如何提高螺栓连接的的承载能力【关于螺栓连接承载方向性的分析】

时间：2019-04-25 03:32:19　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　在“机械原理与机械零件”课程中的螺栓连接这部分内容，介绍了普通螺栓连接方式和铰制孔用螺栓连接方式，最后得出的结论是：普通螺栓连接不宜承受横向载荷。而在教材中学生往往又不能直观地领会这一结论的所以然。笔者认为，在教材的基础上，适当地作一定的补充，即能帮助学生很全面地理解其结论。
　　一、教材原意
　　普通螺栓连接时，需要拧紧，即连接处在工作前先受到预紧力。工作时按所受的工作载荷方向分为横向载荷和轴向载荷两类。
　　1.承受轴向工作载荷的普通螺栓连接
　　螺栓拧紧后再承受轴向工作载荷（拉力）FW时，螺栓再次被拉长，使得被连接件放松，致使轴向预紧力降低。为了保证连接紧密和螺旋副自锁可靠，残余预紧力FC必须保持一定数值。FC的取值范围是：静载时，FC=（0.2~0.6） FW；动载时，FC=（0.6~1.0） FW；紧密压力容器，FC=（1.5~1.8） FW。而为了保证FC，应按下式计算螺栓的预紧力FO：
　　FO= FC+kFW ①
　　k为被连接件的相对刚度值，其取值范围为0.1~0.8。
　　2.承受横向工作载荷的普通螺栓连接
　　普通螺栓连接的螺栓杆部与被连接件的通孔之间有间隙（如下图），横向工作载荷FH是依靠预紧力FO在接合面之间产生的摩擦力来承担的。
　　
　　根据接合面之间不得打滑的要求，其条件是：
　　nfFO≥CFH
　　得到最低限度的预紧力：
　　FO=?— ②
　　式中：C为可靠性系数，C=1.1~1.3；n为接合面数（上图为一个接合面）；f为接合面之间的摩擦系数，钢或铸铁f=0.10~0.16。
　　二、对教材的补充
　　对于上面普通螺栓连接的两种受力类型，可以分别得到①与②两公式，是用于计算预紧力FO的大小。但教材中没有通过举例来定量说明两种受力类型中FO大小的区别，从而不能直观地理解这个知识点。为了更好理解，可以作以下补充。
　　对于①式，可以令k取最大值0.8， FC与FW的关系也取最大的状态，即FC=1.8FW 。代入①式得到：
　　FO=1.8FW+0.8FW=2.6FW ③
　　③式表示了预紧力FO与轴向工作载荷FW的关系。
　　对于②式，如上图的状态，被连接件为两个，则n=1；C取最小值1.1；f取最大值0.16，代入②式得到：
　　FO=—=6.9FH ④
　　④式表示了预紧力FO与横向工作载荷FH的关系。
　　由③式看出：轴向工作载荷FW增加1倍,相应预紧力FO要增加2.6倍。
　　由④式看出：横向工作载荷FH增加1倍,相应预紧力FO要增加6.9倍。也即④式FO的变化程度大于③式FO的变化。
　　所以得出结论：普通螺栓连接不宜承受横向载荷。
　　但我们注意到，③④两式的导出是设定条件的，这些条件的设定，目的是使得轴向载荷时，FO取最大值；使得横向载荷时，FO取最小值。而即便是这样，我们最终也得到横向载荷时的预紧力FO的变化程度更大（FO=6.9FH）
　　另外，我们也看到，对于④式的导出，是在被连接件为两个（n=1）的前提下。若被连接件是4个时，则n=3，结果是：
　　FO=—=2.3FH ⑤
　　依此类推，当n=4、5、6……时，FO的变化程度更小。
　　若把⑤与③作比较，可以看出③式的变化程度更大。我们得到的结论是：普通螺栓连接不宜承受轴向载荷。正好和上面④与③作比较后得出的结论相反。
　　以上分析是普通螺栓连接方式的状态，而铰制孔用螺栓连接方式的情况是不一样的：其连接相当于是轴孔配合，螺栓零件上非螺纹的圆柱部分与被连接的孔相配合。这种方式下的被连接件承载方向是显而易见的，从力学的角度计算可知其承受横向载荷的数值远比轴向载荷要大。所以，教材上铰制孔用螺栓连接方式适宜承受横向载荷的结论是唯一且正确的。
　　三、结语
　　通过以上的分析，我们可以更全面地理解普通螺栓连接所承受载荷的方向问题。不管得到哪个结论，其都是有条件的，不是绝对的。它们是相互对立，但也是可以相互转化的。通过这样的分析，可以培养我们全面看问题的良好习惯。

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