01
螺紋連接為什么需要預(yù)緊力？
在回答這個(gè)問(wèn)題之前，首先要明確螺紋連接的定義。螺紋具有緊固連接、傳動(dòng)、密封以及測(cè)量等多種功能，其中緊固連接和密封是其最常用的兩種功能。我們常說(shuō)的螺紋連接主要指的是它的緊固連接功能。螺紋緊固連接，簡(jiǎn)稱(chēng)螺紋連接，是通過(guò)螺紋緊固件（包含螺栓、螺母、雙頭螺柱、緊定螺釘?shù)龋蓚€(gè)或多個(gè)零件連接在一起的機(jī)械連接方式。其工作原理是，當(dāng)帶有外螺紋的螺栓或螺桿旋入帶有內(nèi)螺紋的螺母或螺孔時(shí)，螺紋的牙型相互嚙合，通過(guò)施加扭矩，使螺紋副之間產(chǎn)生軸向?qū)⒈贿B接件夾緊，并通過(guò)螺紋副之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)機(jī)械自鎖，從而達(dá)到緊固連接的目的。
螺紋連接在實(shí)際服役過(guò)程中會(huì)受到各種振動(dòng)、沖擊和交變載荷的作用，如果沒(méi)有足夠的預(yù)緊力，螺紋副之間摩擦力矩不足以抵抗外部振動(dòng)沖擊等因素引起的松脫力矩，很容易造成螺紋副之間出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致連接失效。因此，足夠且適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力不僅能將被連接件有效夾緊，而且能夠增加螺紋副之間的摩擦力，抵抗外部不利因素引起的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，起到防松作用，從而保證連接的可靠性和穩(wěn)定性。
對(duì)螺紋連接施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力除了上述作用外，對(duì)螺紋緊固件本身也起到提高抗拉強(qiáng)度和改善疲勞性能的作用。在螺紋連接中，當(dāng)對(duì)螺栓施加預(yù)緊力時(shí)，螺栓會(huì)產(chǎn)生彈性變形并處于受拉狀態(tài)。根據(jù)材料力學(xué)原理，材料在彈性范圍內(nèi)，其應(yīng)力與應(yīng)變呈線(xiàn)性關(guān)系。此時(shí)螺栓所承受的預(yù)緊拉力會(huì)使螺栓內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，這個(gè)拉應(yīng)力在螺栓材料的彈性極限范圍內(nèi)，能讓螺栓材料的晶格結(jié)構(gòu)等處于一種“激活”狀態(tài)，使得材料能夠更有效地抵抗后續(xù)施加的工作載荷。當(dāng)工作載荷施加時(shí)，螺栓所承受的總拉力是預(yù)緊力與工作拉力的疊加，但由于預(yù)緊力已經(jīng)使螺栓處于受拉的“準(zhǔn)備”狀態(tài)，相當(dāng)于提前發(fā)揮了螺栓材料的抗拉性能，所以螺栓能夠承受更大的工作載荷而不易斷裂。
02
螺紋連接預(yù)緊力大小如何確定？
螺紋連接對(duì)預(yù)緊力的控制要求相對(duì)較高，預(yù)緊力過(guò)大可能導(dǎo)致螺栓斷裂或被連接件變形，預(yù)緊力過(guò)小則會(huì)影響連接的可靠性和穩(wěn)定性。那么螺紋連接預(yù)緊力大小該如何確定？在確定螺紋連接的預(yù)緊力時(shí)，需要考慮多個(gè)方面的因素。
2.1 螺栓自身因素
螺栓材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能是確定預(yù)緊力的基礎(chǔ)。屈服強(qiáng)度高的螺栓能承受更大的預(yù)緊力，一般為保證螺栓在工作中不發(fā)生塑性變形，預(yù)緊力產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)在材料屈服強(qiáng)度的一定比例范圍內(nèi)。此外，相同材料的螺栓，規(guī)格尺寸和類(lèi)型不同，其預(yù)緊力也有差異。螺栓的公稱(chēng)直徑、螺距等尺寸參數(shù)影響預(yù)緊力，通常，直徑越大的螺栓，能施加的預(yù)緊力越大，可根據(jù)螺栓的橫截面積與材料強(qiáng)度來(lái)計(jì)算允許的最大預(yù)緊力；不同類(lèi)型的螺栓，如普通螺栓、高強(qiáng)度螺栓、自攻螺栓等，其預(yù)緊力要求不同，高強(qiáng)度螺栓需要較大預(yù)緊力來(lái)發(fā)揮其高強(qiáng)度性能，自攻螺栓則因連接方式和用途不同，預(yù)緊力要求有別。
2.2 被連接件因素
被連接件的材料強(qiáng)度、彈性模量等決定了其能承受的預(yù)緊力。強(qiáng)度低或彈性模量大的材料，如鋁合金、橡膠等，需要控制預(yù)緊力，防止被連接件產(chǎn)生過(guò)度變形、壓潰或損壞。帶有薄壁、凸臺(tái)等特殊結(jié)構(gòu)的被連接件，可能存在應(yīng)力集中，需通過(guò)有限元分析等方法確定合適預(yù)緊力。尺寸大的被連接件一般能承受較大預(yù)緊力，但要考慮材料性能的尺寸效應(yīng)。
若被連接件在工作時(shí)承受剪切載荷，被連接件接觸面之間需要較大的摩擦力以抵抗被連接件之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，這種情況就必須有足夠的預(yù)緊力來(lái)產(chǎn)生必要的摩擦力。
2.3 連接工況因素
連接承受的載荷類(lèi)型，如靜態(tài)載荷、動(dòng)態(tài)載荷、交變載荷等，對(duì)預(yù)緊力要求不同。承受動(dòng)態(tài)或交變載荷的連接，為防止松動(dòng)和疲勞破壞，通常需要比靜態(tài)載荷下更大的預(yù)緊力。此外，工作環(huán)境中的溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)等會(huì)影響螺栓和被連接件的性能。高溫會(huì)使材料強(qiáng)度降低，預(yù)緊力需相應(yīng)調(diào)整；在腐蝕環(huán)境中，要考慮螺栓的腐蝕裕度，適當(dāng)調(diào)整預(yù)緊力以保證連接的可靠性。
上述三個(gè)主要影響因素中，螺栓自身因素是確定預(yù)緊力大小的基礎(chǔ)，因此，我們首先應(yīng)先根據(jù)螺栓材料、規(guī)格和類(lèi)型初步確定出預(yù)緊力值，而后再考慮被連接件因素和連接工況因素對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。接下來(lái)，我們給出依據(jù)螺栓屈服強(qiáng)度初步計(jì)算預(yù)緊力的方法和公式。
考慮到材料的許用應(yīng)力要求，為了保證螺栓在工作過(guò)程中不發(fā)生塑性變形，預(yù)緊力產(chǎn)生的應(yīng)力一般應(yīng)控制在材料屈服強(qiáng)度σs 的一定比例范圍內(nèi)，一般不得超過(guò)屈服強(qiáng)度的80%，通常取0.5σs~0.7σs，碳素鋼螺栓取0.6~0.7，合金鋼螺栓取0.5~0.6。通過(guò)螺栓的橫截面積，可以根據(jù)以下公式計(jì)算出預(yù)緊力。
式中，
F0 — 預(yù)緊力；
σs — 螺栓材料的屈服強(qiáng)度；
As — 螺紋的應(yīng)力截面積；
d2 — 螺紋中徑的基本尺寸；
d1 — 螺紋小徑的基本尺寸；
H — 螺紋原始三角形高度（H=0.866025P，P 為螺紋螺距）；
螺栓的應(yīng)力截面積可查下表獲得。
03
如何對(duì)螺紋連接施加預(yù)緊力？
在確定預(yù)緊力大小之后，如何對(duì)螺紋連接施加設(shè)定的預(yù)緊力值？顯然，是通過(guò)控制擰緊扭矩對(duì)其施加預(yù)緊力。擰緊扭矩 Mt 與預(yù)緊力 F0 有如下關(guān)系：
式中，
Mt — 擰緊扭矩Nm；
F0— 預(yù)緊力N；
d — 螺紋公稱(chēng)直徑mm；
K — 擰緊扭矩系數(shù)（受螺紋中徑、螺紋升角、螺紋當(dāng)量摩擦系數(shù)以及螺母與被聯(lián)接件支承面間的摩擦系數(shù)等多個(gè)因素影響），可查下表獲取。
控制擰緊扭矩常使用的工具主要包括測(cè)力矩扳手或定力矩扳手。