单位深圳华侨城卡乐技术有限公司 518172
摘要：随着游乐行业的爆发式增长，大型、重型游乐设备的落地越来越多，例如过山车、大摆锤等，其设备多选用螺栓法兰垫片连接系统为主，螺栓紧固方案的安装以及如何选择预紧方法这将对整个产品的最终运行精度产生影响。本文就一款新研发大型游乐设备360环球影院主体设备的螺栓安装为对象，以实际生产过程中，制定和实施预紧方案的过程选择，从预紧的三种基本原理出发，按照选取原理的不同，说明不同的控制方法和可实现的精度，并为安装类似的大型游乐设备提供参考实例。
关键词：初始预紧力；分层预紧；样板
1、螺栓预紧的概述
众所周知，螺栓联接的实质是指经过控制螺栓的轴向预载到适当的范围，将两个工件可靠地连接在一起。为了保证螺纹连接的刚度，张紧螺栓的松紧度，松动阻力和疲劳强度，连接螺栓预紧力的准确度相当高。因此，轴向预载荷是评估螺栓连接可靠性的重要指标。轴向预载荷的最小极限由连接结构决定。轴向预紧力的最大值必须确保螺栓和连接的工件在预紧和工作过程中不会受到损坏，例如脱扣，剪切和疲劳断裂。如何控制和监测预紧力的值，使其达到产品要求显然是一个值得研究的课题。新研发产品360环球影院主立柱三段均选用法兰面对接，通过螺栓把合连接，在设备运行时螺栓受力情况复杂，因此，应用和控制螺栓的预紧力是非常重要的。因此，开发适合该产品的螺栓紧固方案非常重要。
2、扭矩拧紧法
现如今，螺栓拧紧最为常用的方法是扭矩拧紧法，其是经过扭矩扳手显示的扭矩值来控制被连接件的预紧力，另外，扭矩拧紧法的特点是操作简单、直观。拧紧螺栓时的拧紧力矩：M=KtFd×10-3Nm
式中：F—预紧力，N；Kt—计算系数；d—螺栓的公称直径，mm。F=MKtd×10-3N（1）。系数Kt与螺纹表面及法兰的光洁度、润滑状况、拧紧速度、所用拧紧工具、以及反复拧紧时的温度变化等有关，通常在0.1～0.3之间变化。Kt的变化将导致预紧力F也发生较大变化，范围在40%左右。因此，如果通过转矩法拧紧螺栓，则计算出的荷载需要最大工作载荷的1.3倍，这不可避免地导致螺栓直径增大，或者数量增加或者材料质量增加。这对简化结构，降低成本和减轻重量是不利的。
3、旋转角度拧紧法
拧紧螺母（或螺栓）时的旋转角度大致与螺栓延伸部分和拧紧部分松动的总和成比例，因此，可以采用以规定的旋转角度实现规定的预紧力的方法。在初始拧紧过程中，首先确定极限扭矩（即实现连接密封所需的扭矩），将螺栓拧到极限扭矩，然后转动预定角度，这是螺栓拉力和预紧力之间的关系：F=ΔL*E*As/L。
式中：L—螺栓长度，mm；ΔL—螺栓变形伸长量，mm；E—弹性模数，MPa；As—螺栓的平均截面积，mm2。
由于ΔL与弹性区域中的螺栓的旋转角度θ成比例，因此F是θ的函数。由于旋转角度拧紧方法可以减少螺栓预紧力的分散，所以平均螺栓预紧力可以达到屈服极限的70％至80％。这既提高了材料的利用率，也比较可靠。
根据本产品螺栓M42*350M48*420M36*300M30*260四种螺栓的预紧，结合我公司已有力矩扳手，特制定了两种预紧方式结合的预紧方案。M48M42螺栓选用旋转角度的方式进行预紧，M36\M30选用力矩扳手预紧的方式进行。
4、使用力矩扳手预紧螺栓的控制
M36\M30螺栓从我们公司现有的扭力扳手和加倍器中选择，以达到预加载的目的。用于控制预紧力的转矩角度控制方法是：拧紧过程首先用于控制拧紧过程，直到拧紧扭矩值足以确保螺母，螺栓和连接组件处于真正接触状态。只有这样才能测量螺母的旋转角度，然后使用螺母角度和拧紧扭矩来控制拧紧过程。这种控制方法的优点是：通过使用拧紧扭矩和螺母角度给出的信息，可以精确地控制螺栓的预加载过程和预紧力，并且可以检测安装过程中可能发生的紧固不足或过紧。单靠转矩控制或单独使用转角控制都无法实现。
5、通过旋转角度预紧螺栓的控制
5.1根据所需的预紧力计算螺母旋转角度，拧紧螺母旋转角度，达到控制预紧力的目的。测量螺母角度的最简单方法是雕刻零线，并通过将螺母旋转几个方块来测量螺母旋转角度。螺母转角的测量精度可控制在10°～15°内。由于接触变形，螺母与法兰支承面之间的完全接触的起始位置难以确定，并且连接件的刚度计算复杂，螺栓受到扭转变形，并且几何尺寸在通过螺母角度控制预紧力时存在错误。一般来说，预紧力误差约为±15％，其精度高于紧固扭矩时的预紧力控制精度。
5.2预紧力，螺栓伸长度与螺栓转角之间的关系根据胡克定律得出，螺栓伸长量ΔL=FL/EA加热温度t=ΔL/aL，当伸长ΔL时螺母应旋转角度ψ=360ΔL/s。L—螺栓长度，mm；ΔL—螺栓变形伸长量，mm；E—弹性模数，MPa；As—螺栓的最小截面积，mm2。F—预紧力
针对项目制定了以下施工方案：
①螺栓拧紧顺序
按照原理图顺序预紧周向螺栓。对角预紧，将圆周等分8个螺栓扭转贴靠后，再按照规定顺序依次将所有螺栓预紧。
②螺栓分层预紧
预紧力应从三个层面进行预紧：第一次预紧40%；第二次预紧70%；第三次预紧100%。
③预紧力大小及旋转角度
按照图纸要求预紧力大小分别如下表：
注意事项：
第一，初始预紧力起点的确定，一般情况下凭操作者经验判定，即操作者用扳手将螺母拧紧，检查装配表面0.05mm塞尺是初始预载荷点。
第二，重要连接的带有动载荷连接螺栓预紧力不应超过（0.6-0.7）δA。
结束语
目前，紧缩技术在我国尚未得到足够的重视。一些先进的紧缩方法仅用于一些高科技项目。除了提高产品质量的准确性，紧缩技术必将在中国取得长足进步。另外，随着先进管理技术的发展，螺栓紧固质量评估方法将会取得更大的进展。本产品的预紧方案希望能给同行业相似项目提供一个参考样板，对大家工作起到促进作用。
参考文献：
[1]吕亚臣.重型机械工艺手册.哈尔滨出版社，1998年6月第一版ISBN7-80639-137-1/T4.
[2]王素芬.对螺栓拧紧方法的探讨.安装[J].1997.
论文作者:周春文
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/9/18
标签：螺栓论文; 螺母论文; 角度论文; 扭矩论文; 方法论文; 扳手论文; 载荷论文; 《基层建设》2018年第24期论文;