淺談螺栓、螺柱、螺母的相關(guān)設(shè)計與安裝規(guī)范化

上海中船三井造船柴油機(jī)有限公司 王 軍

在現(xiàn)代各行各業(yè)，尤其是機(jī)械、建筑等行業(yè)中，幾乎沒有什么產(chǎn)品能回避螺栓螺母等緊固件。隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，人們不斷總結(jié)設(shè)計和生產(chǎn)經(jīng)驗，逐漸制訂了一系列螺栓螺母的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，這其中包括常用螺栓螺母的機(jī)械性能、規(guī)格尺寸、螺栓孔的設(shè)計尺寸和擰緊方式等標(biāo)準(zhǔn)，給設(shè)計、加工及安裝等工作帶來了很大的方便。但由于這些標(biāo)準(zhǔn)體系較為繁瑣，而且標(biāo)準(zhǔn)比較分散等原因，給設(shè)計及安裝等工作帶來相對的不便。本文主要針對螺栓螺母的相關(guān)設(shè)計及安裝問題進(jìn)行總結(jié)，使螺栓螺母的設(shè)計和安裝等更加規(guī)范，最終確保產(chǎn)品的品質(zhì)。

一、螺栓螺母的相關(guān)設(shè)計

1.螺紋的選用

螺栓螺母的螺紋一般選用牙型角為60°，牙根強(qiáng)度高，具有良好自鎖功能的螺紋。螺紋依據(jù)的是GB/T 192-2003《普通螺紋基本牙型》國家標(biāo)準(zhǔn)。這種聯(lián)接螺紋根據(jù)螺距的不同，又分為粗牙螺紋和細(xì)牙螺紋。細(xì)牙螺紋的小徑比粗牙螺紋大，因此采用細(xì)牙螺紋的螺栓強(qiáng)度高，自鎖性能也好。但是，細(xì)牙螺紋不耐磨，抗剪切強(qiáng)度低，容易滑扣。一般設(shè)計時常用粗牙螺紋；對于薄壁零件、承受振動沖擊以及動載荷、精密需要微調(diào)機(jī)構(gòu)的場合，一般選用細(xì)牙螺紋；在高溫部位和采用液壓拉伸器進(jìn)行安裝的螺栓、螺紋設(shè)計時，為了拆卸方便，一般把螺栓的螺紋大徑、中徑和小徑尺寸設(shè)計比相應(yīng)規(guī)格的6g公差尺寸直徑稍小，而螺母的螺紋仍然采用6H公差，這樣螺栓螺母相配時，間隙相應(yīng)增大，就會比較容易拆卸。這種設(shè)計在船舶柴油機(jī)上，特別是排氣系統(tǒng)部位的螺栓和采用液壓拉伸器拉伸的主要螺栓都有所體現(xiàn)（見表1）。

表1 不同場合所對應(yīng)的螺紋要求

2.螺栓孔的設(shè)計

①螺栓通孔的設(shè)計

螺栓通孔的設(shè)計主要是孔徑尺寸設(shè)計，根據(jù)裝配精度的不同，選用不同直徑的螺栓孔尺寸。一般根據(jù)GB/T 5277-1985《緊固件螺栓和螺釘通孔》中的中等裝配精度設(shè)計螺栓孔直徑。由于安裝的孔徑尺寸比相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)螺栓六角頭下圓角處尺寸小，安裝時會產(chǎn)生干涉，所以螺栓通孔的兩端應(yīng)倒角。

在機(jī)械等設(shè)備的裝配過程中，很多采用螺栓頭部加平墊圈或彈簧墊圈的情況，但根據(jù)GB/T 5782-2000《六角頭螺栓》、GB/T 97.1-2002《平墊圈 A級》和GB/T 93-1987《標(biāo)準(zhǔn)型彈簧墊圈》可知，六角頭螺栓的頭部圓弧處直徑大于平墊圈或彈簧墊圈的內(nèi)徑，因此會產(chǎn)生干涉。故在設(shè)計、安裝時應(yīng)避免使用上述組合結(jié)構(gòu)，這一點在GB/T 1230-2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度墊圈》中有明確的體現(xiàn)，此標(biāo)準(zhǔn)中墊圈采用了內(nèi)徑倒角結(jié)構(gòu)。表2中匯總了螺栓通孔的設(shè)計中易產(chǎn)生的問題及解決方法。

表2 螺栓通孔的設(shè)計中易產(chǎn)生的問題及解決方法

②螺栓螺紋孔的設(shè)計

螺栓螺紋孔設(shè)計時，主要是螺紋孔的攻深和鉆深尺寸。根據(jù)不同的基體材料，相同螺紋的攻深和鉆深尺寸是不同的，設(shè)計時，螺紋孔的攻深一般按照下式計算：

式中：H1為螺紋孔的攻深，mm

H為螺栓擰入螺紋孔的長度，mm

P為螺紋孔的螺紋螺距，mm

螺紋孔的鉆深按照下式計算：

式中：H2為螺紋孔的鉆深，mm

D為螺紋孔的螺紋公稱直徑，mm

為了保證螺栓預(yù)緊及承受工作載荷時，不至于螺紋脫扣，不同基體材料的螺栓擰入長度是不同的。一般鋼或青銅材料：H＝d；鑄鐵材料：H＝（1.25～1.5）d；鋁合金材料：H＝（1.5～2.5）d，其中H為螺栓的擰入長度，d為螺栓螺紋的公稱直徑。

具體的螺栓孔設(shè)計尺寸可以參照J(rèn)B/GQ 0126-1980《粗牙螺柱、螺釘?shù)臄Q入深度、攻絲深度和鉆孔深度》和JB/ZQ 4247-2006《普通螺紋內(nèi)外螺紋余留長度，鉆孔余留深度，螺栓突出螺母的末端長度》，這兩個標(biāo)準(zhǔn)中有具體規(guī)格的螺紋孔攻深、鉆深及余留長度等尺寸。而通常設(shè)計時，螺栓螺紋伸出螺母的長度，一般按照2～3牙，即2～3倍的螺距長度。

③螺栓孔（通孔或螺紋孔）的其他尺寸設(shè)計

螺栓軸線到零件邊緣的距離尺寸，一般按照下式計算：

式中：e為螺栓軸線到零件邊緣的距離尺寸，mm

二、螺栓螺母的預(yù)緊

在安裝時，絕大多數(shù)螺紋聯(lián)接都必須擰緊，使被聯(lián)接件受到壓縮，螺栓受到拉伸。這種在螺栓承受工作載荷之前受到的力稱為預(yù)緊力。預(yù)緊的目的是為了提高聯(lián)接的可靠性、緊密性和防松能力。螺栓螺母的預(yù)緊力控制方法主要有：力矩法、螺栓螺母轉(zhuǎn)角法、螺栓伸長量控制法、拉伸法（液壓拉伸器拉伸）及其他特殊設(shè)計方法，本文主要介紹力矩法、螺栓螺母轉(zhuǎn)角法以及液壓拉伸器拉伸法。

1.力矩法

①適用范圍和需注意的問題

力矩法是最常用的螺栓螺母預(yù)緊力的控制方法，預(yù)緊力的精度誤差為±25%。但是這種方法費用較低，對于預(yù)緊力精度要求不高的場合非常適用。同時，只要螺紋表面較好，沒有影響擰緊力矩的毛刺，并且增加螺紋及其端面的潤滑，預(yù)緊力的精度誤差會明顯的降低。

②計算

預(yù)緊力大小一般根據(jù)螺栓組的受力和聯(lián)接的工況要求決定。一般只承受預(yù)緊力的螺栓聯(lián)接，預(yù)緊力為材料屈服極限的75%設(shè)計，其他需要承受工作載荷的螺栓，其總拉力按照材料屈服極限的75%設(shè)計，通過下式折算出預(yù)緊力的數(shù)值：

式中：F0為螺栓預(yù)緊力

F2為螺栓總拉力

F為螺栓工作拉力

Cb/(Cb+Cm)為螺栓的相對剛度，金屬墊片或不用墊片時，取0.2～0.3；銅皮石棉墊片時，取0.8；橡膠墊片時，取0.9。其中Cb為螺栓的剛度，Cm為被聯(lián)接件的剛度。

計算出預(yù)緊力以后，就可以通過下式計算出螺栓螺母的擰緊力矩：

接觸的支承面為圓環(huán)形狀時：

式中：Dw為支承面摩擦扭矩的等效直徑對于粗牙普通螺紋，無潤滑的情況，粗略計算k一般取0.2，而在有潤滑的情況下，若在螺紋部分涂上二硫化鉬等，粗略計算k一般取0.12。根據(jù)上述公式（6）計算出標(biāo)準(zhǔn)粗牙螺紋、細(xì)牙螺紋螺栓、螺母的螺紋摩擦系數(shù)μs、支撐面摩擦系數(shù)μw與扭矩系數(shù)的對照（見圖1，摘自GB/T 16823.2-1997標(biāo)準(zhǔn)），設(shè)計時根據(jù)不同的摩擦系數(shù)可以直接查出相應(yīng)的扭矩系數(shù)。一般連接螺栓、螺母的擰緊扭矩在一般場合下也可以參照J(rèn)B/T 5000.10-2007選用，不必進(jìn)行精確計算。

圖1 螺紋摩擦系數(shù)μs、支撐面摩擦系數(shù)μw與扭矩系數(shù)的對照表圖

2.轉(zhuǎn)角法

目前，轉(zhuǎn)角法在特別重要的螺栓聯(lián)接系統(tǒng)中使用較為普遍，特別是汽車和鋼結(jié)構(gòu)等行業(yè)。預(yù)緊力的精度較高，能夠達(dá)到±15%以內(nèi)。本法計算如下：

根據(jù)《材料力學(xué)》中的虎克定律，在彈性范圍內(nèi)，螺栓的伸長量與預(yù)緊力的關(guān)系按照下式計算：

式中：Δl為在預(yù)緊力作用下螺栓伸長量，mm

L為螺栓的有效長度，見式（11），粗略計算時，取螺栓本身的長度，mm

E為螺栓材料的彈性模量，MPa

A為螺栓的截面積，mm2

其中，螺栓的有效長度L，如圖2，根據(jù)《美國機(jī)械工程師手冊》計算如下：

圖2 螺栓的有效長度L

式中：dts為螺栓的應(yīng)力直徑，mm

d為螺栓螺紋的公稱直徑，mm Ls為光桿長度，mm

HB為螺栓頭厚度，mm LJ為夾緊長度，mm HN為螺母厚度，mm

而螺栓螺母旋轉(zhuǎn)360°時，上升或下降1個螺距p的高度。因此，在預(yù)緊力的作用下，螺栓伸長Δl時，螺栓螺母的旋轉(zhuǎn)角度為：

目前，筆者常用做法是，首先旋緊螺栓螺母，使其與被聯(lián)接件密貼，擰緊扭矩為100 N.m，根據(jù)式（12）計算出旋轉(zhuǎn)的角度。該方法獲得的預(yù)緊力除了受聯(lián)接系統(tǒng)的剛度影響外，不受聯(lián)接件的加工誤差、摩擦系數(shù)等影響，所以該方法控制預(yù)緊力的精度較高。

3.液壓拉伸器法

該方法通過液壓拉伸器拉伸使螺栓伸長，擰緊螺母后，除去外力達(dá)到設(shè)計規(guī)定的預(yù)緊力要求。該方法在船用柴油機(jī)上的重要螺栓聯(lián)接中普遍采用，如主軸承螺栓、氣缸蓋螺栓、連桿螺栓等，預(yù)緊力控制非常精確，可以達(dá)到±5%的精度。

目前，船用柴油機(jī)上的液壓拉伸器的油壓可以達(dá)到220MPa。設(shè)計液壓拉伸器時，確定好油壓后，關(guān)鍵是設(shè)計液壓拉伸器的油缸活塞的面積，計算如下：

式中：A1為油缸活塞的面積，mm2

P為液壓拉伸器的油壓，MPa

三、螺柱的種緊扭矩

螺柱種入機(jī)體中，為了保證螺母拆卸時不至于松動，并保證螺柱與機(jī)體的垂直度等要求，必須在螺柱種入到機(jī)體時，施加一定的種緊扭矩。經(jīng)查國內(nèi)沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，本公司引進(jìn)國外的專利技術(shù)，按照引進(jìn)的技術(shù)要求，制訂了帶導(dǎo)向端螺柱（如圖3）和不帶導(dǎo)向端螺柱（如圖4）的種緊扭矩相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（如圖5、6）。

圖3 帶導(dǎo)向端螺柱

圖4 不帶導(dǎo)向端螺柱

圖5 帶導(dǎo)向端螺柱的種緊扭矩

圖6 不帶導(dǎo)向端螺柱的種緊扭矩

若螺柱的長度和直徑之比大于5，則根據(jù)表格查出的種緊扭矩數(shù)值可以降低到25%。在螺柱種入到機(jī)體上時，也可以在螺柱的種入端涂上螺紋膠水，特別適用于不經(jīng)常拆卸的場合。

四、螺栓螺母材料設(shè)計

在螺栓螺母組合中，一般螺栓材料的強(qiáng)度會比相配合螺母材料的強(qiáng)度高，而實際使用時，在超載狀態(tài)下，總是希望螺栓先斷裂，而不是螺栓或螺母脫扣（因為螺栓的斷裂會突然發(fā)生；而螺紋的脫扣則是逐漸發(fā)生的，故很難發(fā)現(xiàn)，由此會增加因螺栓或螺母失效而造成事故的危險性），因而在設(shè)計時螺母材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)就是一個非常關(guān)鍵的問題。

當(dāng)螺栓承受的拉伸力為F，螺栓與螺母的有效旋合長度為L，假設(shè)螺栓的最小截面直徑即為螺紋的小徑d1，則根據(jù)相關(guān)的理論計算出螺栓的拉應(yīng)力、螺栓螺紋的剪切應(yīng)力以及螺母螺紋的剪切應(yīng)力分別為：

螺栓的拉應(yīng)力：

螺栓螺紋的剪切應(yīng)力：

螺母螺紋的剪切應(yīng)力：

式中：k1為螺栓螺母的螺紋完整系數(shù)

k2為螺母上螺紋受力的均勻系數(shù)

通過上式計算出，螺栓斷裂失效時，可以承受的最大拉伸力：

螺栓螺紋脫扣失效時，可以承受最大拉伸力：

式（18）中假定[τ1]＝0.75[σ]，則螺母螺紋脫扣失效時，可以承受的最大拉伸力：

為了保證螺栓首先斷裂，則必須有F1＜F2和F1＜F3。一般標(biāo)準(zhǔn)的螺母厚度約為0.8D，即L＝0.8D。根據(jù)式（17）、（19）可以得出：

由于式 （20）中D2d1-2>1，取k1＝0.87，k2＝0.7，則螺栓的強(qiáng)度至少可以滿足：

因此，螺栓的材料強(qiáng)度至少可以比螺母的材料強(qiáng)度高1.46倍，不會出現(xiàn)螺母螺紋脫扣現(xiàn)象。這一點，在實際螺栓螺母材料的選用中得到了非常充分地證明，如8級的螺母選用35號鋼亦可滿足強(qiáng)度要求。

五、螺栓、螺柱、螺母的防松現(xiàn)狀

1.采用鎖緊鋼絲進(jìn)行防松是較為常用的防松方法，而且最簡便、經(jīng)濟(jì)；

2.采用彈簧墊圈進(jìn)行防松，也是種常見防松方法。但是根據(jù)相關(guān)的理論及國外經(jīng)驗分析發(fā)現(xiàn)，這種方法效果非常差，而且會加劇松動的趨勢，并會損壞精密的加工面，所以本公司在設(shè)計時已經(jīng)禁止采用彈簧墊片的防松方法；

3.螺紋鎖固膠防松，效果較好，特別適用于不經(jīng)常拆卸的場合；

4.對于8.8級及以上性能等級的螺栓，如果其長度和公稱直徑的比值大于5，在嚴(yán)格控制其預(yù)緊力的情況下，可以省略防松元件。這樣即使承受沖擊載荷，一般還能保證足夠的殘余預(yù)緊力，阻止螺栓、螺母的松動。根據(jù)此方法，在設(shè)計螺栓時，可以增加螺栓的有效夾緊長度，使其在規(guī)定的范圍內(nèi)，而增加的螺栓長度，可以通過增加厚墊圈（定距管）來填補(bǔ)增加的螺栓夾緊長度。這種方法在船用柴油機(jī)上大量采用；

圖7 NORD-LOCK鎖緊墊圈

5.采用NORD-LOCK鎖緊墊圈，如圖7，防松效果非常明顯。目前，該防松方法在船用柴油機(jī)上也得到了大量的采用。試驗表明該方式的防松效果較其他的防松方式明顯提高，特別適用于振動較大的場合。NORD-LOCK鎖緊墊圈是由兩片相同的墊圈組成一套，每片的上下面帶有不同的鋸齒。一面為大齒，其齒形斜面角度α大于螺栓的螺紋角β；另一面為較小的密齒。NORD-LOCK鎖緊墊圈安裝時，要大齒面相對，成對安裝，小齒面分別與螺母和被聯(lián)接件相接觸。擰緊螺栓螺母后，振動發(fā)生時，大齒面會錯動抬升，并由齒形斜面角度α大于螺栓的螺紋角β的原理來鎖住螺栓螺母，使之不能松動（如圖8）；

圖8 NORD-LOCK自鎖原理

6.采用自鎖螺母進(jìn)行防松，自鎖螺母一般分為非金屬（尼龍）嵌件自鎖螺母和全金屬自鎖螺母，非金屬嵌件自鎖螺母的工作溫度為-50℃～120℃，全金屬自鎖螺母的工作溫度為-50℃～300℃。

六、總結(jié)

螺栓、螺柱、螺母的設(shè)計過程中，應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計計算，確保這些緊固件的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化程度，方便加工和安裝。

根據(jù)不同的使用場合，選取合適的控制預(yù)緊力的方法，通過計算，精確地控制預(yù)緊力。

選取合適的防松方法，使之防松更可靠、更方便。

通過計算表明，螺母材料可以選擇強(qiáng)度低于螺栓材料，實現(xiàn)與螺栓的匹配，這樣可以在保證安全的情況下，最大程度地節(jié)約材料。

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