 擰緊力矩與預緊力的關系

2.4 控制預緊力的方法

螺紋聯接的預緊方法要根據行業特點、工程規模、螺紋聯接結構形式等來合理選用，“感覺法”主要依賴于操作者的經驗，簡單、經濟但不可靠；“力矩法”普遍使用于一般重要聯接，精度較高；“力矩-轉角法”適用于自動化大量裝配場合；“測量螺栓伸長法”使用費時、費用高，用于特殊要求場合；“螺栓預脹法”用于汽輪機等熱力機械。

不同應用場合對螺紋聯接預緊力精度的要求也有不同，一味追求高精度是不經濟的。航空工程中的一般連接采用“感覺法”即可滿足設計要求，重要的連接部位廣泛采用“力矩法”——根據預緊力Q與擰緊力矩M的關系確定擰緊力矩，借助測力矩扳手或定力矩扳擰緊。

3 爆炸螺栓聯接預緊力控制

某系統的傘艙-傘筒連接/分離機構（兩套）采用了四枚爆炸螺栓。為達到高分離可靠性和低分離沖擊，該螺栓的設計強度受到嚴格限制，并且在使用過程中處于高應力狀態。該螺栓原設計軸向拉斷力為600kgf，在地面試驗階段多次出現“擰斷”問題。為確保飛行試驗階段的連接可靠性，經計算分析，將該螺栓設計軸向拉斷力提高到1500kgf，并采用“力矩法”對聯接預緊力進行控制，較好地解決了這一問題。

3.1 爆炸螺栓軸向載荷

根據傘筒在傘艙內的安裝結構設計，爆炸螺栓僅承受軸向拉力。在最大偏航角速度下，傘筒相對傘艙會產生較大的離心加速度；所以確定“最大偏航角速度情況”為爆炸螺栓的最大受力情況，此時離心加速度為：an=l·？棕2

式中：an-離心加速度；l-旋轉半徑；ω-最大偏航角速度。

根據系統參數1和ω得出an=9.4g，則離心力F=m·an。

按m=40kg，得F=376kgf，單個爆炸螺栓承受的最大拉力N=F/2=188kgf。

3.2 預緊力的確定

爆炸螺栓受傘筒在飛行中產生的交變載荷，為確保傘筒在傘艙內的安裝剛性，必須按傘艙-傘筒接合面的緊密性條件來確定Q，取預緊系數ν=3.0，則Q=νN=3×188=564kgf?？梢姡A緊力已十分接近原設計的拉斷載荷，加之螺栓桿在擰緊過程中受拉扭復合應力作用，在與預緊力相對應的擰緊力矩下就很容易被“擰斷”。

3.3 擰緊力矩的確定

根據改進后的爆炸螺栓及其聯接結構的有關參數，按前面介紹的擰緊力矩計算公式可得擰緊力矩M=7.12N·m；使用定力扳手按7 N·m進行連接工藝控制，最終保證了該重要連接的可靠性。

4 結論與建議

對于非標設計，其螺紋聯接預緊一般采用感覺法，由具備相應資質和具有實際操作經驗的操作人員來保證；對于重要聯接則宜采用“力矩法”，由設計/工藝人員提出具體的預緊裝配技術要求，采用定力矩扳手來完成。對需要精確控制的的螺紋聯接件，可以按照螺紋聯接的實際使用條件進行實驗，得到擰緊力矩與預緊力的對應關系，并據此確定擰緊力矩，必將大大提高對預緊力的控制精度。

參考文獻

[1]姚兆生.機械零件強度計算手冊[M].北京：機械工業出版社，1987.

[2]郝桐生.理論力學[M].北京：高等教育出版社，1990.