提高螺纹连接强度的有效方法

螺纹连接的强度主要决定于连接螺栓的强度。影响螺栓强度的因素很多，主要涉及螺纹牙间的载荷分布、应力变化幅度、附加弯曲应力、应力集中及制造与装配工艺等方面。下面介绍提高螺栓强度的一些常用措施。

1）改善螺纹牙上载荷分布不均的现象

无论螺栓连接的具体结构如何，螺栓所受总拉力都是通过螺栓与螺母螺纹牙间的接触传递的。由于螺栓和螺母的刚度及变形不同，即使制造和装配都很精确，各圈螺纹牙上的受力也是不同的。如图7-19所示，连接受载时，螺栓受拉伸，外螺纹的螺距增大；螺母受压，内螺纹的螺距减小。内外螺纹螺距的变化差在从螺母支承面起第一圈螺纹牙处最大，以后各圈递减。旋合螺纹各圈中的载荷分布如图7-20所示。

图7-19　旋合螺纹的变形示意图

图7-20　旋合螺纹间载荷分布不均的现象

研究结果证明，靠近螺母支承面的第一圈旋合螺纹牙的受力最大，约为总拉力的1/3，以后各圈的受力依次减小，第8圈以后的螺纹牙几乎不承受载荷；并且随着螺母高度的增加，旋合的螺纹圈数越多，载荷分布不均的程度越严重。所以，采用螺纹牙圈数过多的厚螺母并不能提高连接的强度。

为了改善螺纹牙上载荷分布不均现象，可采用以下几种方法：

（1）采用悬置螺母。如图7-21a所示，悬置螺母的旋合部分全部受拉，变形与螺栓相同，从而减小了两者间的螺距变化差，使各圈螺纹牙上的载荷分配趋于均匀。

（2）采用环槽螺母。如图7-21b所示，螺母开割凹槽后，螺母内缘下端（与螺栓旋合部分）局部受拉，其作用与悬置螺母相似，但效果不如悬置螺母好。

（3）采用内斜螺母。如图7-21c所示，螺母上螺栓旋入端内斜10°～15°，使受力较大的下面几圈螺纹牙上的受力点外移，螺栓上螺纹牙刚性减小，受载后易于变形，导致载荷向上转移使载荷分配趋于均匀。

（4）采用特殊结构螺母。如图7-21d所示，这种螺母兼有环槽螺母和内斜螺母的作用，均载效果更明显。但螺母的加工比较困难，所以只用于重要的或大型的连接。

图7-21　均载螺母结构

（5）采用钢丝螺套。如图7-22所示，钢丝螺套装于螺纹的内外牙间，有减轻各圈螺纹牙受力分配不均和减小冲击振动的作用，可使螺栓的疲劳强度提高达30%。若螺套材料为不锈钢并具有较高的硬度和较小的表面粗糙度值，还能提高连接的抗微动磨损和抗腐蚀的能力。

2）减小应力幅

螺栓的最大应力一定时，应力幅越小，螺栓越不容易发生疲劳破坏，连接的可靠性越高。由式（7-26）可知，在最大应力不变时，减少螺栓刚度C1或增大被连接件的刚度C2，都可减小应力幅，同时采用这两种措施时，效果更明显。但在给定预紧力F0的条件下，减小螺栓刚度或增大被连接件刚度都将引起剩余预紧力的减小，从而降低了连接的紧密性。因此，在减小螺栓刚度或增大被连接件刚度的同时，适当增加预紧力，可使剩余预紧力不至于减小得太多或者保持不变。但预紧力也不宜增加太多，以免因螺栓总拉力过大而降低螺栓强度。

工程实际中，增加螺栓长度、采用腰状杆螺栓（图7-23a）或空心螺栓（图7-23b），均可减小螺栓的刚度。在螺母下面安装弹性元件（图7-24），也有同样的效果。被连接件之间不采用垫片或采用刚度较大的垫片，均可增大被连接件刚度。对于有紧密性要求的连接，不用垫片时，可采用密封环密封（图7-25）。

图7-22　钢丝螺套

图7-23　腰状杆螺栓与空心螺栓

图7-24　螺母下面安装弹性元件

图7-25　密封环密封

3）避免附加弯曲应力(www.xing528.com)

图7-26　螺栓受偏心载荷的情况

由于设计、制造和装配不良等原因，会导致螺栓承受偏心载荷，如图7-26所示。偏心载荷会在螺栓中引起附加弯曲应力，大大降低螺栓的强度。所以，应从结构上和工艺上采取措施，避免产生或减小附加弯曲应力。若保证螺栓和被连接件的各支承面平整并与螺栓轴线垂直，可在粗糙表面上制出凸台（图7-8a）或沉孔（图7-8b），采用斜面垫圈（图7-9）。采用球面垫圈（图7-27a）、环腰结构螺栓（图7-27b），也可避免附加弯曲应力。

图7-27　球面垫圈和环腰结构螺栓

4）减小应力集中

在螺栓的螺纹牙部分、螺纹收尾处、圆角过渡处及螺杆横截面变化处，都会产生应力集中，对螺栓的疲劳强度影响较大。为了减小应力集中的程度，可采用较大的过渡圆角（图7-28a），螺栓头部切制卸载槽（图7-28b），在螺栓杆部的截面变化处设置卸载过渡结构（图7-28c）。此外，在螺纹收尾处加工出退刀槽也可减小应力集中。

图7-28　减小螺栓应力集中的结构

5）采用合理的制造工艺

制造工艺对螺栓的疲劳强度具有较大影响，尤其是对于高强度的钢制螺栓，影响更为明显。加工时在螺纹表面层中产生的残余应力是影响螺栓疲劳强度的重要因素，采用合理的制造方法和加工方式，可显著提高螺栓的疲劳强度。

碾制螺纹的材料纤维连续、金属流线合理，且表面因加工硬化而存留有残余应力，其疲劳强度较车制螺纹可提高30%～40%。热处理后再滚压，效果会更好。碳氮共渗、氮化、喷丸等表面处理对提高螺栓疲劳强度也十分有效。

例7-1　已知气缸（图7-12）工作压力在0～0.5 MPa变化，工作温度低于135℃，气缸内径D=1 000 mm，螺栓数目z=24，螺栓分布在D1=1 200 mm的圆周上，采用铜皮石棉垫片。试计算气缸盖连接螺栓直径。

解：计算过程见表7-10。

表7-10　气缸盖连接螺栓直径设计

（续表）

图7-29　铸铁托架

例7-2　一个固定于钢制立柱上的铸铁（HT200）托架如图7-29所示，已知工作载荷FQ=4 800 N，力的作用线与垂直方向成50°角，底板高h=340 mm，宽b=150 mm，其余尺寸见图。试设计此螺栓组连接。

解：建立图7-29所示x Oy坐标系。

螺栓组结构设计：采用普通螺栓连接，布置形式如图7-29所示，螺栓数目z=4。

其他设计内容及设计结果见表7-11。

表7-11　铸铁托架螺栓组连接设计

（续表）