彈性螺栓的研究與應用

劉雪++程百玲

摘 要：螺栓連接是機械制造與機械設備安裝中廣泛應用的一種連接方式。但是，由于螺栓的疲勞破壞在破壞前沒有明顯的塑性變形預兆，常常不易被人們發現，并且很難預防，故因螺栓的疲勞斷裂而造成的重大事故時有發生。因此，對于螺栓因疲勞破壞問題的研究越來越受到人們的重視。

關鍵詞：彈性螺栓；交變載荷；應力幅；疲勞強度

螺栓連接件是緊固件中最重要的類型之一，螺栓連接的可靠性至關重要。對于往復式活塞壓縮機來說，螺栓連接更為重要，大到十字頭與活塞桿尾部的螺栓連接、連桿螺栓的連接；小到缸蓋缸座與氣缸、閥孔蓋與氣缸、氣缸與接筒等零件之間的螺栓連接。而這種因為螺栓連接失效所造成的活塞桿斷裂、連桿螺栓斷裂、缸蓋螺栓斷裂、接筒與氣缸連接螺栓斷裂而引起的事故占壓縮機事故率的一半以上。這種事故輕者造成停車停產，給企業帶來巨大的經濟損失；重者造成巨大的安全事故，危及人身性命。在行業內諸如此類由于螺栓連接失效而造成的事故不成枚舉，故探索和尋找更為有效的螺栓連接方式和方法越來越受到關注。

本文針對上述往復式活塞壓縮機的螺栓連接失效問題，提出使用彈性螺栓來有效解決上述問題。

一、螺栓連接失效斷裂的原因

引起螺栓連接失效斷裂的原因主要有四種：

（一）螺栓的靜強度問題。

（二）螺栓的質量問題：主要是螺栓的材料缺陷、螺紋加工缺陷等問題。

（三）螺栓的疲勞強度問題。

（四）螺栓的預緊力問題。

螺栓的靜強度問題一般在設計之初由嚴格的計算來保證；螺栓的質量問題也不難解決；除去上述問題，造成螺栓連接失效斷裂的主要原因就集中在螺栓的疲勞強度問題和螺栓的預緊力問題上。

二、彈性螺栓的研究與應用

由于往復式活塞壓縮機特殊的曲柄連桿機構的往復運動和吸、排氣過程的間歇交替進行，使多處連接螺栓受到的載荷均為交變載荷，如接筒與氣缸的連接螺栓、缸蓋與氣缸的連接螺栓、缸座與氣缸的連接螺栓、閥孔蓋與氣缸的連接螺栓等。經過對眾多螺栓斷裂事故的實例的分析判斷，造成螺栓連接失效斷裂的主要原因多為疲勞斷裂，或是由于螺栓預緊力不足造成松動，而使螺栓受徑向力的作用被剪斷。

彈性螺栓是一種縮徑螺栓，柔性桿部分橫截面積為螺紋內徑的90%，柔性桿長度大于等于螺紋直經的兩倍，螺栓的柔性大，能改善螺栓的受力狀況、提高螺栓的疲勞性能。這種彈性螺栓不僅能夠有效適用于承受較大交變載荷及振動大的部位，也能有效應對溫度對螺栓強度的影響。

當應力水平一定時，影響零件疲勞壽命的的主要因素是應力幅，應力幅越小，疲勞強度越高。所謂應力幅，對于交變應力來說就是最大應力與最小應力代數差的二分之一。為了更直觀的說明問題，下面給出了直觀的解釋和說明：

為了更清楚的說明問題，現將問題簡化為工作載荷在0到F之間變化，就是螺栓拉力在F與F0之間變化，螺栓的應力變幅為，應力幅為，由公式可以看出預緊力F越大，應力幅相對越小，則螺栓的疲勞壽命越高。反之，預緊力F越小，應力幅相對越大，則螺栓的疲勞壽命越低，越容易造成螺栓的疲勞斷裂。而由可以看出，當預緊力F不足夠大時，可能導致工作狀態下剩余預緊力F”為0，這時就會造成螺栓連接松動，使螺栓受到剪切應力而斷裂。

那么在承受交變載荷的連接件中如何能有效的避免螺栓連接的疲勞斷裂問題和如何解決因螺栓預緊力不足造成的松動，使螺栓受徑向力的作用被剪斷的問題呢？要想獲得較大的預緊力，就要求螺栓具有一定的柔度，即選用彈性螺栓。故合理選用彈性螺栓和施加預緊力，可以有效解決螺栓因疲勞斷裂問題和因預緊力不足造成松動，使螺栓被剪斷的問題。

再有，彈性螺栓彈性光桿部分直徑的減小，減小了螺紋收尾處到光桿部分的截面變化，有效緩解了螺紋收尾處的應力集中，從而提高了螺栓的靜強度和疲勞強度。

以往往復式活塞壓縮機除超高壓缸采用高壓螺栓外，其余都采用普通的螺栓。螺栓因為疲勞斷裂的問題非常普遍，我們通過實例應用：即用彈性螺栓代替了現場被破壞幾次的普通螺栓（接筒與氣缸連接處螺栓），平穩運行至今已一年有余，沒有再出現螺栓斷裂現象。我們2014年以后出廠的產品上，接筒與氣缸的連接螺栓、缸蓋與氣缸的連接螺栓、缸座與氣缸的連接螺栓、閥孔蓋與氣缸的連接螺栓都采用了自制的彈性螺栓，收到了預期的效果，受到了用戶的好評。

三、結論

彈性螺栓是一種能夠有效提高疲勞強度的螺栓，能夠有效的避免螺栓因為疲勞斷裂而產生的事故。彈性螺栓不僅能夠應對承受交變載荷的部位；還能減小溫度和振動對螺栓強度的影響，故還可以應用在溫度較高、振動較大的連接部位，如在石油化工行業的高溫高壓管道的法蘭連接處采用彈性螺栓，勢必也會收到良好的效果。還有研究表明除彈性螺栓的上述優點，還由于彈性螺栓的輕巧，在飛機乃至航天設備上也正在被開發使用。因此，彈性螺栓因其自身的優點必將被越來越多的行業和領域所看好和應用，彈性螺栓的合理應用也必將給我們帶來更多的好處。

參考文獻：

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