高强度螺栓的预紧力及疲劳寿命

1、第19卷第3期文章编号1003-4684(2004)0620135203高强度螺栓的预紧力及疲劳寿命朱若燕,李厚民(湖北工学院机械工程学院,湖北武汉430068)摘要分析了工程上常用的高强度螺栓的疲劳寿命与施加的预紧力之间的关系,找出施加预紧力的最佳范围.关键词高强螺栓;联接件;预紧力;疲劳寿命中图分类号TH114文献标识码:A高强度螺栓是指强度较高使机械或构件尺寸和结构能减小或简化的螺栓,其抗拉强度一般在700MPa以上.有时也将抗拉强度达到900MPa的才称fZ,Z见图2(b).为高强度螺栓.由于高强度螺栓能大量生产,定,有足够的强度和韧性,上较为合理,所以,.螺栓及其所受的,预定的功能并

2、承受工作载荷.螺栓联接在装配时都必须拧紧,并施加预紧力.预紧的目的在于增加联接的可靠性和紧密性.在轴承盖的联接中,若承受往复活塞发动机的振动,这种螺栓的预紧力必须调整得更高,以保证在其内力作用下不会出现结合面单侧分离或打滑,这两种都会由于螺栓联接的自动卸开或疲劳失效而引起破坏.所以预紧力施加的范围会直接影响到螺栓联接的强度和寿命,本文就分析预紧力与强度的关系,进而找出能够提高高强度螺栓疲劳寿命的最佳预紧力范围2.1预紧力计算1.1受力分析在图1所示的装配过程中,螺栓受预紧力FM后发生弹性伸长fSM,同时被夹紧零件压紧在一起,压缩变形fPM,如图2(a)完成装配后,由于被联接件的粗糙表面出现嵌入

3、现象(尤其是在交变载荷作用下),弹性伸长变量fSM+fPM减少了一个嵌入量在拧紧的过程中,承受的初始预紧力FM取决于拧紧方法和条件,分散值在FMmin和FMmax之间,如图2(c)所示.收稿日期2004-03-01作者简介朱若燕(1956-),女,江西泰和人,湖北工学院副教授,研究方向:疲劳强度.136湖北工学院学报2004年第3期A=FMmax/FMmin.式中A为分散因素的测量值是拧紧系数.(1)2预紧力与寿命的关系如图4所示,如果FA是随时间而变的交变载荷,并且改变量在上极限值FAO、下极限值FAU之间变化,那么可求得螺栓中力的振幅(FAO-FAU)/2,FSAm=±并且伴随的

4、平均力为FSM=FV+(FAO-FAU)/2.如果是用FMmin夹紧某一连接件,并且由于出现嵌入情况而发生FMmin减少了FZ,在最坏的情况下,有效夹紧力.所以,螺栓的最大强度又可以表达为FSmax=FV+FSA.因为按照力FSA和螺纹的螺栓心部截面积AS计算而得的螺栓可连续承受的应力幅是最小的,所以必.因为FSA=FA()FA=F,所以FA.FSA)FA.FKR=FV-FPA=FV-(1-在螺栓连接设计方法中,剩余预紧力FKR至少要保证螺栓连接所需要夹紧力FKerf,因此FKRFKerf.以此类推,可以确定螺栓最小的预紧力FVerf=FKerf+FPA=FKerf+(1-)FAFV.螺栓的最

5、小的预紧力FVerf要比剩余预紧力FV小,由此可以计算联接件最小预紧力)FA+FZ.FMmin=FVerf+FV=FKerf+(1-考虑到夹紧力在拧紧过程中的分散,螺栓联接的最大初始预紧力必须设计为)FA+FZ).FMmax=AFMmin=A(FKerf+(1-这样就确定了螺栓直径、强度级别和螺纹摩擦系数等参数,所以高强度螺栓的轴向预紧力FSPFMmax.这里FSP表示用于选择螺栓时的适当预紧力可以用转组合应力等于屈服极限的90%.如果在加载时按轴向预紧力FSP=FMmax进行夹紧,而且如果初始预加载没有由于嵌入过程而减少,那么最大螺栓强度为FSmax=FSP+FSA=FSP+FA.螺栓的变形

6、线较平,而被联接件的变形线较陡,变得更小(见图4).实际上,应力求剩余预紧力FV大,若螺栓的强度一定,减小螺栓中力的幅值有助于提高螺栓寿命.在选择螺栓联接件的材料时,还可以考虑从螺栓和被联接件的变形刚度出发,螺栓选用变形较大的材料,而被联接件选用刚性较好的材料,这样可以使螺栓的变形线较平,而被联接件的变形线较陡,应力的幅值变小,如图5中虚线所示.3预紧力的施加与控制由上述知,高强螺栓连接必须施加一定的预紧力,而合理的预紧力不仅可提高螺栓的防松能力,还可以增加螺栓的疲劳寿命和被联接件的可靠性.在我国,也有采用螺栓的预紧力小于螺栓的材料屈服极限的80%,并尽量取较高的值.如高强螺栓用于门式起重机中

7、,其预紧力可在螺栓的材料屈服极限的75%左右,但这仍较为保守4.(下转第141页)第19卷第3期粟丹倪等动画专业学科建设之初议141AnElementaryStudyonAnimationCourseDevelopmentSUDai2ni1,QiuLi2(1CollegeofArtsandDesign,WuhanUniv.ofTechnology,Wuhan430068,China;2JianghangUniversity,Wuhan,430070,China)Abstract:Thepaperanalysesthemaintrendanddevelopmentofcurrentanimati

8、oncourse,anddealswiththeteachingconceptandmethodofanimationstudyinouruniversity.Keywords:animationcourse;animationdevelopment;productivity责任编辑:张培炼(上接第136页)在实际生产安装中一般采用力矩法,用扭力板手或测力扳手,通过控制拧紧力矩来实现控制预紧力.其方法简便,易于实施,且费用较低.但由于螺栓与被联接件的表面质量和粗糙度对嵌入量的影响以及拧紧速度等因素,.,内,.这种方法,但却费时费力.,将预紧力控制在某一范围,从而提高其使用寿命,以获得较高的经济

9、效益.剩余预紧力FV大,FSP将螺栓一直90%,并尽量取较高值.,螺栓选用变形较大的材料,这样可以使螺栓,而被联接件的变形线较陡,应力的幅值变小.在螺栓的强度一定的情况下,减小螺栓中力的幅值,有助于提高螺栓寿命.参考文献1吴宗泽.高等机械设计M.北京:清华大学出版社,4结论1)联接件上承受交变载荷作用产生振动,接触1999.2汪琪.机械零件设计问题解析M.北京:中国致公出版社,1997.3郭恺玲,刘贤青.VDI2230高强度螺栓连接系统计算J.汽车紧固件,1997(1):27-30.4倪叶明.浅论螺栓连接预紧力的大小及实施方法J.面间由要想获得较小的螺栓变形刚度,尽可能采用2)导致交变应力过大的原因是预紧力偏小,故港口科技动态,2000(12):15-16.PreloadandFatigueLifeofHighStrengthBoltZHURuo2yan,LIHou2min(SchoolofMechanicalEngin.,HubeiPolytechnicUniv.,Wuhan430068,China)Abstract:Thispaperanalysestherelationbetweenfatiguelifeandimposedpreloadofhighstreng