APP下载

装配中螺栓紧固力矩的确定方法探讨

2017-01-23张强

中国科技博览 2016年27期
关键词:装配螺栓

张强

[摘  要]文章分析了螺栓联接的受力情况,推导出了螺栓预紧力和紧固力矩的线性关系,然后从多方面研究了螺栓联接中合适的预紧力值,从而来确定螺栓的紧固力矩,为螺栓装配生产提供了一种参考经验。

[关键词]装配;螺栓;紧固力矩;取定方法

中图分类号:U225.5 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)27-0001-02

螺栓联接是机械设备安装中最常见的可拆式连接方式。为了保证在使用中螺栓螺纹联接的刚性和防松能力,需要在装配时进行预紧,而预紧力矩该如何确定成为一个需要研究的问题,过大则会导致联接失效,过小则又达不到应有的使用要求。因此确定螺栓的紧固力矩成为装配工作中的一个重要问题。

1 螺栓联接副的受力情况分析

螺栓联接一般情况下都是成组应用的,需要根据被联接件的结构和联接件的载荷来设计其传力方式、数目和布置。总体来说,螺栓联接受力情况有:(1)纯轴向力,螺栓只受轴向受力;(2)横向力,螺栓径向受力;(3)旋转力矩,如轮法兰联接;(4)翻转力矩,也叫倾覆力矩。

其中(1)、(4)螺栓联接副受拉力,(2)、(3)螺栓联接副可以受拉力,也可受剪切力。在装配应用中,螺栓联接受拉力居多, 根据国家标准选用的螺栓也为受拉螺栓(GB3098.1~3098.3-82 紧固件机械性能)。故本文以螺栓联接副受拉力为研究对象,讨论时其紧固力矩的确定问题。

2 螺栓联接副防松措施中的紧固力矩分析

螺栓联接在工程应用中,常用的防松方法有三种:摩擦防松、机械防松和永久防松。其中机械防松和摩擦防松称为可拆卸防松,在安装应用中,需要施加紧固力矩;而永久防松称为不可拆卸防松,无法重复使用,因此在机械设备装配工作中较少使用。

(1)常见摩擦防松方法有:利用弹簧垫片、自锁螺母及双螺母等。弹簧垫片防松方式中,紧固力矩增加了弹簧垫片的压紧力矩,但由于压紧力矩数值不大,常在计算中将其忽略。自锁螺母防松方式中紧固力矩与普通螺栓相同。双螺母(对顶螺母)防松方法中,要考虑前后两个螺母的紧固力矩问题。

(2)常见的机械防松方法:利用开口销、止动垫片及串钢丝绳等。机械方法多采用开口销等机械结构,阻止螺栓退回。这种方法的紧固力矩与普通方法一致。

(3)永久防松方法有:冲边法防松、粘合防松等。这种方法一般用于永久联接,不可拆卸,但其紧固力矩与普通方法一致。

对于螺栓联接副的紧固力矩而言,机械防松方法和永久防松方法均为单螺母紧固,其紧固力矩与一般受拉力螺栓联接无异。而在摩擦放松方法中,弹簧垫片放松在紧固时在单螺母紧固的基础上增加了弹簧垫片的压紧力矩,双螺母方法紧固时,需要注意前后螺母的紧固力矩存在差异,需要分别对待。

3 轴向力与紧固力矩的关系分析计算

紧固力矩是由扳手的扭转运动来施加的,该扭转运动的扭转力矩T主要克服了螺纹副的螺纹阻力矩T1,以及螺母与被连接件支承面间的端面摩擦力矩 T2,即可得到如下公式:

(1)

式中:T—紧固力矩; F0—预紧力,N;ω—螺纹升角;

—螺纹当量摩擦角;d2——螺纹中径,mm;

μ—螺母与被连接件的支承面间的摩擦因数;

Dw—与支承平面连接的螺母或者垫圈的直径;d0—螺纹外径;

d—螺纹公称直径,mm;

K—紧固力矩系数,;

因此,在螺栓大小相同时,螺栓的轴向预紧力正比于紧固力矩的大小,其比例系数就是紧固力矩系数K。

系数K 的取值计算是一个较为复杂的过程。一般来说,对于普通粗牙M12~M64螺纹,其紧固力矩系数 K 一般在 0.1~0.3范围内变动,表1为参考值[1]。

可以这么认为,当螺栓、螺母、垫圈、被连接件等零件的型号选定后,在确定的工作环境、工作状态下,紧固力矩系数是固定的。也就是说,在这种情况下,所需预紧力的大小直接决定了应施加的紧固力矩的大小。

根据公式(1)可知,紧固紧力矩与螺栓预紧力是呈线性关系,因此早操作中确定并控制了紧固力矩的大小,就可以通过实验或理论的方法计算出预紧力值。由于系数K值、受摩擦系数和几何参数的的不确定性影响,在一定的紧固力矩下,预紧力数值的变化区间比较大,因此通过紧固力矩来控制螺栓预紧力的精度并不是很高,其误差约为±25%左右,最大甚至可达±40%左右。

这样就产生了一个矛盾:一方面,可以根据应用工况和要求来设计出所需要预紧力的具体数值,但另一方面,却无法在现实中很精确的施加所要求预紧力,达到其设计值,只能通过施加一定紧固力矩,来确定其大小。不过关于这个矛盾的讨论不是本文的重点,主要是为了阐述这种现实情况的存在。同时,在本文第 4 节中的讨论只考虑了紧固力矩和预紧力的纯线性关系而忽略了这种误差。

4  螺栓预紧力(紧固力矩)的确定方法

通常情况下由 N个螺栓螺母副联接的法兰联接体,给予一定的紧固力 F 的同时,联接体内产生内压力 Fx,对于这种用于有一定内压力的流体的联接体,设计螺栓的紧固力矩时,须考虑以下四点:

(1)确保螺栓的强度,即不允许发生因紧固力矩过大导致螺栓的屈服破坏而丧失联接体的机能。

(2)确保螺纹的强度,不能因为过大的紧固力矩而导致螺纹发生脱扣现象。

(3)确保法兰盘的强度,不能因过大的紧固力矩导致法兰发生破坏。

(4)确保垫片、垫圈的性能,既保证不因紧固力矩过小导致联接不到位,也不因紧固力矩过大造成螺栓损坏。

4.1 考虑螺栓的强度

一般规定紧固后的螺纹联接件预紧应力不得大于其材料屈服点σs的 80%。对于一般联接用钢制螺栓,推荐用预紧力限值如下:

碳素钢螺栓    F0=(0.6~0.7)σSAS

合金钢螺栓    F0=(0.5~0.6)σSAS

式中:σs—螺栓材料的屈服点,Mpa;As—螺栓公称应力截面积,mm2;

对于重要的螺栓联接,必须要有控制和测量预紧力的方法,常用的方法有:

(1)力矩法:当使用力矩扳手正规测定紧固力矩时,一般取预紧系数 Q=1.4[1],则力矩扳手所需指示值应为:

(2)

(2) 螺母转角法:在螺母被拧到与被连接件贴紧后,再旋转一定的角度获得所需的预紧力。

(3) 螺栓预伸长法:通过加热将螺栓预伸长到所要求的变形量,再拧紧螺母,冷却后螺栓缩短即联接预紧。这种方法螺栓不受紧固力矩作用,螺栓强度得到了一定提高,但需要预变形装置。

这种单纯考虑螺栓强度的紧固力矩计算方法是具有一定的局限性的,但是在不存在密封要求,并且被联接件强度足够高的工况下,是可以作为实际紧固力矩来使用的,特别的在地脚螺栓的紧固处理上应用较为普遍,同时也是合适的。

4.2 考虑螺纹的强度

恰当的紧固力矩需要保证螺纹得以旋紧而不致使螺纹或螺母有所损害。这就要求旋紧扭矩必然介于旋入扭矩及极限扭矩之间,有很多因素会影响到旋转扭矩及极限扭矩,比较重要的因素有螺纹的型式、 尺寸、螺母成份及硬度、厚度等等。

但是,标准的螺栓与螺母的螺纹牙及其他各部分尺寸是根据等强度原则及使用经验进行规定的。采用标准件时,这些部分并不需要进行强度计算,但是当非标准件之间的配合使用,或者进行了材料的改变后,还是需要进一步计算螺纹的强度以确定极限紧固力矩,这种螺纹强度的计算方法可参考相关手册查到。

4.3 考虑被联接件的强度。在用螺栓联接法兰件或其他连接件时,被联接件的强度也是需要考虑的一个重要因素。

当然,这个预紧力是螺栓所需要的最小预紧力,由此计算出来的紧固力矩也是最小紧固力矩,在合适的大小范围内,紧固力矩应取较大的值,因此,根据最基本的密封要求,得到了螺栓的最小紧固力矩。

4.5 紧固力矩的确定

合适的紧固力矩对螺栓联接来说是非常重要的。确定紧固力矩的第一步就是一计算出一个合适的预紧力 F,经过以上的分析,可以确定 F 的合适的范围是 F1~Min(F2,F3,F4,F5)。其中,F1—垫片保证密封的最小压紧力;F2—使垫片或者垫圈破坏的压紧力;F3—使螺纹破坏的压紧力;F4—螺栓的许用最大预紧力;F5—使压紧面破坏的拉力。

考虑采用标准紧固件,且忽视被连接件失效这种极端情况下,可以认为螺栓联接中,预紧力的大小应该在 F1~Min(F2,F4)。一般来说,紧固力矩应该在合适范围内取大值,因为螺栓的轴向力越大,它的抗松动性能和抗疲劳性能就越好,同时也能更高地利用螺栓的效能,因此最合适的预紧力应为Min(F2,F4)。也就是说,在预紧力的计算过程中,主要考虑垫片最大所能成承受的压紧力,同时计算螺栓的最大许用压紧力,两者取小值。

5  结束语

目前在很多文献和标准规范中,在紧固力矩的计算时,常常只是考虑其中一种或者两种情况,没有从计算最小和最大的紧固力矩出发,全面的考虑多种不同工况下,分析总结螺栓紧固力矩的计算方法。本文通过讨论得到了一种较为全面的螺栓紧固力矩的理论计算方法,对装配工程应用具有一定的参考意义。

参考文献

[1]  成大先.机械设计手册.北京:化学工业出版社,2003:

[2] GB150-1998《钢制压力容器》.国家技术监督局,1998;

[3] Dennis R.Moss 编,陈允中译.压力容器设计手册.北京:中国石化出版社,2005:

猜你喜欢

装配螺栓
M16吊耳螺栓断裂失效分析
冷轧双切剪液压缸螺栓断裂分析
预紧力衰减对摩擦型高强螺栓群承载力的影响
螺栓紧固杂谈
塔式起重机螺栓疲劳断裂分析
智能装配生产工序研究
浅谈机械装配过程中的自动化
谈农业机械零部件的装配
凝结水泵无法盘车故障分析与处理
电子装配技能操作中的技巧运用