超级螺栓的结构分析

赵平

1、引言

随着现代工业的迅速发展，大型及超大型机械广泛应用于石化、电站、矿山、农业生产、交通运输及冶金等行业。对投资大、使用寿命长、安全性要求高的重要设备，其安全性和运行可靠性在整个生产过程中起着关键作用。而螺栓往往是保证设备密封、连接的可靠性的重要部件之一。

螺栓紧固是利用产生大于载荷的、精确的、可持久的预紧力实现的。只要预紧力大于载荷，螺栓连接不会出现问题，但预紧力过大，也会导致螺栓本体及连接件破坏。而且，随着螺栓直径增大，拧紧螺栓所需要的扭矩呈指数型增加，要实现精确的预紧力，对于大直径的螺栓尤为困难。对于普通大型螺栓，紧固时常需要借助锤击、加热液压扳手、液压拉力器等笨拙的方法，有时甚至需要起重机拉动专用轮型扳手，来使螺栓产生足够的预紧力，以达到紧固的目的。但这些方法既费时，又费力，也很不经济。

超级螺栓提供了解决普通大螺栓精度差、耗费时间、设备昂贵、安全隐患、螺纹咬死等问题的最佳解决方案。其在拧紧所用的扭矩小、精度高、防松方面的优势尤为突出。本文首先介绍了超级螺栓的主要结构、运作过程及特点；然后通过理论计算，解释超级螺栓可以节省扭矩的原因；最后，用有限元软件证实了超级螺栓可以通过小的扭矩来预紧效果。

2、超级螺栓

2.1超级螺栓的结构

超级螺栓又称多级顶推超级螺栓，是由一个中心螺栓和一个周围带有一圈同心多级顶推螺栓的螺母组成。超级螺栓的实物及结构简图见图1。主螺纹用于安置预紧器在螺栓或螺柱上并靠在硬垫片及承載面上。一旦安置到位，螺栓或螺柱的实际张紧通过简单的手动工具来拧紧环绕着主螺纹一圈的顶推螺栓来实现，顶推螺钉均匀地传递预紧力到主螺纹上，从而，也传递到连接件上。主螺纹被纯张力锁紧。

2.2超级螺栓的运作

超级螺栓的运作原理见图2。其运作步骤如下：1）通过拧紧顶多螺栓，产生了强大的顶推力（轴力）。这个顶推力直接作用在硬垫片上。顶推螺栓摩擦直径小，因此可以用相对小的扭矩来实现高的顶推力。2）负载被传递到已经手动安装到主螺纹上的螺母主体上。3）硬垫片用来传递力，同时保护法兰面。4）顶推螺栓的（轴向）顶推力和主螺栓头的方向作用力一起在法兰上产生一个强大的夹紧力。5）顶推螺栓的顶推力（轴向）在主螺栓上产生一个相同大小的力。

2.3超级螺栓的优势

超级螺栓在以下几个方面的优势非常突出：1）机械效益明显：传统螺栓在紧固时将力集中在单个螺栓上，而顶推螺栓将力分散在多个顶推螺栓上。顶推螺栓直径小，所需力矩就小，但数量多，集合起来产生强大的推力作用在硬垫片上，便在主螺栓上产生一个同等的作用反力。2）精确的预紧力：传统的紧固方法一直试图通过使用双螺母、焊接固定、开销槽等方法来防止螺栓松动。但这些方法治标不治本，例如，螺栓虽然被固定了，但由于承受全部载荷，在循环载荷的作用下，也会产生断裂等破坏。因此，获得精确的预紧力，并且具有防松结构是螺栓连接稳定、持久、可靠的保证。3）省时省力省空间：由于顶推螺栓所需要的力矩小，只需普通的手动扳手即可产生强大的螺栓压强。因为只需手动工具，需要时多倍工人可以同时一起工作。而且，正确的设计和拧紧的连接件在服务时将不会松动，便减少了故障停机时间。对于受限区域，多顶推预紧器更容易安装。4）其他优势：如，纯张力锁紧消除了一般扭矩方法安装时发生的螺纹咬死；预紧器移除方便，减少了使用其他标准螺栓连接方法时可能发生的机器故障；用手动工具做个简单的扭矩测试即可轻易地检验连接件是否紧密；可以充分地重复利用等。

3、超级螺栓的受力分析

如图2所示，顶推螺栓拧紧后所产生的预紧力直接作用于硬垫片上，使螺母受张力离开垫片表面，顶推螺栓的合力与主螺栓形成一对反力对紧固件产生强大的加紧作用，硬垫片在其中起传递预紧力和保护紧固件的作用。对于螺栓连接，其拧紧力矩T用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1及螺母与被连接件（或垫圈）支撑面间的端面摩擦力矩T2。

4超级螺栓的有限元分析

4.1有限元简化模型

法兰连接是压力容器上必不可少的重要部件之一，也广泛应用于石油化工、电力、原子能、轻工等领域。为了模拟超级螺栓在实际应用中的效果，将超级螺栓应用在管板兼做法兰的法兰-螺栓连接结构中。考虑螺栓法兰连接系统中，法兰、垫片和螺栓为轴对称结构，为了减少计算量，选用1/4模型，简化的有限元模型如图3所示。另外，为了简化约束以及载荷的施加方式，将顶推螺栓简化成作用在垫片和螺母上的力。

4.2网格划分

本模型主要采用自动网格划分方法，网格划分情况如图4所示。其中节点数为118555，单元数为33982。

4.3载荷及边界条件

在ANSYS模型的两个剖分面，即对称面上，施加对称约束；在法兰侧末端施加固定约束，约束施加示意如图5。对于M36的主螺栓，选用M10的顶推螺栓。主螺栓需要的预紧力为215KN，普通螺栓需要施加583.2Nm的扭矩才可以满足。而对于顶推螺栓，只需要每个顶推螺栓施加38.8KN的预紧力，即通过27Nm的扭矩便可以使主螺栓产生215KN得预紧力。将顶推螺栓的顶推力简化成作用在垫片向下的压紧力以及螺母向上的顶推力，垫片和螺母上的载荷施加情况如图6和图7所示。

4.4有限元分析结果与评价

ANSYS模拟结果如图8所示，最大应力强度出现在上下法兰的接触面直角边周围，由于关注的重点是超级螺栓，所以没有对此处做圆角过渡处理。用力探针检测主螺栓的力，大小与周圈小螺栓预紧力的合力相同，见图9，这与张[2]等得到的结论相吻合。并且，从有限元分析云图可以看出，由于顶推螺栓直接作用于垫片上，减小了对压紧件的压溃破坏。顶推螺栓能够均匀传递力，并有效减小了扭矩。

5、结论

超级螺栓特殊的结构设计使其具有预紧扭矩小、防松、省时省力、连接可靠等优点，对于大螺栓，优势更为明显。从对超级螺栓的受力分析和有限元分析可以看出，超级螺栓的顶推螺栓能够使预紧力降低1/n倍，扭矩降低1/xn倍。有限元的分析结果也证实了顶推螺栓与主螺栓的这种力和扭矩的这种变化关系。超级螺栓虽然有诸多优点，但是，由于生产成本高，技术问题等，目前在国内并没有非常广泛的应用。超级螺栓的实际应用及其有限元分析还有待进一步研究。

（作者单位：山东豪迈机械制造有限公司）