傳扭法蘭螺栓聯(lián)接設計與選型

毛中保

摘 要：通過細分傳遞扭矩的法蘭應用場合、載荷情況，提出不同傳扭法蘭螺栓聯(lián)接的選型以及螺栓連接設計、校核重點，便于設計人員認知、掌握，積累實踐經驗、合理沿用。避免過度設計、安全系數(shù)選擇不當帶來的成本問題或考慮不全面、法蘭聯(lián)接設計失誤等導致早期失效到來的設備故障、經濟損失。

關鍵詞：傳遞扭矩；法蘭連接；螺栓

中圖分類號：TH131.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）16-0079-02

1 傳遞扭矩法蘭的應用場合

法蘭（Flange）又叫法蘭凸緣盤或突緣，是兩個物件之間相互連接的零件。可用于管路管端之間的連接；也可用在設備進、出口上，用于兩個設備之間傳遞動力，如減速機法蘭，電機輸出法蘭，主軸輸出法蘭等。法蘭連接是由法蘭、螺栓組兩者相互連接作為一組合結構的可拆連接，法蘭一般是成對使用。

本文討論的是在設備輸出、輸入端，用來傳遞扭矩的剛性法蘭連接。此類連接的示意圖如圖1。

剛性傳遞扭矩法蘭按照應用場合可分為以下兩種：（1）僅傳遞設備輸出、輸入扭矩，不承擔額外載荷——單傳扭工況；（2）即扭矩傳遞，又承擔設備額外載荷——復雜工況。

2 用于法蘭的螺栓聯(lián)接分類

用于法蘭的螺栓聯(lián)接可分為以下幾類：（1）普通螺栓連接，螺栓提供軸向預緊力實現(xiàn)法蘭聯(lián)接，詳見圖2；（2）鉸制孔螺栓/銷連接，螺栓/銷承受徑向剪切力，詳見圖3；（3）膨脹螺栓或膨脹銷連接，即可承受軸向力也可承受徑向剪切力，詳見圖4。

3 法蘭螺栓聯(lián)接選型及校核內容

3.1 僅傳遞扭矩法蘭的螺栓聯(lián)接選型

對單傳扭工況，剛性法蘭連接可選用較為簡單的普通螺栓連接或鉸制孔螺栓連接，對于不同的形式采取不同的校核內容。

（1）普通螺栓聯(lián)接。普通螺栓聯(lián)接法蘭傳扭，主要依靠兩法蘭面間正壓力產生的摩擦力來傳遞扭矩。因此需要校核普通螺栓聯(lián)接提供的正壓力、材料間摩擦系數(shù)是否和所需傳遞的扭矩相匹配并有一定的安裝系數(shù)。具體設計校核思路如下：1）利用傳遞扭矩、法蘭連接節(jié)圓（可預估），材料間摩擦系數(shù)反算預估所需的總正壓力；2）參照節(jié)圓初步估算螺栓排布，預估螺栓規(guī)格，選定螺栓性能等級，選取合適的螺栓預緊力；3）比對所需正壓力同螺栓預緊力的關系細化擬定螺栓數(shù)量及排布；4）通過螺栓排布、性能等級，正向校核法蘭螺栓連接。螺栓安全系數(shù)、法蘭面應力、扭矩傳遞安全系數(shù)等；

（2）鉸制孔螺栓或銷連接。鉸制孔螺栓或銷連接法蘭傳扭，主要依靠徑向截面剪切力來傳遞扭矩。因此需要去校核螺栓或銷剪力是否和所需傳遞的扭矩相匹配并留有一定的安全系數(shù)。具體設計校核思路如下：1）利用傳遞扭矩、法蘭連接節(jié)圓直徑（預估），反算作用在螺栓上的總剪力；2）估算螺栓規(guī)格、排布，根據螺栓規(guī)格、性能等級，計算每顆螺栓可承擔的剪力；3）比對傳扭所需總剪力同每顆螺栓承擔的剪力的關系，細化擬定螺栓數(shù)量及排布；4）通過螺栓排布、規(guī)格、性能等級，正向校核法蘭螺栓連接，螺栓安全系數(shù)、法蘭剪應力、扭矩傳遞安全系數(shù)等。

3.2 復雜工況下剛性法蘭螺栓聯(lián)接選型

復雜工況下，剛性法蘭螺栓聯(lián)接既要傳遞扭矩也要承擔額外的負載，負載會使法蘭承受額外的彎矩以及彎矩帶來的循環(huán)應力。對于此種工況建議選用普通螺栓聯(lián)接、膨脹螺栓/銷聯(lián)接作為法蘭連接的首選。

（1）普通螺栓聯(lián)接。對于普通螺栓連接按照前敘述的方法進行螺栓排布的試算以及法蘭連接強度的校核，并留有一定的安全裕度。然后在此基礎上再進行法蘭連接彎矩、疲勞方面校核。具體校核思路如下：1）利用附加彎矩驗算螺栓預緊力變化、法蘭連接端面正壓力變化量；2）根據變化量核算此時法蘭連接傳扭能否滿足要求以及安全系數(shù)；3）根據法蘭旋轉一周螺栓應力幅變化核算螺栓疲勞在規(guī)定的使用年限上是否滿足要求。

（2）膨脹螺栓/銷是一種新型的聯(lián)接形式，它介于普通螺栓連接和鉸制孔連接兩者之間，既可以做到像普通螺栓連接一樣提供的法蘭面間摩擦力，也可以做到向鉸制孔螺栓提供抗剪切。相對于單一的法蘭普通螺栓連接來說，使用它可以提高傳遞扭矩的安全系數(shù)，相對于單一的法蘭鉸制孔螺栓來說，使用它可以在傳扭的基礎上承擔額外彎矩載荷，同時能夠降低鉸制孔加工的精度要求。因此膨脹螺栓使用逐漸增多，功能性好。但目前面臨的主要問題是膨脹螺栓費用較高，因此在一般的使用場景下，推薦使用常規(guī)的普通螺栓連接。在傳遞扭矩大、空間有限、布局困難，傳統(tǒng)螺栓聯(lián)接方式試算通不過，安全系數(shù)較低的的情況下，采用膨脹螺栓可彌補缺陷，實現(xiàn)連接的高可靠性和緊湊型設計。

膨脹螺栓根據使用場合采用不同的校核方式，單一傳扭工況下可按照鉸制孔螺栓的校核方法，校核剪切應力、安全系數(shù)以及接觸面的壓應力、安全系數(shù)。復雜工況下除校核傳扭外，還需校驗膨脹螺栓提供的軸向拉力是否和外界附加彎矩匹配，以及抗拉安全系數(shù)以及拉應力應力幅變化和疲勞壽命。以上提到的校核是膨脹螺栓對于使用工況的校核，同時還需要考慮膨脹螺栓在膨脹過程中產生的應力，這個應力對于連接本體應不造成破壞，這也是校核的一個重點。

4 結語

以上描述了傳遞扭矩法蘭不同使用場合螺栓聯(lián)接的推薦選型。設計的基本原則是適用、安全同時兼顧成本。因此在每一種類型設計計算過程中要針對不同工況詳細計算，確保安全。如出現(xiàn)安全系數(shù)偏低，可通過調整各方面相關因素去完善，比如依靠摩擦傳扭的，可以調整正壓力、螺栓節(jié)圓、摩擦系數(shù)等方式去優(yōu)化。對于采用抗剪螺栓傳扭的，可調整螺栓的數(shù)量，螺栓分布節(jié)圓等。優(yōu)化方式很多，總之需要安全第一、同時兼顧成本考慮，做到最優(yōu)設計。膨脹螺栓/銷這一技術在使用之初，因專利限制、產品普及面窄、加工精度高，單件生產，專項設計等因素成本較高，因此需要結合應用場合、成本控制合理選擇使用。