螺纹连接的预紧力,知多少?

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螺纹连接为什么需要预紧力?

在回答这个问题之前,首先要明确螺纹连接的定义。螺纹具有紧固连接、传动、密封以及测量等多种功能,其中紧固连接和密封是其最常用的两种功能。我们常说的螺纹连接主要指的是它的紧固连接功能。螺纹紧固连接,简称螺纹连接,是通过螺纹紧固件(包含螺栓、螺母、双头螺柱、紧定螺钉等)将两个或多个零件连接在一起的机械连接方式。其工作原理是,当带有外螺纹的螺栓或螺杆旋入带有内螺纹的螺母或螺孔时,螺纹的牙型相互啮合,通过施加扭矩,使螺纹副之间产生轴向将被连接件夹紧,并通过螺纹副之间的摩擦力实现机械自锁,从而达到紧固连接的目的。

螺纹连接的预紧力,知多少?
螺纹连接在实际服役过程中会受到各种振动、冲击和交变载荷的作用,如果没有足够的预紧力,螺纹副之间摩擦力矩不足以抵抗外部振动冲击等因素引起的松脱力矩,很容易造成螺纹副之间出现相对转动和轴向松动,进而导致连接失效。因此,足够且适当的预紧力不仅能将被连接件有效夹紧,而且能够增加螺纹副之间的摩擦力,抵抗外部不利因素引起的相对转动趋势,起到防松作用,从而保证连接的可靠性和稳定性。

对螺纹连接施加适当的预紧力除了上述作用外,对螺纹紧固件本身也起到提高抗拉强度和改善疲劳性能的作用。在螺纹连接中,当对螺栓施加预紧力时,螺栓会产生弹性变形并处于受拉状态。根据材料力学原理,材料在弹性范围内,其应力与应变呈线性关系。此时螺栓所承受的预紧拉力会使螺栓内部产生拉应力,这个拉应力在螺栓材料的弹性极限范围内,能让螺栓材料的晶格结构等处于一种“激活”状态,使得材料能够更有效地抵抗后续施加的工作载荷。当工作载荷施加时,螺栓所承受的总拉力是预紧力与工作拉力的叠加,但由于预紧力已经使螺栓处于受拉的“准备”状态,相当于提前发挥了螺栓材料的抗拉性能,所以螺栓能够承受更大的工作载荷而不易断裂。

在循环载荷作用下,未预紧或预紧力不足的螺纹连接,容易在螺纹副之间以及被连接件的接触表面产生微小的相对滑动和间隙变化,这种现象称为松弛。松弛会导致连接部位的变形不断累积,产生额外的交变应力,加速材料的疲劳损伤。而适当预紧的螺纹连接,预紧力使螺纹副之间以及被连接件之间保持紧密的接触,减少了因松弛而产生的额外变形。这意味着在循环载荷作用下,连接部位的应力变化范围相对减小,材料所承受的交变应力幅值降低。根据疲劳理论,材料的疲劳寿命与所承受的交变应力幅值密切相关,应力幅值越小,材料的疲劳寿命越长。所以,适当预紧的螺纹连接能够在循环载荷作用下表现出更好的疲劳寿命。
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螺纹连接预紧力大小如何确定?

螺纹连接对预紧力的控制要求相对较高,预紧力过大可能导致螺栓断裂或被连接件变形,预紧力过小则会影响连接的可靠性和稳定性。那么螺纹连接预紧力大小该如何确定?在确定螺纹连接的预紧力时,需要考虑多个方面的因素。

2.1 螺栓自身因素

螺栓材料的屈服强度、抗拉强度等力学性能是确定预紧力的基础。屈服强度高的螺栓能承受更大的预紧力,一般为保证螺栓在工作中不发生塑性变形,预紧力产生的应力应在材料屈服强度的一定比例范围内。此外,相同材料的螺栓,规格尺寸和类型不同,其预紧力也有差异。螺栓的公称直径、螺距等尺寸参数影响预紧力,通常,直径越大的螺栓,能施加的预紧力越大,可根据螺栓的横截面积与材料强度来计算允许的最大预紧力;不同类型的螺栓,如普通螺栓、高强度螺栓、自攻螺栓等,其预紧力要求不同,高强度螺栓需要较大预紧力来发挥其高强度性能,自攻螺栓则因连接方式和用途不同,预紧力要求有别。

2.2 被连接件因素

被连接件的材料强度、弹性模量等决定了其能承受的预紧力。强度低或弹性模量大的材料,如铝合金、橡胶等,需要控制预紧力,防止被连接件产生过度变形、压溃或损坏。带有薄壁、凸台等特殊结构的被连接件,可能存在应力集中,需通过有限元分析等方法确定合适预紧力。尺寸大的被连接件一般能承受较大预紧力,但要考虑材料性能的尺寸效应。

若被连接件在工作时承受剪切载荷,被连接件接触面之间需要较大的摩擦力以抵抗被连接件之间发生相对滑动,这种情况就必须有足够的预紧力来产生必要的摩擦力。

2.3 连接工况因素

连接承受的载荷类型,如静态载荷、动态载荷、交变载荷等,对预紧力要求不同。承受动态或交变载荷的连接,为防止松动和疲劳破坏,通常需要比静态载荷下更大的预紧力。此外,工作环境中的温度、湿度、腐蚀介质等会影响螺栓和被连接件的性能。高温会使材料强度降低,预紧力需相应调整;在腐蚀环境中,要考虑螺栓的腐蚀裕度,适当调整预紧力以保证连接的可靠性。

螺纹连接的预紧力,知多少?
上述三个主要影响因素中,螺栓自身因素是确定预紧力大小的基础,因此,我们首先应先根据螺栓材料、规格和类型初步确定出预紧力值,而后再考虑被连接件因素和连接工况因素对其进行适当调整。接下来,我们给出依据螺栓屈服强度初步计算预紧力的方法和公式。

考虑到材料的许用应力要求,为了保证螺栓在工作过程中不发生塑性变形,预紧力产生的应力一般应控制在材料屈服强度σ的一定比例范围内,一般不得超过屈服强度的80%,通常取0.5σs~0.7σs,碳素钢螺栓取0.6~0.7,合金钢螺栓取0.5~0.6。通过螺栓的横截面积,可以根据以下公式计算出预紧力。

螺纹连接的预紧力,知多少?
螺纹连接的预紧力,知多少?
螺纹连接的预紧力,知多少?
式中,

F0 — 预紧力;

σs — 螺栓材料的屈服强度;

As — 螺纹的应力截面积;

d2 — 螺纹中径的基本尺寸;

d1 — 螺纹小径的基本尺寸;

H — 螺纹原始三角形高度(H=0.866025P为螺纹螺距);

螺栓的应力截面积可查下表获得。

螺纹连接的预紧力,知多少?
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如何对螺纹连接施加预紧力?

在确定预紧力大小之后,如何对螺纹连接施加设定的预紧力值?显然,是通过控制拧紧扭矩对其施加预紧力。拧紧扭矩 Mt 与预紧力 F0 有如下关系:

螺纹连接的预紧力,知多少?
式中,

M— 拧紧扭矩Nm;

F0— 预紧力N;

d — 螺纹公称直径mm;

K — 拧紧扭矩系数(受螺纹中径、螺纹升角、螺纹当量摩擦系数以及螺母与被联接件支承面间的摩擦系数等多个因素影响),可查下表获取。

螺纹连接的预紧力,知多少?
螺纹连接的预紧力,知多少?
控制拧紧扭矩常使用的工具主要包括测力矩扳手或定力矩扳手。

螺纹连接的预紧力,知多少?
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