法兰螺栓连接中螺栓预紧力的计算和控制方法分析_周坤

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５］。控制螺栓预紧力的一种方法［量的关系，
ＦＣＦＱｐ＝Ｆｐ＋ Δ Ｆ＝Ｆｐ＋ＣＬ＋ＣＦ式中，ＣＦ为垫片的刚度；ＣＬ为螺栓的刚度。
（）２
２螺栓预紧力的控制
要保证螺纹件联接能克服被联接件所受的各种静态或动态外力，设计对螺纹件联接的拧紧要求是要螺纹件对零件产生一个一定的预紧力。要实现这个预紧力的拧紧控制方法有很多，有很简易的扳手扭矩法、扭矩转角法、屈服极限控制拧紧的手工法、法和螺栓预伸长法等等。在这些方法中，我们着重比较通过拧紧力矩控制预紧力和通过螺栓伸长量控制预紧力这２种方法。２．１通过拧紧力矩控制预紧力这种控制方法的特点是控制目标直观，测量容易，操作过程简便，控制程序简单；缺点是由于会受到摩擦因数在一和几何参数偏差的影响，定的拧紧力矩下，预紧力值的通过拧离散性比较大。因此，紧力矩，来控制预紧力的控制精度不高，误差一般可达到这种方法一般用在４０％左右，不太重要的场合。
法兰螺栓连接中螺栓预紧力的计算和控制方法分析
周坤，刘美红
（）昆明理工大学机电工程学院，云南昆明６５００９３
摘要：法兰联接的螺栓预紧是保证法兰联接点不发生泄漏的重要环节之一。本文通过分析计算给出了计算预紧力的通用公式，经过对２种控制预紧力的方法分析比较后，得出螺栓伸长法最适用于法兰螺栓连接系统的预紧力控制。关键词：预紧力；控制方法；螺栓伸长法中图分类号：ＴＨ１３１．３文献标志码：ＡＡｎａｌｓｉｓｏｆＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｓｏｆｔｈｅＢｏｌｔＰｒｅｌｏａｄｉｎｔｈｅＦｌａｎｅＢｏｌｔｓＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎｙｇ
图３螺栓上的力矩
螺栓伸长法的优点是由于螺栓的伸长只与螺栓不用考虑摩擦因数、接触变形、被联接的应力有关，缺点是由于在实际工程件变形等可变因素的影响；问题上，测量螺栓的伸长量很不方便，这种方法一般通过此方法用在需要严格控制精度的场合。所以，可以获得很高的控制精度。在化工行业，对于法兰联接系统等密封要求高的场合，螺栓伸长法特别适用。拧紧螺母时，螺栓在预紧力的作用下产生拉伸变形。在螺栓屈服之前，螺栓在拉伸变形时产生弹性变形，伸长量与预紧力的关系是：／／（（） ′ Ｃ ′ ｌＥＡｂ）６ δ ｂ＝Ｆｂ＝Ｆｅｂ式中，ｌＥ δ ｂ为螺栓伸长量；ｅ为螺栓有效长度；ｂ为弹性模量；Ａｂ为螺栓横截面积。）由式（可以得出，预紧力与螺栓伸长呈线性关６，系且与摩擦因数和被联接件刚度无关，这样，只需要测量出拧紧前后螺栓的长度就知道了螺栓准确的伸长量，所以，这种方法控制预紧力的准确值很高。２．３２种控制方法的比较以上控制方法各有优缺点。控制方法的选择一定要根据联接件的实际情况而定，所以不能简单地说哪一种方法更好。在选择控制方法之前，应明确联接件的要求、预紧力的精度要求和控制方法的应 ·２７·
１螺栓预紧力的分析和计算
１．１法兰接头的结构法兰接头是一种可拆卸的装置，实际工程中所以联它需要经常拆卸，接百度文库密封的可靠性就成为能使工业生产正常运行的首要条件。螺栓法兰联接属于强制密封，依靠联接件通过被联接件强制挤压密封元件使之密封。基本结构如图１图１螺栓联接的法兰接头 ·２６·
《 · 数字技术与机械加工工艺装备２新技术新工艺》０１０年第８期
拧紧螺母时，要克服螺旋副间的螺纹力矩Ｔ１和螺母支撑面上的摩擦力矩Ｔ２，故拧紧力矩Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２。由理论力学得到预紧的螺纹力矩Ｔ１和预紧力Ｆ的关系为：（／（）Ｔ１＝Ｆｄ２ｔａｎ２３ ψ＋ρ）、六角螺母支撑面是外径为Ｄ１（内径为Ｄ０ ≈Ｓ）的圆环面，对于非磨合圆环面，摩擦力矩为：／［（］（）Ｔ２＝ μ Ｆ（Ｄ１３－Ｄ０３）３Ｄ１２－Ｄ０２）４ｎ可得：
（／Ｔ＝Ｔ１＋Ｔ２＝Ｆｄｔａｎ２＋２ ψ＋ ρ）３３２（）／［（］ＦＤ１－Ｄ０３Ｄ１－Ｄ０２）ｎ μ
（）５
（／［（］式中，为圆环面的当量Ｄ１３－Ｄ０３）３Ｄ１２－Ｄ０２）摩擦半径；ｄ２为中径； ρ 为当量摩擦角； ψ 为升角；
ｎ为支撑面的摩擦因数。 μ ）由式（可以看出，拧紧力矩与预紧力呈线性关５控制了拧紧力矩的大小，就可以计算出预紧力系，
值。但是由于会受到摩擦因数和几何参数偏差的影响，控制的精度不到位，误差一般会达到４０％左右，所以这种方法只能用在一般密封要求不高的场合。２．２通过螺栓伸长量控制预紧力螺栓伸长法就是在拧紧过程中、或拧紧结束后测量螺栓的伸长长度，利用预紧力与螺栓长度变化
２］。所以，出现缝隙或发生相对滑移［知道预紧力的
准确大小值和拧紧螺母时控制预紧力的精度就变得推导，给出了计算预紧力尤为重要。本文经过分析、的通用公式，对控制预紧力的不同方法进行了分析得出控制法兰螺栓预紧力的最适用的方比较， — — 螺栓伸长法。法—
由图２可知，图中的横坐标代表变形，纵坐标代表力。螺栓拉伸变形由坐标原点向右量起；被联接件压缩变形由坐标原点向左量起。由图２可知，当联接承受工作载荷Ｆ时，螺栓的总拉力为Ｗｐ，相应的总伸长量为 δ 被联接件的压缩力等于残 δ Ｌ＋Δ Ｆ；余预紧力Ｆｐ，相应的总压缩量为 Δ ′ δ δ δ Ｆ＝Ｆ。ｆ－Δ
，ＺＨＯＵＫｕｎＬＩＵＭｅｉｈｏｎｇ（，，）ＦａｃｕｌｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎＫｕｎｍｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏＫｕｎｍｉｎ６５００９３Ｃｈｉｎａｙｇｇｇｙｇｙ，ｇ：ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｂｏｌｔｒｅｌｏａｄｉｎｔｈｅｆｌａｎｅｂｏｌｔｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｕｉｒｅｍｅｎｔｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓｎｏｌｅａｋｏｃｃｕｒｓｐｇｑｆｌａｎｅｏｉｎｔｓｄｕｒｉｎｏｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓａｅｒｉｖｅｓｔｈｅｅｎｅｒａｌｆｏｒｍｕｌａｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｒｅｌｏａｄｂａｎａｌｓｉｓａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｈｒｏｕｈ－ｇｇｐｇｙｙｇｊｐｐｇｇｐ，ｔｉｏｎ．Ｂｃｏｍａｒｉｎｔｈｅｔｗｏｍｅｔｈｏｄｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｉｔａｒｒｉｖｅｄｔｏｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｂｏｌｔｓｔｒｅｔｃｈｉｎｍｅｔｈｏｄｉｓｉｄｅａｌｒｅｌｏａｄ－ｙｐｇｇｇｐｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｔｈｅｉｎｔｈｅｆｌａｎｅｂｏｌｔｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓｓｔｅｍ．ｆｏｒｒｅｌｏａｄｇｇｙｐ：，，ＫｅｗｏｒｄｓＰｒｅｌｏａｄＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｍｅｔｈｏｄｓＢｏｌｔｓｔｒｅｔｃｈｉｎｍｅｔｈｏｄ－ｇｇｙ
图２螺栓联接受力变形图
由图２可见，螺栓的总拉力Ｗｐ等于残余预紧力Ｆｐ与工作拉力Ｆ之和，即：（）Ｗｐ＝Ｆｐ＋Ｆ１为了保证联接的紧密性，以防止联接受载后接合面间产生缝隙，应使Ｆｐ ≥０。推荐采用的Ｆｐ为：对于有紧密性要求的联接，对于Ｆｐ＝（１．５～１．８）Ｆ；一般的联接，工作载荷稳定时，Ｆｐ＝（０．２～０．６）Ｆ；）工作载荷不稳定时，Ｆｐ＝（０．６～１．０Ｆ。由图２中的几何关系，我们可以推导出预紧力的计算公式为：
４］。是螺栓联接受力变形图［
。法兰螺栓连接系统的主要失效形式是泄漏，
而螺栓预紧是保证连接面不发生泄漏的重要环节之一。在螺栓联接中，螺栓在安装的时候都必须拧紧，即在联接承受工作载荷之前，预先受到力的作用，这预紧的目的在于增强个预加的作用力称为预紧力，联接的可靠性和紧密性，以防止受载后被联接件间
石油化工设备及管螺栓法兰联接是压力容器、道中应用极为广泛的一种可拆式静密封联接结构
［１］
３］。所示［
螺栓拧紧后，螺栓力通过法兰面压紧垫片，垫片被压实，使压紧面上的间隙被填满，为防止介质泄漏达到了初始的密封条件。螺纹联接的预紧力将对螺栓的总载荷、联接的临界载荷、抵抗横向载荷的能力和接合面密封能力等产生影响。１．２施加不当预紧力的危害过大的预紧力会导致螺纹联接零件的静力破坏、被联接件滑移、分离或紧固件的松脱。过小的预紧力会导致螺栓疲劳破坏、增大设备质量与成本。所以，预紧力的大小、准确度都十分重要，从而使预紧力的控制成为螺纹联接的重要问题之一。１．３预紧力的分析计算在法兰螺栓联接系统中，主要受轴向力和预紧力的作用，由于螺栓和被联接件的弹性变形，螺栓所受的总拉力并不等于预紧力和工作拉力之和。根据理论分析，螺栓的总拉力除了和预紧力Ｑｐ、工作拉还受到螺栓刚度Ｃ力Ｆ有关外，ｐ及被联接件刚度应从分析螺栓联接的受力Ｃｍ等因素的影响。因此，找出螺栓总拉力的大小。图２和变形的关系入手，