螺栓联接的可靠性研究

童辉云 包珺

（武汉长海高新技术有限公司，武汉 430223）

1 引言

螺母和螺栓是最常用的紧固件，它们可以承受很高的工作负荷，并且可以拆卸下来再加以重复利用。因此，螺栓联接具有应用广泛、联接牢固可靠、互换性强的优点。

螺栓联接的可靠性主要取决于两个方面：一是设计要合理可靠；二是装配过程确保联接质量。

2 合理可靠的设计计算

设计时根据受力情况及结构尺寸要求，先进行结构设计，即确定螺栓的布置方式、数量及联接结合面集合形状，然后进行受力分析，找出一组中受力最大的螺栓及其受力大小，进行强度计算［1］。

2.1 结构设计

结构设计时要遵循以下原则：

1）联接结合面的几何形状要合理，如成轴对称的形状；结合面要便于加工；

2）螺栓的位置应靠近结合面边缘，以减少螺栓受力；

3）同一组螺栓的大小和长度应尽量相同；

4）应避免螺栓受附加弯曲载荷；

5）应考虑扳手空间，便于装配操作。

2.2 受力分析及强度计算

受力分析时，假设螺栓为弹性体，其变形在弹性范围内；每个螺栓的预紧力相同；结合面的压强均布；被联接件为刚体；受载后结合面应保持平面接触。因此螺栓的强度计算可以简化为单个螺栓的强度计算。

单个螺栓联接的强度计算是螺栓联接强度计算的基础。对单个螺栓联接而言，其受力的形式不外乎是受轴向力或受横向力［2］。

在轴向力（包括预紧力）的作用下，螺栓杆和螺纹部分可能发生塑性变形甚至断裂，塑性变形是不可恢复的变形［3］；而在横向力的作用下，当采用配合螺栓时，螺栓杆和孔壁间可能发生压溃或螺栓杆被剪断。

单个螺栓联接的强度计算通常分三种情况：

1）仅受预紧力的紧螺栓联接

如图 1所示，螺栓危险剖面的拉伸强度条件为：

式中：σca─计算应力；Qp─螺栓所受预紧力；A─螺栓危险剖面面积；［σ］─螺栓材料的许用应力

图1 仅受预紧力的紧螺栓联接

2）承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接

图2 承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接

如图 2所示，螺栓危险剖面的拉伸强度条件为：

式中：Q─螺栓所受总拉力

式中：F─螺栓所受工作拉力；Cb/（Cb+Cm） ─螺栓的相对刚度，设计时可参考表 1推荐的数据选取。

3）承受工作剪力的紧螺栓联接

如图 3所示，螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为：

螺栓杆的剪切强度条件为：

式中：F─螺栓所受工作剪力；d0─螺栓剪切面的直径；Lmin─螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度；［σ］p─螺栓或孔壁材料的许用挤压应力；［τ］─螺栓材料的许用剪切应力。

表1 螺栓的相对刚度Cb/（Cb+Cm）

图3 承受工作剪力的紧螺栓联接

表2 拧紧力矩系数K

2.3 预紧力的控制

一般规定拧紧后螺栓联接件预紧应力不得大于其材料屈服点 σs的 80%［1］。对于一般联接用钢制螺栓，推荐用预紧力限值如下：

式中：As─螺栓公称应力；

式中：d1─外螺纹小径；d2─外螺纹中径

2.4 拧紧力矩计算

为了增强螺栓联接的刚性、紧密性、防松能力以及受横向载荷螺栓联接的滑动，多数螺栓联接在装配时都要预紧。其拧紧力矩T是用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1及螺母与被联接件支承面间的端面摩擦力矩T2。

式中：K─拧紧力矩系数，设计时可参考表 2推荐的数据选取；d─螺栓公称直径。

2.5 设计实例分析

图4 飞轮连接盘螺栓联接

如图 4所示，螺栓均布在同一平面上，受力均匀，加工和安装方便。

经过受力分析可知，该螺栓组承受预紧力和旋转剪切力。

先计算预紧力，由式（6）可得：

再进行拉伸强度校核，由式（1）可得：

再进行螺栓杆的剪切强度校核，由式（5）可得：

式中：

因此，该螺栓组联接设计合理可靠。

3 装配过程确保螺栓联接质量的方法

在螺栓联接装配过程中，任何一种危险状况的产生都是无征兆的。经验和教训告诉我们，装配产品所发生的大量事故里，主要原因是螺栓联接的质量问题。

3.1 影响螺栓联接质量的主要因素

影响装配结果受到许多变量的影响。日本科学家 Karuo Ishikawa对此作出了图解分析，分类列出了各种原因。将 Karuo Ishikawa的图解分析运用到螺栓联接上，可以确认存在四种影响因素［4］，如图5所示。

3.2 确保螺栓联接质量的方法

为了确保螺栓联接的质量，就必须做到：

图5 螺栓联接质量影响因素

1）加强对操作者的技能培训

熟练掌握螺栓联接工艺原理的操作者能够洞悉影响螺栓联接质量的主要因素，对螺栓联接的失效能很好地处理。

2）选择合适的拧紧工具

对于重要的联接部位，必须使用有转矩控制的拧紧工具，如：扭力扳手。其优点是：所有的螺栓联接数据都可以被测量，不合格者立即被识别，从而允许零件被直接重新利用或维修时进行更换；操作者可以知道每个螺栓联接的拧紧质量；测量结果可以存档。

3）制定并执行正确的装配工艺

在制定装配工艺时应按以下原则［5］：保证产品质量；满足装配周期要求；尽量减少手工劳动量；尽量减少成本。首先考虑的是质量，有了质量才有数量。

4）严格把关紧固件材料的质量

紧固件的材料性能、几何形状、表面处理等将影响到螺栓联接的质量。

4 结束语

螺栓联接看似简单，因此往往容易被人轻视。而轻视的后果将会非常严重─轻则产品出现故障，重则危及人身安全。所以确保螺栓联接的可靠性极为重要。

[1] 成大先. 机械设计手册. 北京: 化学工业出版社,2004年9月.

[2] 濮良贵. 机械设计. 北京: 高等教育出版社.

[3] 王希林. 金属材料及热处理. 北京: 水利电力出版社, 1992年11月

[4] Volker Schatz著, 朱正德, 郭林健等译. 实现螺栓可靠装配的 10个步骤. 北京: 机械工业出版社,2010年1月

[5] 王先逵. 机械制造工艺学. 北京: 清华大学出版社,1996年3月.