浅谈工程机械螺栓预紧力控制方法

正1螺栓预紧的作用绝大多数螺栓连接件在装配时都必须拧紧,以使其在承受工作载荷之前,预先受到拉力作用,这个预加作用力称为预紧力。预紧的目的在于增强连接的可靠性和紧密性,防止受载后被连接件出现缝隙或发生相对滑移,最终保证紧固件可靠地连接在一起。大量研究及实验表明,螺栓连接预紧力的大小将对螺栓总载荷、连接临界载荷、抵抗     

低温法兰接头热-结构耦合分析

螺栓法兰连接被大量应用于LNG低温加气站管线系统中,因LNG具有易燃易爆特性,法兰连接的结构完整性和紧密性需要重点关注。文中研究了法兰、垫片材料的低温属性;结合加气站具体工况,对法兰接头进行了稳态传热分析;综合考虑螺栓预紧力、内压、温度场及材料低温性能,建立法兰连接热-结构耦合有限元模型,对两种不同密封面形式(榫槽面及凹凸面)法兰的密封性能进行了对比研究。分析结果表明:法兰及螺栓材料能满足结构完整性要求;凹凸面法兰垫片接触应力保持能力较好,但内圈节点应力过小,密封性能差;榫槽面法兰垫片接触应力保持能力较差,而适当提高螺栓预紧力可明显改善其密封性能。     

超临界水氧化反应器螺栓法兰连接件的有限元分析

利用ANSYS软件分别对超临界水氧化反应器的法兰连接件在预紧时和操作时的受力和变形情况进行有限元分析。通过对连接系统变形协调方程的确立,对反应器螺栓法兰连接件进行了整体分析和各个部件的单独分析,得到了各个部件的应力分布和变形的规律。     

基于虚拟材料模型的螺栓松动预测研究

螺栓连接在风力发电机等复杂装备中得到了广泛应用。设备的工作载荷及机械振动会引起螺栓松动,导致螺栓连接失效,严重影响设备的正常运行。为此,以海上风力发电机塔筒连接螺栓为研究对象,建立了螺栓结合面连接刚度模型,进行了塔筒法兰连接螺栓的松动状态预测研究。首先,建立了螺栓结合面刚度,通过虚拟材料模型对其进行了表征,探究了预紧力对虚拟材料层模型的影响特性,为有限元模型提供了参数;然后,通过力锤实验,并结合实测数据建立了高精度的有限元模型;最后,通过法兰连接件的前10阶扭转、弯曲固有频率,以任意两阶模态的频率变化平方比、预紧力变化前后频率相对变化比分别作为螺栓定位、定量指标,进行了螺栓松动预测。研究结果表明：随着预紧力的增加,固有频率呈现逐渐增大的趋势,但灵敏度稍有下降;通过对螺栓松动测试结果的统计可得,螺栓松动定位识别精度达到95.24%;单、多螺栓预紧力下降程度定量精度分别为93.4%、90.2%;基于虚拟材料模型的螺栓松动预测方法具备精度高、通用性强的特点,可为螺栓连接的数字孪生实时监测提供重要参考。     

拧螺栓和拧螺母对螺纹轴向预紧力的影响研究

为了研究拧螺栓和拧螺母对轴向预紧力的影响,基于被连接件材料为钢-钢、钢-铝连接结构,将六角法兰面螺栓和六角法兰面螺母分别压钢状态进行拧紧试验,并利用超声波预紧力测量仪监测拧紧实现的轴向预紧力,结果表明拧螺栓较拧螺母实现的预紧力大。经分析导致该现象主要原因为螺栓法兰面实际锥度比螺母法兰面锥度小,即螺栓法兰面较螺母内外圈高度差小,导致前者支承面摩擦内径更小,同目标扭矩条件下扭矩系数小则转化的轴向预紧力更大。结合有限元分析,验证实测样件法兰面不同锥度受载条件下的应力分布情况,钢板最大应力集中位置为支承面摩擦内径,与试验结果相吻合。     

大口径法兰三维力学有限元分析

建立了螺栓法兰联接大口径法兰的三维有限元模型，在考虑垫片非线性和接触非线性的基础上，研究了预紧工况和承压工况下螺栓、垫片等元件的受载与变形情况。研究表明螺栓外侧应力与预紧力成正比且随着内压的升高而增加：螺栓内侧应力与预紧力成正比但随着内压的升高而降低；法兰偏转量对垫片和螺栓的应力影响较大，随着内压的升高法兰偏转量增加，垫片变形量减小但不均匀性增加。     

叠片联轴器在不同载荷形式作用下的非线性特性研究

为了研究螺栓法兰连接式叠片联轴器在拉伸、弯曲和扭转3种不同载荷形式作用下的非线性变形行为,建立了联轴器局部有限元模型,分析了螺栓预紧力、界面摩擦因数对叠片变形和螺栓法兰连接刚度的影响,讨论了径向、周向滑移量和联轴器非线性变形之间的关系。结果表明,减小预紧力和摩擦因数可以有效降低联轴器的横向和扭转刚度,但对弯曲刚度影响有限;摩擦因数和螺栓预紧力对扭转刚度具有相似的影响机理。研究成果可为叠片式联轴器的设计提供有益的参考。     

法兰螺栓连接中螺栓预紧力的计算和控制方法分析

法兰联接的螺栓预紧是保证法兰联接点不发生泄漏的重要环节之一。本文通过分析计算给出了计算预紧力的通用公式,经过对2种控制预紧力的方法分析比较后,得出螺栓伸长法最适用于法兰螺栓连接系统的预紧力控制。     

基于有限元的LNG管道法兰连接紧密性分析

螺栓法兰连接是一种管道连接形式,其密封性能是工程中关注的重要问题,而垫片密封是螺栓法兰连接中被广泛应用的密封形式。综合考虑螺栓预紧力、管道压力、温度、管道结构及低温下材料力学性能,建立管道、法兰、垫片、螺栓系统的热-结构耦合有限元模型,分析螺栓法兰连接在安装工况、压力工况、低温压力工况下垫片接触应力分布规律、螺栓拉应力及管道位移变形。结果表明:低温压力工况下,垫片接触应力周向分布不均匀,管道结构对螺栓法兰连接密封性能有较大影响。     

基于紧密度要求的非金属垫片应力场数值模拟

针对密封垫片的实际工作情况,将螺栓-法兰-垫片连接系统看成一个整体进行分析研究,并考虑系统中各元件之间的相互作用。以ASME B16.5标准中的NPS4 Class150法兰为例,建立螺栓-法兰-垫片连接系统的参数化三维有限元模型,模拟垫片材料的非线性行为。采用预紧单元模拟螺栓的预紧作用,研究了在不同预紧力和内压载荷的作用下,垫片应力的变化规律。研究结果表明:垫片应力的大小随着螺栓预紧力的增加而增大;随着内压载荷的升高,垫片的应力沿径向和周向分布更加不均匀。研究结果为螺栓-法兰-垫片连接系统的密封性能分析以及有限元法在该领域的应用提供了依据。     

带接管组合法兰的强度和密封有限元分析

螺栓法兰连接是石化设备和管道中应用最广泛的密封形式,对其完整性和紧密性分析仍是工程中亟待解决的问题。综合考虑垫片的非线性压缩回弹本构关系、螺栓预紧和法兰垫片接触作用,将带接管的组合法兰、垫片、螺栓作为一个系统进行三维非线性有限元模拟。基于强度和密封要求,借助Waters公式和有限元试算,选定合适的螺栓预紧载荷。计算获得组合法兰在预紧、操作、设计和水压试验4种工况下的应力与变形分布规律。依据JB 4732对法兰应力进行分类强度评定,依据ASMEⅧ-1从垫片应力和法兰转角两个方面进行密封评定。可为实际应用提供参考。     

PTFE缠绕垫片旋转法兰的强度及密封性能研究

带垫片的螺栓法兰为压力容器管道的重要连接件,现行的基于Waters算法的规则设计难以保证法兰连接承受复杂载荷的完整性及密封有效性,根据欧盟标准BS EN 13445-3-2009附录GA的设计原则,建立PTFE缠绕垫片的压缩回弹本构关系,采用3D非线性有限元方法分析垫片及螺栓连接的旋转法兰组件受到内压及外载作用的强度及密封性能,结果表明螺栓预紧及操作条件下垫片法兰的密封性能及强度性能满足要求,螺栓预紧力的确定与内压及外载的大小,动态变化的垫片压应力、螺栓分散性有关。     

航空结构中螺栓连接预紧力设计研究

螺栓预紧力表示的是螺栓在拧紧过程中,螺栓与其他连接件之间在拧紧力矩的作用下沿螺栓轴线方向的力。影响螺栓预紧力的因素有很多,比如:螺母与连接件之间产生的静摩擦力、螺母与螺栓之间产生的静摩擦力以及螺栓的拧紧力矩。航空结构中有许多部位需要螺栓连接的,因此,研究航空结构中的螺栓预紧力对于飞机整体的稳定性有一定的帮助。     

外弯矩下螺栓法兰连接紧密性研究

为准确分析螺栓法兰连接系统的紧密性,利用当量内压法﹑当量轴向力法和变形协调方程,研究外弯矩作用下螺栓法兰连接中的垫片压紧应力。分析结果表明:若利用当量内压法来计算,外弯矩等同于内压,相当于增大了系统的内压,但并不能体现出外弯矩作用下垫片应力在螺栓法兰连接系统分布的不均匀性;而利用当量轴向力法来计算,可以体现出整个系统在承受外弯矩作用导致的垫片应力沿管道圆周方向按余弦分布的不均匀性,并且垫片受拉侧和受压侧的压紧应力相差增大,其中受拉侧垫片应力减小,受压侧垫片应力增大,因此螺栓法兰连接的紧密性需重点考虑受拉侧的垫片应力。     

考虑垫片时滞效应的管板-法兰-垫片-螺栓连接系统三维有限元分析--预紧工况和加压工况下密封垫片的压紧应力分析

本文从整体性观点出发,考虑垫片的非线性性质和应力-应变时滞效应,用大型有限元软件ANSYS建立了U形管换热器中等效管板和法兰垫片螺栓连接系统的三维有限元模型,并作为研究报告的第一部分,着重分析了预紧和加压两种工况下垫片材料的非线性与时滞效应、不同的管壳程压差以及不同的螺栓预紧力和不同的螺栓尺寸等因素对法兰接头紧密性(垫片压紧应力的大小和分布状况)的影响;在下一部分中将讨论上述各种因素对法兰接头强度的影响。     

拧紧策略及其对螺栓预紧力影响研究

随着飞机结构越来越多地采用整体机加件和复合材料构件,螺栓在主承力结构的连接中起着尤为重要的作用。螺栓拧紧在螺栓连接中是最为重要的环节,拧紧过程中产生的轴向力使螺栓被拉长,被连接件被压缩,而这个轴向力就是预紧力,预紧力作为螺栓拧紧中最为关键的因素,对螺栓连接的可靠性、结构力学性能和疲劳寿命有着非常显著的影响。现常采用扭矩法对螺栓进行拧紧,其中预紧力是通过拧紧扭矩转化得到,该过程受摩擦系数影响显著,而拧紧工艺参数亦会影响摩擦系数,使得预紧力与拧紧力矩的转化关系更加复杂。对不同的拧紧方法进行了比较的同时,发现不同拧紧方法对于预紧力的影响不尽相同,对于预紧力的控制也不尽相同。研究拧紧方法、拧紧工艺参数对拧紧力矩-预紧力转化关系的影响,对于精准获得所需的预紧力有积极的作用。因此,就国内外拧紧策略及其对预紧力影响的研究现状进行综述,主要涉及拧紧方法、拧紧方法对预紧力的影响、拧紧工艺参数对预紧力的影响等三个方面。     

大型法兰对接螺栓预紧力加载过程分析及处理措施

针对目前大型容器法兰接管对接时,螺栓预紧中,无法直接知道每个螺栓预紧力的大小,从而导致预紧力不能均匀的作用于密封垫,使密封垫产生不均匀变形,影响密封效果及产生泄漏。在工艺上,对法兰预紧螺栓的普遍要求是圆周逐步加载,使密封垫逐步均匀嵌入法兰密封槽,保证密封垫不发生局部变形,也就是法兰圆周均匀分布的许多螺栓加载过程要求变化梯度小、逐步均匀加载,最终各螺栓的预紧力达到规定值。设计一种在线监测仪器,此仪器能够在现场将每个螺栓的受力大小精确地反应出来,通过显示的数据来判断螺栓预紧顺序及加力大小。从而达到均匀逐步预紧,得到良好的密封效果。     

低温BOG压缩机活塞杆运动件预紧力的研究

BOG压缩机是对LNG储罐中蒸发出的气体进行加压的设备,其主要特点是工作在低于-100℃的超低温下。在如此低温下工作,压缩机的螺纹连接件预紧力状况会和常温预紧时产生很大变化。本文以BOG压缩机活塞杆螺栓连接为研究对象,提出了一种能预测螺栓低温预紧力变化的理论公式并进行了精度修正,通过有限元模型验证了理论公式在计算活塞杆螺栓预紧力变化的有效性,结果表明,通过理论公式与有限元模型的对比,表明结构即使不完全符合理论公式的要求,理论公式与有限元计算仍然较为吻合。在螺栓连接材料为304不锈钢和SIC815合金钢组合下,常温下预紧至60%屈服应力的螺栓连接,在-125℃低温下预紧力会产生30%的松弛。此外,本文对往复活塞力以及应力集中对活塞杆螺栓应力状态的影响进行了分析,并以理论公式为基础,将应力集中、工作温度范围、外部静载等因素考虑在内,提出了针对不同状况的螺栓常温预紧力取值范围,可满足较广范围螺栓连接预紧力取值的需求。     

工字拉杆结构连接法兰在风电机组塔筒连接中的应用

本文介绍了一种工字拉杆结构连接法兰,并对其进行了详细的结构原理介绍和受力分析,在风电塔筒连接应用中,本工字拉杆结构连接法兰与传统的螺栓厚型法兰连接结构相比,受力更加合理,避免了厚型法兰对螺栓的杠杆力作用,增加了连接件的承载面积,降低了制造成本。     

螺栓绝对拉伸量与残余拉伸量的函数关系式研究

液压装置轴向拉伸螺栓,螺栓在恢复自由变形时将冲击螺栓连接件,此时很难定量计算最终的螺栓预紧力,目前工程上一般采用实验数据给出液压拉伸油压与最终螺栓预紧力的关系图。鉴于此,在材料力学中杆件的伸长量变形公式基础上,理论计算出绝对螺栓预紧力,同时结合蒸汽发生器螺栓测量的大量螺栓拉伸数据,利用离散数据的最小二乘法拟合工具,得到绝对螺栓预紧力与残余螺栓预紧力的函数关系式,为后续液压拉伸工具的设计提供一定的指导。