轉(zhuǎn)盤(pán)軸承連接螺栓應(yīng)用分析

徐佐宇，李穎

(1.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100013； 2.國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司，北京 100039)

絕大多數(shù)轉(zhuǎn)盤(pán)軸承的內(nèi)、外圈上均帶有一定數(shù)量的螺栓孔，安裝時(shí)利用螺栓將轉(zhuǎn)盤(pán)軸承固定在座架上。主機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中承受的力和力矩需通過(guò)螺栓傳遞，若螺栓連接破壞將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果，因此螺栓是保證主機(jī)旋轉(zhuǎn)部件安全工作的關(guān)鍵零件。一般轉(zhuǎn)盤(pán)軸承內(nèi)、外圈上的螺栓孔規(guī)格與數(shù)量均相同，且沿圓周均勻分布。螺栓孔的布局及螺栓的安裝方式對(duì)于保障轉(zhuǎn)盤(pán)軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。

1 螺栓連接系統(tǒng)分析

某轉(zhuǎn)盤(pán)軸承螺栓連接示意圖如圖1所示。其承受的最大工況條件為：軸向載荷Fa，徑向載荷Fr，傾覆力矩M。軸承內(nèi)、外圈與座架均通過(guò)j個(gè)螺栓連接，內(nèi)、外圈上連接螺栓孔的中心圓直徑分別為Di和De。

螺栓受力與變形的關(guān)系如圖2所示[1]，曲線(xiàn)Ⅰ為螺栓彈性曲線(xiàn)，曲線(xiàn)Ⅱ?yàn)楸贿B接零件的彈性曲線(xiàn)，在D點(diǎn)時(shí)螺栓拉力達(dá)到規(guī)定的預(yù)緊力FM，此時(shí)螺栓對(duì)被連接零件的壓力等于預(yù)緊力。在預(yù)緊狀態(tài)下，螺栓承受拉力外載荷FA時(shí)，使螺栓的伸長(zhǎng)量增加了fSA，被連接零件的壓縮量減少了fPA(fPA=fSA)，螺栓上的拉力增加了FSA,被連接零件上的夾緊力減小了FPA，則

圖1 轉(zhuǎn)盤(pán)軸承螺栓連接簡(jiǎn)圖

圖2 螺栓受力與變形關(guān)系圖

FA=FSA+FPA。

2 預(yù)緊力推薦

適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力可充分發(fā)揮螺栓性能，提高螺栓在交變載荷下的疲勞強(qiáng)度，防止螺栓在外力作用下與安裝座架貼合面產(chǎn)生間隙，造成沖擊[2]。

轉(zhuǎn)盤(pán)軸承中螺栓的預(yù)緊一般采用定力矩扳手或液壓拉伸器完成。在擰緊螺母時(shí)，螺栓被拉伸并使被連接件貼緊，當(dāng)扳手的擰緊力矩MA達(dá)到某值時(shí)，對(duì)應(yīng)螺栓的拉伸預(yù)緊力FM也達(dá)到了要求。螺栓直徑越大，扳手?jǐn)Q緊過(guò)程中螺母端面處和螺紋處的摩擦力矩不確定性的影響越大，所以對(duì)于直徑較大的螺栓(螺栓直徑d≥30 mm)推薦使用液壓拉伸器，可以施加相對(duì)精確的預(yù)緊力。

螺栓強(qiáng)度校核規(guī)范VDI 2230—2003認(rèn)為，螺栓在預(yù)緊狀態(tài)下的內(nèi)部應(yīng)力(螺栓的剪切應(yīng)力與拉應(yīng)力的合成應(yīng)力)約為90%材料屈服極限應(yīng)力時(shí)為最佳預(yù)緊狀態(tài)。轉(zhuǎn)盤(pán)軸承多采用8.8(非比例延伸強(qiáng)度RP0.2=660 N/mm2)或10.9(非比例延伸強(qiáng)度RP0.2=940 N/mm2)級(jí)螺栓，安裝螺栓所需預(yù)緊力或預(yù)緊力矩的推薦值見(jiàn)表1和表2(緊固方法依據(jù)ISO 898標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行)。

3 螺栓安全性驗(yàn)證

在驗(yàn)證轉(zhuǎn)盤(pán)軸承中螺栓的安全性時(shí)，進(jìn)行如下假設(shè)：(1)螺栓孔在軸承套圈上均勻分布；(2)螺栓夾緊長(zhǎng)度至少為5d；(3)螺紋孔中螺紋連接長(zhǎng)度最小為d(8.8級(jí)螺栓)、1.25d(10.9級(jí)螺栓)。

表1 采用定力矩扳手安裝螺栓時(shí)的預(yù)緊力和力矩

表2 采用液壓拉伸器安裝螺栓時(shí)的預(yù)緊力

由于內(nèi)、外圈螺栓數(shù)量和規(guī)格相同，內(nèi)圈螺栓孔中心圓直徑較小，則內(nèi)圈上單個(gè)螺栓所受的載荷較大，所以?xún)H需對(duì)內(nèi)圈上螺栓受力情況進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 螺栓承受的最大外部工作載荷

在純傾覆力矩M作用下，均布螺栓連接中的力和軸向變形如圖3所示。在純傾覆力矩M作用下，最大受載螺栓的外部工作載荷為FA1max,與最大受載螺栓相距φ處(同一套圈上)的螺栓所受的外部工作載荷為

FA1=FA1maxcosφ。

(1)

圖3 力矩作用下螺栓受力與變形簡(jiǎn)圖

純傾覆力矩作用下，M與所有螺栓所承受的外部載荷間的關(guān)系為

(2)

由(1)式和(2)式可得

“學(xué)案教學(xué)”不是把“我”知道的告訴給學(xué)生，學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)，被動(dòng)接受并確認(rèn)，而是讓學(xué)生主動(dòng)發(fā)現(xiàn)知識(shí)、建構(gòu)知識(shí)，學(xué)生在獲得知識(shí)的過(guò)程中有了親歷、有了體驗(yàn)，形成了“生成”的能力。利用學(xué)案教學(xué)的課堂，要學(xué)會(huì)“放而不亂”，“放”不是放任自流、漫無(wú)目的，要把握準(zhǔn)確的“度”，找到最佳結(jié)合點(diǎn)。教師要利用學(xué)案把學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容，學(xué)習(xí)目標(biāo)，學(xué)習(xí)重難點(diǎn)攥在了自己手里。

(3)

在純軸向載荷Fa作用下產(chǎn)生的均勻分布的螺栓外部工作載荷為

FA2=Fa/j。

(4)

在力和力矩共同作用下最大受載螺栓上的外部工作載荷FA為

FA=FA1max+FA2=4M/(Dij)±Fa/j，

(5)

式中：j為螺栓個(gè)數(shù)；當(dāng)軸向力指向軸承時(shí)，取“-”，當(dāng)軸向力背離軸承時(shí)，取“+”。

3.2 螺栓屈服極限校核

螺栓預(yù)緊后受拉余量F′為

F′=0.1Rp0.2AS。

(6)

受外力時(shí)螺栓拉力增加值FSA為

FSA=0.65ΦKFA，

(7)

式中：ΦK為載荷系數(shù)，該值與螺栓和被連接零件的柔性有關(guān)，一般取0.2～0.3。

若FSA

3.3 殘余夾緊力的驗(yàn)算

在傾覆力矩和軸向力共同作用下螺栓被拉伸，被連接件受到的夾緊力減小，當(dāng)該殘余夾緊力使被連接件貼合面產(chǎn)生的摩擦力不足以承受徑向力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加沖擊，螺栓連接有失效的風(fēng)險(xiǎn)。若轉(zhuǎn)盤(pán)軸承與座架間有止口來(lái)承擔(dān)徑向力作用時(shí)，可不必考慮徑向力對(duì)螺栓連接的影響。

螺栓連接受外力后被夾緊零件殘余夾緊力FKR為

(8)

式中：αA為緊固系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[1]，用定力矩扳手預(yù)緊時(shí)取1.6，用液壓拉伸器預(yù)緊時(shí)取1.4。

被連接件在徑向力Fr作用下所需的最小夾緊力FKRe為

(9)

式中：k為載荷分布系數(shù)，對(duì)于球軸承k=4.37，滾子軸承k=4.10；μ為軸承安裝面與支架之間的摩擦因數(shù)，μ=0.25。

4 螺栓安裝及維護(hù)

在使用定力距扳手或液壓拉伸器安裝螺栓時(shí)，按周向順序依次緊固螺栓會(huì)使先緊固的螺栓發(fā)生松弛，因此推薦如圖4所示的緊固順序，并需經(jīng)過(guò)3～4次擰緊以后，螺栓才能達(dá)到規(guī)定的預(yù)緊力。

轉(zhuǎn)盤(pán)軸承中的螺栓連接不允許采用彈簧墊片防松，因?yàn)閺椈蓧|片破壞了螺栓受力的中心性，影響預(yù)緊力施加的準(zhǔn)確性，對(duì)連接強(qiáng)度不利。因此，該螺栓連接一般采用調(diào)質(zhì)平墊片或不用墊片。

圖4 螺栓緊固順序圖

由于螺栓連接必然會(huì)發(fā)生工作疲勞，故應(yīng)檢查螺栓是否維持所需要的預(yù)緊力水平，建議在轉(zhuǎn)盤(pán)軸承使用2～4個(gè)月后，對(duì)各螺栓進(jìn)行重新緊固，然后僅需每年系統(tǒng)性檢查時(shí)對(duì)其進(jìn)行檢查。有些場(chǎng)合則規(guī)定工作7年或14 000 h后更換緊固件，因此，需根據(jù)使用條件和相關(guān)規(guī)定檢修或更換。