谢伟伟

（上海大隆机器厂有限公司，上海200431）

测伸长量法在控制连杆螺栓预紧力中的应用

谢伟伟

（上海大隆机器厂有限公司，上海200431）

以循环氢压缩机2D10-8/20-30为例，介绍了测伸长量法在控制连杆螺栓预紧力方面的应用。

连杆螺栓；预紧力；测伸长量法

1 引言

连杆部分由连杆本体、大小头轴瓦、连杆螺栓等组成。连杆本体与大头轴瓦是沿曲拐轴线剖分为两部分的，连杆螺栓将这两部分合为一体，它承受着往复运动的全部拉应力，就强度而论是压缩机中的最薄弱零部件，它的破坏常导致压缩机的重大事故。因此在压缩机实际运行中，对其预紧力的控制显得尤为重要，预紧力过大可能使材料达到其屈服极限，产生永久变形；预紧力不足则大头盖在运行时可能松开，并使螺栓中产生很大的应力幅。以上两者都可能导致连杆螺栓断裂，造成不可弥补的损失，因此必须正确确定预紧力，并在装配时严加控制。

国内的某些压缩机厂家，对于这种高强度的连杆螺栓，一般采用力矩法、螺母转角法等来控制其预紧力：即使用拧紧工具如定力扳手、电动拧紧机等，将螺栓上紧到某一设定力矩即可。而对于要求严格的压缩机组中，测连杆螺栓伸长量来控制其预紧力的方法就以其影响因素少、控制精确备受青睐。本文将以本公司的循环氢压缩机2D10-8/20-30为例，为您具体阐述这种方法的算法及具体应用。

2 计算案例介绍

循环氢压缩机2D10-8/20-30主要技术参数(两列一级)：

排气量：8 m3/min(进气状态)

进气压力：I级2 MPa(G)

排气压力：I级3 MPa(G)

缸径：I级175 mm

活塞行程：280 mm

电机转速：369 r/min

电机功率：185 kW

连杆组件: 图1所示为循环氢压缩机2D10-8/20-30连杆部件图，由连杆体、大头盖、连杆螺栓、大、小头轴瓦组成；其中大头盖与连杆体材质均为优质碳素钢，通过连杆螺栓连接成一体。

连杆螺栓：图2所示为连杆螺栓零件图，按弹性螺栓的原则设计，材质为35CrMoA优质合金钢。

连杆大头瓦：图3所示连杆大头瓦材质为钢基巴氏合金，结构为薄壁轴瓦。

图1 连杆部件图

图2 连杆螺栓零件图

图3 连杆大头瓦零件图

图4 连杆大头瓦在量具内的受力

3 测伸长量的应用

3.1 连杆螺栓的受力分析

（1）在压缩机运行过程中，连杆大头上承受的载荷为F，而由图1可知连杆螺栓数量为两根，因此单根螺栓的载荷Fa=F/2；

（2）在初始装配时，连杆螺栓上施加的预紧力为Fy；

（3）为了保证压缩机运行过程中大头盖的紧密性，设连杆螺栓拉伸后的残余应力为Fc。

在连杆的装配过程中，受到连杆螺栓受拉伸长的影响，连杆大头的变形量减小，导致传递到连杆螺栓上的负荷Fa有所下降，其降低的程度与受拉件的刚度有关；因此，可以得出连杆螺栓实际所受的总拉力Q=Fy+kFa。

式中 k——螺栓连接的相对刚度

由于连杆螺栓与连杆体之间没有垫片，为刚性连接，通过查机械设计手册得k=0.25。

预紧力 Fy=Fc+(1-k)Fa

根据压缩机设计经验，此处取

由图3可知大头瓦为剖分结构，在大头内侧还存在薄壁轴瓦的压紧力G，因此单根螺栓的预紧力方程式最终为3.2 大头轴瓦压紧力G的计算

（1）连杆大头内径为d，连杆大头轴瓦的厚度为t、宽度为W；

（2）连杆大头轴瓦剖分截面上受到的压紧力为G1。

在连杆装配完成后，受压紧力作用，轴瓦与大头内侧是完全贴合，此时轴瓦的外圆周长应完全等于连杆大头内圆周长，因此轴瓦受压后产生的变化量h(即轴瓦的余面总高度)为

h=h1-h2

式中 h1——轴瓦的外圆实际周长，mm

h2——连杆大头内圆周长，mm在此处，先将连杆大头轴瓦简化为一压杆模型，压杆的截面积为W·t、长度为πd、两侧受压力为G1。根据胡克定律，压杆的压缩量为h=G1πd/ (E·W·t)

变换上述方程式得G1=h·E·W·t/πd

式中 E——瓦背材料弹性模量，取E=2.1×107N/cm2

根据图（4），在实验力24 kN的作用下，轴瓦一端高出模具平面为0.15 mm，即轴瓦的余面总高度h为0.3 mm，最终得到连杆大头轴瓦压紧力G为

图5 压缩机作用力图

3.3 连杆拉伸力F的计算

如图5所示，曲拐处于转角A时，假定气体力与往复惯性力合成为综合活塞力Fp，它先作用在十字头销上（D点），再通过连杆传递到曲柄上，由于连杆是在一定范围内摆动的，它与十字头中心线之间的夹角为B，则传递到连杆的作用力F为：

式中 Fp——综合活塞力，N

根据压缩机的动力计算报告，在满负荷工况条件下，当曲拐转角为150°时，综合活塞力达到最大值，即44384 N，此时根据式（2）可得

连杆螺栓伸长量的计算

（1）连杆螺栓定位档处的直径为dl，其总长度为Ll，其伸长量为σ1；

（2）连杆螺栓定位档处的直径为d2，其总长度为L2，其伸长量为σ2。

根据胡克定律，连杆螺栓的伸长量σ可由下式计算

式中 E——连杆螺栓的弹性模量，取

根据式（1）

因此 σ=0.126mm

考虑到事故状态，即当压缩机满负荷紧急停车时；如果停车时活塞的位置正好位于内止点处，则此时活塞力近似为活塞两测气体力之差

式中 Pout——气体进口压力，MPa

Pin——气体进口压力，MPa

D——气缸缸径，m

由于Ft＜F，故即使在事故状态下，先前所得的伸长量仍能满足要求。

最终循环氢压缩机2D10-8/20-30的连杆螺栓伸长量取0.126 mm。

4 结论

常规的力矩法、螺母转角法等来控制预紧力，往往受到其上紧工具精度、螺纹的润滑系数及预紧系数的选取等多种因素的影响，而不能真实反映连杆螺栓实际所需的预紧力。

通过对测伸长量法计算过程的分析，我们可以得出但其影响因素较少，仅跟螺栓的材质及其制造工艺有关，即螺栓本身的性能。此外，测伸长量法的计算过程结合了每台压缩机不同的工艺条件，能够真实、客观地反映每台压缩机实际所需的扭矩，使预紧力的控制更加精确。

综上所述，对于连杆螺栓这种特别需要精确控制的场合，测伸长量法能更科学地反应螺栓装配质量。

[1]郁永章，等.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2000：398-399.

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Application of Method for Calculating Elongate Measure in Controlling Connecting-rod Bolt′s Pretightening Force

XIE Wei-wei
（Shanghai DaLong Machine Co.,Ltd.Shanghai 200431,China）

Aiming at the 2D10-8/20-30 recycle hydrogen compressor as the example，this paper introduced the application of method for calculating elongate measure in controlling connecting-rod bolt′s pretightening force.

connecting-rod bolt；pretightening force；method for calculating elongate measure

TH457

B

1006-2971（2014）01-0043-03

谢伟伟（1981-），男，上海，本科，工程师，上海大隆机器厂有限公司活塞压缩机设计员。E-mail:rocky_ww@163.com

2013-08-12