传扭法兰螺栓联接设计与选型

摘 要：通过细分传递扭矩的法兰应用场合、载荷情况，提出不同传扭法兰螺栓联接的选型以及螺栓连接设计、校核重点，便于设计人员认知、掌握，积累实践经验、合理沿用。避免过度设计、安全系数选择不当带来的成本问题或考虑不全面、法兰联接设计失误等导致早期失效到来的设备故障、经济损失。

关键词：传递扭矩；法兰连接；螺栓

中图分类号：TH131.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）16-0079-02

1 传递扭矩法兰的应用场合

法兰（Flange）又叫法兰凸缘盘或突缘，是两个物件之间相互连接的零件。可用于管路管端之间的连接；也可用在设备进、出口上，用于两个设备之间传递动力，如减速机法兰，电机输出法兰，主轴输出法兰等。法兰连接是由法兰、螺栓组两者相互连接作为一组合结构的可拆连接，法兰一般是成对使用。

本文讨论的是在设备输出、输入端，用来传递扭矩的刚性法兰连接。此类连接的示意图如图1。

刚性传递扭矩法兰按照应用场合可分为以下两种：（1）仅传递设备输出、输入扭矩，不承担额外载荷——单传扭工况；（2）即扭矩传递，又承担设备额外载荷——复杂工况。

2 用于法兰的螺栓联接分类

用于法兰的螺栓联接可分为以下几类：（1）普通螺栓连接，螺栓提供轴向预紧力实现法兰联接，详见图2；（2）铰制孔螺栓/销连接，螺栓/销承受径向剪切力，详见图3；（3）膨胀螺栓或膨胀销连接，即可承受轴向力也可承受径向剪切力，详见图4。

3 法兰螺栓联接选型及校核内容

3.1 仅传递扭矩法兰的螺栓联接选型

对单传扭工况，刚性法兰连接可选用较为简单的普通螺栓连接或铰制孔螺栓连接，对于不同的形式采取不同的校核内容。

（1）普通螺栓联接。普通螺栓联接法兰传扭，主要依靠两法兰面间正压力产生的摩擦力来传递扭矩。因此需要校核普通螺栓联接提供的正压力、材料间摩擦系数是否和所需传递的扭矩相匹配并有一定的安装系数。具体设计校核思路如下：1）利用传递扭矩、法兰连接节圆（可预估），材料间摩擦系数反算预估所需的总正压力；2）参照节圆初步估算螺栓排布，预估螺栓规格，选定螺栓性能等级，选取合适的螺栓预紧力；3）比对所需正压力同螺栓预紧力的关系细化拟定螺栓数量及排布；4）通过螺栓排布、性能等级，正向校核法兰螺栓连接。螺栓安全系数、法兰面应力、扭矩传递安全系数等；

（2）铰制孔螺栓或销连接。铰制孔螺栓或销连接法兰传扭，主要依靠径向截面剪切力来传递扭矩。因此需要去校核螺栓或销剪力是否和所需传递的扭矩相匹配并留有一定的安全系数。具体设计校核思路如下：1）利用传递扭矩、法兰连接节圆直径（预估），反算作用在螺栓上的总剪力；2）估算螺栓规格、排布，根据螺栓规格、性能等级，计算每颗螺栓可承担的剪力；3）比对传扭所需总剪力同每颗螺栓承担的剪力的关系，细化拟定螺栓数量及排布；4）通过螺栓排布、规格、性能等级，正向校核法兰螺栓连接，螺栓安全系数、法兰剪应力、扭矩传递安全系数等。

3.2 复杂工况下刚性法兰螺栓联接选型

复杂工况下，刚性法兰螺栓联接既要传递扭矩也要承担额外的负载，负载会使法兰承受额外的弯矩以及弯矩带来的循环应力。对于此种工况建议选用普通螺栓联接、膨胀螺栓/销联接作为法兰连接的首选。

（1）普通螺栓联接。对于普通螺栓连接按照前叙述的方法进行螺栓排布的试算以及法兰连接强度的校核，并留有一定的安全裕度。然后在此基础上再进行法兰连接弯矩、疲劳方面校核。具体校核思路如下：1）利用附加弯矩验算螺栓预紧力变化、法兰连接端面正压力变化量；2）根据变化量核算此时法兰连接传扭能否满足要求以及安全系数；3）根据法兰旋转一周螺栓应力幅变化核算螺栓疲劳在规定的使用年限上是否满足要求。

（2）膨脹螺栓/销是一种新型的联接形式，它介于普通螺栓连接和铰制孔连接两者之间，既可以做到像普通螺栓连接一样提供的法兰面间摩擦力，也可以做到向铰制孔螺栓提供抗剪切。相对于单一的法兰普通螺栓连接来说，使用它可以提高传递扭矩的安全系数，相对于单一的法兰铰制孔螺栓来说，使用它可以在传扭的基础上承担额外弯矩载荷，同时能够降低铰制孔加工的精度要求。因此膨胀螺栓使用逐渐增多，功能性好。但目前面临的主要问题是膨胀螺栓费用较高，因此在一般的使用场景下，推荐使用常规的普通螺栓连接。在传递扭矩大、空间有限、布局困难，传统螺栓联接方式试算通不过，安全系数较低的的情况下，采用膨胀螺栓可弥补缺陷，实现连接的高可靠性和紧凑型设计。

膨胀螺栓根据使用场合采用不同的校核方式，单一传扭工况下可按照铰制孔螺栓的校核方法，校核剪切应力、安全系数以及接触面的压应力、安全系数。复杂工况下除校核传扭外，还需校验膨胀螺栓提供的轴向拉力是否和外界附加弯矩匹配，以及抗拉安全系数以及拉应力应力幅变化和疲劳寿命。以上提到的校核是膨胀螺栓对于使用工况的校核，同时还需要考虑膨胀螺栓在膨胀过程中产生的应力，这个应力对于连接本体应不造成破坏，这也是校核的一个重点。

4 结语

以上描述了传递扭矩法兰不同使用场合螺栓联接的推荐选型。设计的基本原则是适用、安全同时兼顾成本。因此在每一种类型设计计算过程中要针对不同工况详细计算，确保安全。如出现安全系数偏低，可通过调整各方面相关因素去完善，比如依靠摩擦传扭的，可以调整正压力、螺栓节圆、摩擦系数等方式去优化。对于采用抗剪螺栓传扭的，可调整螺栓的数量，螺栓分布节圆等。优化方式很多，总之需要安全第一、同时兼顾成本考虑，做到最优设计。膨胀螺栓/销这一技术在使用之初，因专利限制、产品普及面窄、加工精度高，单件生产，专项设计等因素成本较高，因此需要结合应用场合、成本控制合理选择使用。