超級(jí)螺栓的結(jié)構(gòu)分析

1、超級(jí)螺栓的結(jié)構(gòu)分析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、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)問題， 但預(yù)緊力過大，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

2、、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)作過程及特點(diǎn)；然后通過理論計(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)螺栓可以通過小的扭矩來預(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。

3、超級(jí)螺栓 的實(shí)物及結(jié)構(gòu)簡圖見圖 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)際張緊通過簡單的手動(dòng)工具來擰緊環(huán)繞著主螺紋一 圈的頂推螺栓來實(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)作原理見圖 2。其運(yùn)作步驟如下： 1）通過 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）硬墊片用來傳遞力，同 時(shí)保護(hù)法蘭面。 4）頂推螺

4、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)勢超級(jí)螺栓在以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢非常突出：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使用雙螺母、 焊接固定、 開銷槽等方法來防止螺栓松動(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，

5、 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：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)簡單的扭矩測試即可 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

6、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。 考慮螺栓法蘭連接系統(tǒng)中， 法 蘭、

7、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，簡化的有限元模型如圖 3 所示。另外，為了簡化約束 以及載荷的施加方式，將頂推螺栓簡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

8、推螺栓施加 38.8KN 的預(yù)緊力， 即通過 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， 所以沒有對(duì)此處做圓角過渡處理。用力探針檢測主螺栓的 力，大小與周圈小螺栓預(yù)緊力的合力相同，見圖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/