趙平

1、引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，大型及超大型機(jī)械廣泛應(yīng)用于石化、電站、礦山、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸及冶金等行業(yè)。對(duì)投資大、使用壽命長、安全性要求高的重要設(shè)備，其安全性和運(yùn)行可靠性在整個(gè)生產(chǎn)過程中起著關(guān)鍵作用。而螺栓往往是保證設(shè)備密封、連接的可靠性的重要部件之一。

螺栓緊固是利用產(chǎn)生大于載荷的、精確的、可持久的預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)的。只要預(yù)緊力大于載荷，螺栓連接不會(huì)出現(xiàn)問題，但預(yù)緊力過大，也會(huì)導(dǎo)致螺栓本體及連接件破壞。而且，隨著螺栓直徑增大，擰緊螺栓所需要的扭矩呈指數(shù)型增加，要實(shí)現(xiàn)精確的預(yù)緊力，對(duì)于大直徑的螺栓尤為困難。對(duì)于普通大型螺栓，緊固時(shí)常需要借助錘擊、加熱液壓扳手、液壓拉力器等笨拙的方法，有時(shí)甚至需要起重機(jī)拉動(dòng)專用輪型扳手，來使螺栓產(chǎn)生足夠的預(yù)緊力，以達(dá)到緊固的目的。但這些方法既費(fèi)時(shí)，又費(fèi)力，也很不經(jīng)濟(jì)。

超級(jí)螺栓提供了解決普通大螺栓精度差、耗費(fèi)時(shí)間、設(shè)備昂貴、安全隱患、螺紋咬死等問題的最佳解決方案。其在擰緊所用的扭矩小、精度高、防松方面的優(yōu)勢尤為突出。本文首先介紹了超級(jí)螺栓的主要結(jié)構(gòu)、運(yùn)作過程及特點(diǎn)；然后通過理論計(jì)算，解釋超級(jí)螺栓可以節(jié)省扭矩的原因；最后，用有限元軟件證實(shí)了超級(jí)螺栓可以通過小的扭矩來預(yù)緊效果。

2、超級(jí)螺栓

2.1超級(jí)螺栓的結(jié)構(gòu)

超級(jí)螺栓又稱多級(jí)頂推超級(jí)螺栓，是由一個(gè)中心螺栓和一個(gè)周圍帶有一圈同心多級(jí)頂推螺栓的螺母組成。超級(jí)螺栓的實(shí)物及結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。主螺紋用于安置預(yù)緊器在螺栓或螺柱上并靠在硬墊片及承載面上。一旦安置到位，螺栓或螺柱的實(shí)際張緊通過簡單的手動(dòng)工具來擰緊環(huán)繞著主螺紋一圈的頂推螺栓來實(shí)現(xiàn)，頂推螺釘均勻地傳遞預(yù)緊力到主螺紋上，從而，也傳遞到連接件上。主螺紋被純張力鎖緊。

2.2超級(jí)螺栓的運(yùn)作

超級(jí)螺栓的運(yùn)作原理見圖2。其運(yùn)作步驟如下：1）通過擰緊頂多螺栓，產(chǎn)生了強(qiáng)大的頂推力（軸力）。這個(gè)頂推力直接作用在硬墊片上。頂推螺栓摩擦直徑小，因此可以用相對(duì)小的扭矩來實(shí)現(xiàn)高的頂推力。2）負(fù)載被傳遞到已經(jīng)手動(dòng)安裝到主螺紋上的螺母主體上。3）硬墊片用來傳遞力，同時(shí)保護(hù)法蘭面。4）頂推螺栓的（軸向）頂推力和主螺栓頭的方向作用力一起在法蘭上產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的夾緊力。5）頂推螺栓的頂推力（軸向）在主螺栓上產(chǎn)生一個(gè)相同大小的力。

2.3超級(jí)螺栓的優(yōu)勢

超級(jí)螺栓在以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢非常突出：1）機(jī)械效益明顯：傳統(tǒng)螺栓在緊固時(shí)將力集中在單個(gè)螺栓上，而頂推螺栓將力分散在多個(gè)頂推螺栓上。頂推螺栓直徑小，所需力矩就小，但數(shù)量多，集合起來產(chǎn)生強(qiáng)大的推力作用在硬墊片上，便在主螺栓上產(chǎn)生一個(gè)同等的作用反力。2）精確的預(yù)緊力：傳統(tǒng)的緊固方法一直試圖通過使用雙螺母、焊接固定、開銷槽等方法來防止螺栓松動(dòng)。但這些方法治標(biāo)不治本，例如，螺栓雖然被固定了，但由于承受全部載荷，在循環(huán)載荷的作用下，也會(huì)產(chǎn)生斷裂等破壞。因此，獲得精確的預(yù)緊力，并且具有防松結(jié)構(gòu)是螺栓連接穩(wěn)定、持久、可靠的保證。3）省時(shí)省力省空間：由于頂推螺栓所需要的力矩小，只需普通的手動(dòng)扳手即可產(chǎn)生強(qiáng)大的螺栓壓強(qiáng)。因?yàn)橹恍枋謩?dòng)工具，需要時(shí)多倍工人可以同時(shí)一起工作。而且，正確的設(shè)計(jì)和擰緊的連接件在服務(wù)時(shí)將不會(huì)松動(dòng)，便減少了故障停機(jī)時(shí)間。對(duì)于受限區(qū)域，多頂推預(yù)緊器更容易安裝。4）其他優(yōu)勢：如，純張力鎖緊消除了一般扭矩方法安裝時(shí)發(fā)生的螺紋咬死；預(yù)緊器移除方便，減少了使用其他標(biāo)準(zhǔn)螺栓連接方法時(shí)可能發(fā)生的機(jī)器故障；用手動(dòng)工具做個(gè)簡單的扭矩測試即可輕易地檢驗(yàn)連接件是否緊密；可以充分地重復(fù)利用等。

3、超級(jí)螺栓的受力分析

如圖2所示，頂推螺栓擰緊后所產(chǎn)生的預(yù)緊力直接作用于硬墊片上，使螺母受張力離開墊片表面，頂推螺栓的合力與主螺栓形成一對(duì)反力對(duì)緊固件產(chǎn)生強(qiáng)大的加緊作用，硬墊片在其中起傳遞預(yù)緊力和保護(hù)緊固件的作用。對(duì)于螺栓連接，其擰緊力矩T用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被連接件（或墊圈）支撐面間的端面摩擦力矩T2。

4超級(jí)螺栓的有限元分析

4.1有限元簡化模型

法蘭連接是壓力容器上必不可少的重要部件之一，也廣泛應(yīng)用于石油化工、電力、原子能、輕工等領(lǐng)域。為了模擬超級(jí)螺栓在實(shí)際應(yīng)用中的效果，將超級(jí)螺栓應(yīng)用在管板兼做法蘭的法蘭-螺栓連接結(jié)構(gòu)中。考慮螺栓法蘭連接系統(tǒng)中，法蘭、墊片和螺栓為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了減少計(jì)算量，選用1/4模型，簡化的有限元模型如圖3所示。另外，為了簡化約束以及載荷的施加方式，將頂推螺栓簡化成作用在墊片和螺母上的力。

4.2網(wǎng)格劃分

本模型主要采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。其中節(jié)點(diǎn)數(shù)為118555，單元數(shù)為33982。

4.3載荷及邊界條件

在ANSYS模型的兩個(gè)剖分面，即對(duì)稱面上，施加對(duì)稱約束；在法蘭側(cè)末端施加固定約束，約束施加示意如圖5。對(duì)于M36的主螺栓，選用M10的頂推螺栓。主螺栓需要的預(yù)緊力為215KN，普通螺栓需要施加583.2Nm的扭矩才可以滿足。而對(duì)于頂推螺栓，只需要每個(gè)頂推螺栓施加38.8KN的預(yù)緊力，即通過27Nm的扭矩便可以使主螺栓產(chǎn)生215KN得預(yù)緊力。將頂推螺栓的頂推力簡化成作用在墊片向下的壓緊力以及螺母向上的頂推力，墊片和螺母上的載荷施加情況如圖6和圖7所示。

4.4有限元分析結(jié)果與評(píng)價(jià)

ANSYS模擬結(jié)果如圖8所示，最大應(yīng)力強(qiáng)度出現(xiàn)在上下法蘭的接觸面直角邊周圍，由于關(guān)注的重點(diǎn)是超級(jí)螺栓，所以沒有對(duì)此處做圓角過渡處理。用力探針檢測主螺栓的力，大小與周圈小螺栓預(yù)緊力的合力相同，見圖9，這與張[2]等得到的結(jié)論相吻合。并且，從有限元分析云圖可以看出，由于頂推螺栓直接作用于墊片上，減小了對(duì)壓緊件的壓潰破壞。頂推螺栓能夠均勻傳遞力，并有效減小了扭矩。

5、結(jié)論

超級(jí)螺栓特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有預(yù)緊扭矩小、防松、省時(shí)省力、連接可靠等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于大螺栓，優(yōu)勢更為明顯。從對(duì)超級(jí)螺栓的受力分析和有限元分析可以看出，超級(jí)螺栓的頂推螺栓能夠使預(yù)緊力降低1/n倍，扭矩降低1/xn倍。有限元的分析結(jié)果也證實(shí)了頂推螺栓與主螺栓的這種力和扭矩的這種變化關(guān)系。超級(jí)螺栓雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是，由于生產(chǎn)成本高，技術(shù)問題等，目前在國內(nèi)并沒有非常廣泛的應(yīng)用。超級(jí)螺栓的實(shí)際應(yīng)用及其有限元分析還有待進(jìn)一步研究。

（作者單位：山東豪邁機(jī)械制造有限公司）