童輝云 包珺

（武漢長海高新技術(shù)有限公司，武漢 430223）

1 引言

螺母和螺栓是最常用的緊固件，它們可以承受很高的工作負荷，并且可以拆卸下來再加以重復(fù)利用。因此，螺栓聯(lián)接具有應(yīng)用廣泛、聯(lián)接牢固可靠、互換性強的優(yōu)點。

螺栓聯(lián)接的可靠性主要取決于兩個方面：一是設(shè)計要合理可靠；二是裝配過程確保聯(lián)接質(zhì)量。

2 合理可靠的設(shè)計計算

設(shè)計時根據(jù)受力情況及結(jié)構(gòu)尺寸要求，先進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，即確定螺栓的布置方式、數(shù)量及聯(lián)接結(jié)合面集合形狀，然后進行受力分析，找出一組中受力最大的螺栓及其受力大小，進行強度計算［1］。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計時要遵循以下原則：

1）聯(lián)接結(jié)合面的幾何形狀要合理，如成軸對稱的形狀；結(jié)合面要便于加工；

2）螺栓的位置應(yīng)靠近結(jié)合面邊緣，以減少螺栓受力；

3）同一組螺栓的大小和長度應(yīng)盡量相同；

4）應(yīng)避免螺栓受附加彎曲載荷；

5）應(yīng)考慮扳手空間，便于裝配操作。

2.2 受力分析及強度計算

受力分析時，假設(shè)螺栓為彈性體，其變形在彈性范圍內(nèi)；每個螺栓的預(yù)緊力相同；結(jié)合面的壓強均布；被聯(lián)接件為剛體；受載后結(jié)合面應(yīng)保持平面接觸。因此螺栓的強度計算可以簡化為單個螺栓的強度計算。

單個螺栓聯(lián)接的強度計算是螺栓聯(lián)接強度計算的基礎(chǔ)。對單個螺栓聯(lián)接而言，其受力的形式不外乎是受軸向力或受橫向力［2］。

在軸向力（包括預(yù)緊力）的作用下，螺栓桿和螺紋部分可能發(fā)生塑性變形甚至斷裂，塑性變形是不可恢復(fù)的變形［3］；而在橫向力的作用下，當采用配合螺栓時，螺栓桿和孔壁間可能發(fā)生壓潰或螺栓桿被剪斷。

單個螺栓聯(lián)接的強度計算通常分三種情況：

1）僅受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接

如圖 1所示，螺栓危險剖面的拉伸強度條件為：

式中：σca─計算應(yīng)力；Qp─螺栓所受預(yù)緊力；A─螺栓危險剖面面積；［σ］─螺栓材料的許用應(yīng)力

圖1 僅受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接

2）承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接

圖2 承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接

如圖 2所示，螺栓危險剖面的拉伸強度條件為：

式中：Q─螺栓所受總拉力

式中：F─螺栓所受工作拉力；Cb/（Cb+Cm） ─螺栓的相對剛度，設(shè)計時可參考表 1推薦的數(shù)據(jù)選取。

3）承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接

如圖 3所示，螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為：

螺栓桿的剪切強度條件為：

式中：F─螺栓所受工作剪力；d0─螺栓剪切面的直徑；Lmin─螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度；［σ］p─螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力；［τ］─螺栓材料的許用剪切應(yīng)力。

表1 螺栓的相對剛度Cb/（Cb+Cm）

圖3 承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接

表2 擰緊力矩系數(shù)K

2.3 預(yù)緊力的控制

一般規(guī)定擰緊后螺栓聯(lián)接件預(yù)緊應(yīng)力不得大于其材料屈服點 σs的 80%［1］。對于一般聯(lián)接用鋼制螺栓，推薦用預(yù)緊力限值如下：

式中：As─螺栓公稱應(yīng)力；

式中：d1─外螺紋小徑；d2─外螺紋中徑

2.4 擰緊力矩計算

為了增強螺栓聯(lián)接的剛性、緊密性、防松能力以及受橫向載荷螺栓聯(lián)接的滑動，多數(shù)螺栓聯(lián)接在裝配時都要預(yù)緊。其擰緊力矩T是用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被聯(lián)接件支承面間的端面摩擦力矩T2。

式中：K─擰緊力矩系數(shù)，設(shè)計時可參考表 2推薦的數(shù)據(jù)選??；d─螺栓公稱直徑。

2.5 設(shè)計實例分析

圖4 飛輪連接盤螺栓聯(lián)接

如圖 4所示，螺栓均布在同一平面上，受力均勻，加工和安裝方便。

經(jīng)過受力分析可知，該螺栓組承受預(yù)緊力和旋轉(zhuǎn)剪切力。

先計算預(yù)緊力，由式（6）可得：

再進行拉伸強度校核，由式（1）可得：

再進行螺栓桿的剪切強度校核，由式（5）可得：

式中：

因此，該螺栓組聯(lián)接設(shè)計合理可靠。

3 裝配過程確保螺栓聯(lián)接質(zhì)量的方法

在螺栓聯(lián)接裝配過程中，任何一種危險狀況的產(chǎn)生都是無征兆的。經(jīng)驗和教訓(xùn)告訴我們，裝配產(chǎn)品所發(fā)生的大量事故里，主要原因是螺栓聯(lián)接的質(zhì)量問題。

3.1 影響螺栓聯(lián)接質(zhì)量的主要因素

影響裝配結(jié)果受到許多變量的影響。日本科學(xué)家 Karuo Ishikawa對此作出了圖解分析，分類列出了各種原因。將 Karuo Ishikawa的圖解分析運用到螺栓聯(lián)接上，可以確認存在四種影響因素［4］，如圖5所示。

3.2 確保螺栓聯(lián)接質(zhì)量的方法

為了確保螺栓聯(lián)接的質(zhì)量，就必須做到：

圖5 螺栓聯(lián)接質(zhì)量影響因素

1）加強對操作者的技能培訓(xùn)

熟練掌握螺栓聯(lián)接工藝原理的操作者能夠洞悉影響螺栓聯(lián)接質(zhì)量的主要因素，對螺栓聯(lián)接的失效能很好地處理。

2）選擇合適的擰緊工具

對于重要的聯(lián)接部位，必須使用有轉(zhuǎn)矩控制的擰緊工具，如：扭力扳手。其優(yōu)點是：所有的螺栓聯(lián)接數(shù)據(jù)都可以被測量，不合格者立即被識別，從而允許零件被直接重新利用或維修時進行更換；操作者可以知道每個螺栓聯(lián)接的擰緊質(zhì)量；測量結(jié)果可以存檔。

3）制定并執(zhí)行正確的裝配工藝

在制定裝配工藝時應(yīng)按以下原則［5］：保證產(chǎn)品質(zhì)量；滿足裝配周期要求；盡量減少手工勞動量；盡量減少成本。首先考慮的是質(zhì)量，有了質(zhì)量才有數(shù)量。

4）嚴格把關(guān)緊固件材料的質(zhì)量

緊固件的材料性能、幾何形狀、表面處理等將影響到螺栓聯(lián)接的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

螺栓聯(lián)接看似簡單，因此往往容易被人輕視。而輕視的后果將會非常嚴重─輕則產(chǎn)品出現(xiàn)故障，重則危及人身安全。所以確保螺栓聯(lián)接的可靠性極為重要。

[1] 成大先. 機械設(shè)計手冊. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2004年9月.

[2] 濮良貴. 機械設(shè)計. 北京: 高等教育出版社.

[3] 王希林. 金屬材料及熱處理. 北京: 水利電力出版社, 1992年11月

[4] Volker Schatz著, 朱正德, 郭林健等譯. 實現(xiàn)螺栓可靠裝配的 10個步驟. 北京: 機械工業(yè)出版社,2010年1月

[5] 王先逵. 機械制造工藝學(xué). 北京: 清華大學(xué)出版社,1996年3月.