超級(jí)螺栓的結(jié)構(gòu)分析

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(zhǎng)、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(guò)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(wèn)題，但預(yù)緊力過(guò)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(lái)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(wèn)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(shì)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(guò)程及特點(diǎn)；然后通過(guò)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(guò)小的扭矩來(lái)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(jiǎn)圖見(jiàn)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(guò)簡(jiǎn)單的手動(dòng)工具來(lái)擰緊環(huán)繞著主螺紋一圈的頂推螺栓來(lái)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(jiàn)圖2。其運(yùn)作步驟如下：1）通過(guò)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(lái)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(lái)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(shì)

超級(jí)螺栓在以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)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(lái)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(guò)使用雙螺母、焊接固定、開(kāi)銷槽等方法來(lái)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(shì)：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(jiǎn)單的扭矩測(cè)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(kāi)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(jiǎn)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?？紤]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(jiǎn)化的有限元模型如圖3所示。另外，為了簡(jiǎn)化約束以及載荷的施加方式，將頂推螺栓簡(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)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(méi)有對(duì)此處做圓角過(guò)渡處理。用力探針檢測(cè)主螺栓的力，大小與周圈小螺栓預(yù)緊力的合力相同，見(jiàn)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(shì)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(wèn)題等，目前在國(guó)內(nèi)并沒(méi)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）