转盘轴承连接螺栓应用分析

徐佐宇，李颖

(1.中国特种设备检测研究院，北京 100013； 2.国电联合动力技术有限公司，北京 100039)

绝大多数转盘轴承的内、外圈上均带有一定数量的螺栓孔，安装时利用螺栓将转盘轴承固定在座架上。主机在运转过程中承受的力和力矩需通过螺栓传递，若螺栓连接破坏将会导致严重后果，因此螺栓是保证主机旋转部件安全工作的关键零件。一般转盘轴承内、外圈上的螺栓孔规格与数量均相同，且沿圆周均匀分布。螺栓孔的布局及螺栓的安装方式对于保障转盘轴承正常运转至关重要。

1 螺栓连接系统分析

某转盘轴承螺栓连接示意图如图1所示。其承受的最大工况条件为：轴向载荷Fa，径向载荷Fr，倾覆力矩M。轴承内、外圈与座架均通过j个螺栓连接，内、外圈上连接螺栓孔的中心圆直径分别为Di和De。

螺栓受力与变形的关系如图2所示[1]，曲线Ⅰ为螺栓弹性曲线，曲线Ⅱ为被连接零件的弹性曲线，在D点时螺栓拉力达到规定的预紧力FM，此时螺栓对被连接零件的压力等于预紧力。在预紧状态下，螺栓承受拉力外载荷FA时，使螺栓的伸长量增加了fSA，被连接零件的压缩量减少了fPA(fPA=fSA)，螺栓上的拉力增加了FSA,被连接零件上的夹紧力减小了FPA，则

图1 转盘轴承螺栓连接简图

图2 螺栓受力与变形关系图

FA=FSA+FPA。

2 预紧力推荐

适当的预紧力可充分发挥螺栓性能，提高螺栓在交变载荷下的疲劳强度，防止螺栓在外力作用下与安装座架贴合面产生间隙，造成冲击[2]。

转盘轴承中螺栓的预紧一般采用定力矩扳手或液压拉伸器完成。在拧紧螺母时，螺栓被拉伸并使被连接件贴紧，当扳手的拧紧力矩MA达到某值时，对应螺栓的拉伸预紧力FM也达到了要求。螺栓直径越大，扳手拧紧过程中螺母端面处和螺纹处的摩擦力矩不确定性的影响越大，所以对于直径较大的螺栓(螺栓直径d≥30 mm)推荐使用液压拉伸器，可以施加相对精确的预紧力。

螺栓强度校核规范VDI 2230—2003认为，螺栓在预紧状态下的内部应力(螺栓的剪切应力与拉应力的合成应力)约为90%材料屈服极限应力时为最佳预紧状态。转盘轴承多采用8.8(非比例延伸强度RP0.2=660 N/mm2)或10.9(非比例延伸强度RP0.2=940 N/mm2)级螺栓，安装螺栓所需预紧力或预紧力矩的推荐值见表1和表2(紧固方法依据ISO 898标准进行)。

3 螺栓安全性验证

在验证转盘轴承中螺栓的安全性时，进行如下假设：(1)螺栓孔在轴承套圈上均匀分布；(2)螺栓夹紧长度至少为5d；(3)螺纹孔中螺纹连接长度最小为d(8.8级螺栓)、1.25d(10.9级螺栓)。

表1 采用定力矩扳手安装螺栓时的预紧力和力矩

表2 采用液压拉伸器安装螺栓时的预紧力

由于内、外圈螺栓数量和规格相同，内圈螺栓孔中心圆直径较小，则内圈上单个螺栓所受的载荷较大，所以仅需对内圈上螺栓受力情况进行验证。

3.1 螺栓承受的最大外部工作载荷

在纯倾覆力矩M作用下，均布螺栓连接中的力和轴向变形如图3所示。在纯倾覆力矩M作用下，最大受载螺栓的外部工作载荷为FA1max,与最大受载螺栓相距φ处(同一套圈上)的螺栓所受的外部工作载荷为

FA1=FA1maxcosφ。

(1)

图3 力矩作用下螺栓受力与变形简图

纯倾覆力矩作用下，M与所有螺栓所承受的外部载荷间的关系为

(2)

由(1)式和(2)式可得

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(3)

在纯轴向载荷Fa作用下产生的均匀分布的螺栓外部工作载荷为

FA2=Fa/j。

(4)

在力和力矩共同作用下最大受载螺栓上的外部工作载荷FA为

FA=FA1max+FA2=4M/(Dij)±Fa/j，

(5)

式中：j为螺栓个数；当轴向力指向轴承时，取“-”，当轴向力背离轴承时，取“+”。

3.2 螺栓屈服极限校核

螺栓预紧后受拉余量F′为

F′=0.1Rp0.2AS。

(6)

受外力时螺栓拉力增加值FSA为

FSA=0.65ΦKFA，

(7)

式中：ΦK为载荷系数，该值与螺栓和被连接零件的柔性有关，一般取0.2～0.3。

若FSA

3.3 残余夹紧力的验算

在倾覆力矩和轴向力共同作用下螺栓被拉伸，被连接件受到的夹紧力减小，当该残余夹紧力使被连接件贴合面产生的摩擦力不足以承受径向力时，会产生附加冲击，螺栓连接有失效的风险。若转盘轴承与座架间有止口来承担径向力作用时，可不必考虑径向力对螺栓连接的影响。

螺栓连接受外力后被夹紧零件残余夹紧力FKR为

(8)

式中：αA为紧固系数，根据文献[1]，用定力矩扳手预紧时取1.6，用液压拉伸器预紧时取1.4。

被连接件在径向力Fr作用下所需的最小夹紧力FKRe为

(9)

式中：k为载荷分布系数，对于球轴承k=4.37，滚子轴承k=4.10；μ为轴承安装面与支架之间的摩擦因数，μ=0.25。

4 螺栓安装及维护

在使用定力距扳手或液压拉伸器安装螺栓时，按周向顺序依次紧固螺栓会使先紧固的螺栓发生松弛，因此推荐如图4所示的紧固顺序，并需经过3～4次拧紧以后，螺栓才能达到规定的预紧力。

转盘轴承中的螺栓连接不允许采用弹簧垫片防松，因为弹簧垫片破坏了螺栓受力的中心性，影响预紧力施加的准确性，对连接强度不利。因此，该螺栓连接一般采用调质平垫片或不用垫片。

图4 螺栓紧固顺序图

由于螺栓连接必然会发生工作疲劳，故应检查螺栓是否维持所需要的预紧力水平，建议在转盘轴承使用2～4个月后，对各螺栓进行重新紧固，然后仅需每年系统性检查时对其进行检查。有些场合则规定工作7年或14 000 h后更换紧固件，因此，需根据使用条件和相关规定检修或更换。