弹性螺栓的研究与应用

摘 要：螺栓连接是机械制造与机械设备安装中广泛应用的一种连接方式。但是，由于螺栓的疲劳破坏在破坏前没有明显的塑性变形预兆，常常不易被人们发现，并且很难预防，故因螺栓的疲劳断裂而造成的重大事故时有发生。因此，对于螺栓因疲劳破坏问题的研究越来越受到人们的重视。

关键词：弹性螺栓；交变载荷；应力幅；疲劳强度

螺栓连接件是紧固件中最重要的类型之一，螺栓连接的可靠性至关重要。对于往复式活塞压缩机来说，螺栓连接更为重要，大到十字头与活塞杆尾部的螺栓连接、连杆螺栓的连接；小到缸盖缸座与气缸、阀孔盖与气缸、气缸与接筒等零件之间的螺栓连接。而这种因为螺栓连接失效所造成的活塞杆断裂、连杆螺栓断裂、缸盖螺栓断裂、接筒与气缸连接螺栓断裂而引起的事故占压缩机事故率的一半以上。这种事故轻者造成停车停产，给企业带来巨大的经济损失；重者造成巨大的安全事故，危及人身性命。在行业内诸如此类由于螺栓连接失效而造成的事故不成枚举，故探索和寻找更为有效的螺栓连接方式和方法越来越受到关注。

本文针对上述往复式活塞压缩机的螺栓连接失效问题，提出使用弹性螺栓来有效解决上述问题。

一、螺栓连接失效断裂的原因

引起螺栓连接失效断裂的原因主要有四种：

（一）螺栓的静强度问题。

（二）螺栓的质量问题：主要是螺栓的材料缺陷、螺纹加工缺陷等问题。

（三）螺栓的疲劳强度问题。

（四）螺栓的预紧力问题。

螺栓的静强度问题一般在设计之初由严格的计算来保证；螺栓的质量问题也不难解决；除去上述问题，造成螺栓连接失效断裂的主要原因就集中在螺栓的疲劳强度问题和螺栓的预紧力问题上。

二、弹性螺栓的研究与应用

由于往复式活塞压缩机特殊的曲柄连杆机构的往复运动和吸、排气过程的间歇交替进行，使多处连接螺栓受到的载荷均为交变载荷，如接筒与气缸的连接螺栓、缸盖与气缸的连接螺栓、缸座与气缸的连接螺栓、阀孔盖与气缸的连接螺栓等。经过对众多螺栓断裂事故的实例的分析判断，造成螺栓连接失效断裂的主要原因多为疲劳断裂，或是由于螺栓预紧力不足造成松动，而使螺栓受径向力的作用被剪断。

弹性螺栓是一种缩径螺栓，柔性杆部分横截面积为螺纹内径的90%，柔性杆长度大于等于螺纹直经的两倍，螺栓的柔性大，能改善螺栓的受力状况、提高螺栓的疲劳性能。这种弹性螺栓不仅能够有效适用于承受较大交变载荷及振动大的部位，也能有效应对温度对螺栓强度的影响。

当应力水平一定时，影响零件疲劳寿命的的主要因素是应力幅，应力幅越小，疲劳强度越高。所谓应力幅，对于交变应力来说就是最大应力与最小应力代数差的二分之一。为了更直观的说明问题，下面给出了直观的解释和说明：

为了更清楚的说明问题，现将问题简化为工作载荷在0到F之间变化，就是螺栓拉力在F’与F0之间变化，螺栓的应力变幅为，应力幅为，由公式可以看出预紧力F’越大，应力幅相对越小，则螺栓的疲劳寿命越高。反之，预紧力F’越小，应力幅相对越大，则螺栓的疲劳寿命越低，越容易造成螺栓的疲劳断裂。而由可以看出，当预紧力F’不足够大时，可能导致工作状态下剩余预紧力F”为0，这时就会造成螺栓连接松动，使螺栓受到剪切应力而断裂。

那么在承受交变载荷的连接件中如何能有效的避免螺栓连接的疲劳断裂问题和如何解决因螺栓预紧力不足造成的松动，使螺栓受径向力的作用被剪断的问题呢？要想获得较大的预紧力，就要求螺栓具有一定的柔度，即选用弹性螺栓。故合理选用弹性螺栓和施加预紧力，可以有效解决螺栓因疲劳断裂问题和因预紧力不足造成松动，使螺栓被剪断的问题。

再有，弹性螺栓弹性光杆部分直径的减小，减小了螺纹收尾处到光杆部分的截面变化，有效缓解了螺纹收尾处的应力集中，从而提高了螺栓的静强度和疲劳强度。

以往往复式活塞压缩机除超高压缸采用高压螺栓外，其余都采用普通的螺栓。螺栓因为疲劳断裂的问题非常普遍，我们通过实例应用：即用弹性螺栓代替了现场被破坏几次的普通螺栓（接筒与气缸连接处螺栓），平稳运行至今已一年有余，没有再出现螺栓断裂现象。我们2014年以后出厂的产品上，接筒与气缸的连接螺栓、缸盖与气缸的连接螺栓、缸座与气缸的连接螺栓、阀孔盖与气缸的连接螺栓都采用了自制的弹性螺栓，收到了预期的效果，受到了用户的好评。

三、结论

弹性螺栓是一种能够有效提高疲劳强度的螺栓，能够有效的避免螺栓因为疲劳断裂而产生的事故。弹性螺栓不仅能够应对承受交变载荷的部位；还能减小温度和振动对螺栓强度的影响，故还可以应用在温度较高、振动较大的连接部位，如在石油化工行业的高温高压管道的法兰连接处采用弹性螺栓，势必也会收到良好的效果。还有研究表明除弹性螺栓的上述优点，还由于弹性螺栓的轻巧，在飞机乃至航天设备上也正在被开发使用。因此，弹性螺栓因其自身的优点必将被越来越多的行业和领域所看好和应用，弹性螺栓的合理应用也必将给我们带来更多的好处。

参考文献：

[1]赵汴，王志保.疲劳设计[M].北京：机械工业出社，1992.

[2]刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]莫乃榕.工程流体力学[M].武汉：华中科技大学出版社，2000.