彈性螺栓的研究與應(yīng)用

劉雪++程百玲

摘 要：螺栓連接是機(jī)械制造與機(jī)械設(shè)備安裝中廣泛應(yīng)用的一種連接方式。但是，由于螺栓的疲勞破壞在破壞前沒(méi)有明顯的塑性變形預(yù)兆，常常不易被人們發(fā)現(xiàn)，并且很難預(yù)防，故因螺栓的疲勞斷裂而造成的重大事故時(shí)有發(fā)生。因此，對(duì)于螺栓因疲勞破壞問(wèn)題的研究越來(lái)越受到人們的重視。

關(guān)鍵詞：彈性螺栓；交變載荷；應(yīng)力幅；疲勞強(qiáng)度

螺栓連接件是緊固件中最重要的類型之一，螺栓連接的可靠性至關(guān)重要。對(duì)于往復(fù)式活塞壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，螺栓連接更為重要，大到十字頭與活塞桿尾部的螺栓連接、連桿螺栓的連接；小到缸蓋缸座與氣缸、閥孔蓋與氣缸、氣缸與接筒等零件之間的螺栓連接。而這種因?yàn)槁菟ㄟB接失效所造成的活塞桿斷裂、連桿螺栓斷裂、缸蓋螺栓斷裂、接筒與氣缸連接螺栓斷裂而引起的事故占?jí)嚎s機(jī)事故率的一半以上。這種事故輕者造成停車停產(chǎn)，給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失；重者造成巨大的安全事故，危及人身性命。在行業(yè)內(nèi)諸如此類由于螺栓連接失效而造成的事故不成枚舉，故探索和尋找更為有效的螺栓連接方式和方法越來(lái)越受到關(guān)注。

本文針對(duì)上述往復(fù)式活塞壓縮機(jī)的螺栓連接失效問(wèn)題，提出使用彈性螺栓來(lái)有效解決上述問(wèn)題。

一、螺栓連接失效斷裂的原因

引起螺栓連接失效斷裂的原因主要有四種：

（一）螺栓的靜強(qiáng)度問(wèn)題。

（二）螺栓的質(zhì)量問(wèn)題：主要是螺栓的材料缺陷、螺紋加工缺陷等問(wèn)題。

（三）螺栓的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題。

（四）螺栓的預(yù)緊力問(wèn)題。

螺栓的靜強(qiáng)度問(wèn)題一般在設(shè)計(jì)之初由嚴(yán)格的計(jì)算來(lái)保證；螺栓的質(zhì)量問(wèn)題也不難解決；除去上述問(wèn)題，造成螺栓連接失效斷裂的主要原因就集中在螺栓的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題和螺栓的預(yù)緊力問(wèn)題上。

二、彈性螺栓的研究與應(yīng)用

由于往復(fù)式活塞壓縮機(jī)特殊的曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和吸、排氣過(guò)程的間歇交替進(jìn)行，使多處連接螺栓受到的載荷均為交變載荷，如接筒與氣缸的連接螺栓、缸蓋與氣缸的連接螺栓、缸座與氣缸的連接螺栓、閥孔蓋與氣缸的連接螺栓等。經(jīng)過(guò)對(duì)眾多螺栓斷裂事故的實(shí)例的分析判斷，造成螺栓連接失效斷裂的主要原因多為疲勞斷裂，或是由于螺栓預(yù)緊力不足造成松動(dòng)，而使螺栓受徑向力的作用被剪斷。

彈性螺栓是一種縮徑螺栓，柔性桿部分橫截面積為螺紋內(nèi)徑的90%，柔性桿長(zhǎng)度大于等于螺紋直經(jīng)的兩倍，螺栓的柔性大，能改善螺栓的受力狀況、提高螺栓的疲勞性能。這種彈性螺栓不僅能夠有效適用于承受較大交變載荷及振動(dòng)大的部位，也能有效應(yīng)對(duì)溫度對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響。

當(dāng)應(yīng)力水平一定時(shí)，影響零件疲勞壽命的的主要因素是應(yīng)力幅，應(yīng)力幅越小，疲勞強(qiáng)度越高。所謂應(yīng)力幅，對(duì)于交變應(yīng)力來(lái)說(shuō)就是最大應(yīng)力與最小應(yīng)力代數(shù)差的二分之一。為了更直觀的說(shuō)明問(wèn)題，下面給出了直觀的解釋和說(shuō)明：

為了更清楚的說(shuō)明問(wèn)題，現(xiàn)將問(wèn)題簡(jiǎn)化為工作載荷在0到F之間變化，就是螺栓拉力在F與F0之間變化，螺栓的應(yīng)力變幅為，應(yīng)力幅為，由公式可以看出預(yù)緊力F越大，應(yīng)力幅相對(duì)越小，則螺栓的疲勞壽命越高。反之，預(yù)緊力F越小，應(yīng)力幅相對(duì)越大，則螺栓的疲勞壽命越低，越容易造成螺栓的疲勞斷裂。而由可以看出，當(dāng)預(yù)緊力F不足夠大時(shí)，可能導(dǎo)致工作狀態(tài)下剩余預(yù)緊力F”為0，這時(shí)就會(huì)造成螺栓連接松動(dòng)，使螺栓受到剪切應(yīng)力而斷裂。

那么在承受交變載荷的連接件中如何能有效的避免螺栓連接的疲勞斷裂問(wèn)題和如何解決因螺栓預(yù)緊力不足造成的松動(dòng)，使螺栓受徑向力的作用被剪斷的問(wèn)題呢？要想獲得較大的預(yù)緊力，就要求螺栓具有一定的柔度，即選用彈性螺栓。故合理選用彈性螺栓和施加預(yù)緊力，可以有效解決螺栓因疲勞斷裂問(wèn)題和因預(yù)緊力不足造成松動(dòng)，使螺栓被剪斷的問(wèn)題。

再有，彈性螺栓彈性光桿部分直徑的減小，減小了螺紋收尾處到光桿部分的截面變化，有效緩解了螺紋收尾處的應(yīng)力集中，從而提高了螺栓的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。

以往往復(fù)式活塞壓縮機(jī)除超高壓缸采用高壓螺栓外，其余都采用普通的螺栓。螺栓因?yàn)槠跀嗔训膯?wèn)題非常普遍，我們通過(guò)實(shí)例應(yīng)用：即用彈性螺栓代替了現(xiàn)場(chǎng)被破壞幾次的普通螺栓（接筒與氣缸連接處螺栓），平穩(wěn)運(yùn)行至今已一年有余，沒(méi)有再出現(xiàn)螺栓斷裂現(xiàn)象。我們2014年以后出廠的產(chǎn)品上，接筒與氣缸的連接螺栓、缸蓋與氣缸的連接螺栓、缸座與氣缸的連接螺栓、閥孔蓋與氣缸的連接螺栓都采用了自制的彈性螺栓，收到了預(yù)期的效果，受到了用戶的好評(píng)。

三、結(jié)論

彈性螺栓是一種能夠有效提高疲勞強(qiáng)度的螺栓，能夠有效的避免螺栓因?yàn)槠跀嗔讯a(chǎn)生的事故。彈性螺栓不僅能夠應(yīng)對(duì)承受交變載荷的部位；還能減小溫度和振動(dòng)對(duì)螺栓強(qiáng)度的影響，故還可以應(yīng)用在溫度較高、振動(dòng)較大的連接部位，如在石油化工行業(yè)的高溫高壓管道的法蘭連接處采用彈性螺栓，勢(shì)必也會(huì)收到良好的效果。還有研究表明除彈性螺栓的上述優(yōu)點(diǎn)，還由于彈性螺栓的輕巧，在飛機(jī)乃至航天設(shè)備上也正在被開發(fā)使用。因此，彈性螺栓因其自身的優(yōu)點(diǎn)必將被越來(lái)越多的行業(yè)和領(lǐng)域所看好和應(yīng)用，彈性螺栓的合理應(yīng)用也必將給我們帶來(lái)更多的好處。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙汴，王志保.疲勞設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出社，1992.

[2]劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]莫乃榕.工程流體力學(xué)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000.