从螺栓看机械设计

MissWu雪儿 · 发表于 2018-10-26 11:37:27

今天我们来聊聊它，对了，就是螺栓。

你以为这个时候我要说：“你们还是另请高明吧，我一个搞航空发动机的，怎么来说螺栓了？”

但是实际上我却反要问你：航空发动机里的螺栓跟上图的螺栓有什么本质区别吗？

知道你不一定答得上来，我明确告诉你，除了精密螺栓之外，航空发动机中的螺栓与上图的螺栓没有什么本质区别。从功用上说，螺栓就是把两个带孔的零件压紧在一起的一种装配用零件。

我首先要强调的是：螺栓的结构简单，带螺栓的连接结构也同样简单，无非就是螺栓孔，螺栓，螺母这些东西。

这么说吧，即便是最高级的航空发动机上，理论上给你一把测力扳手——甚至于你可以随便去五金商店买一把，告诉你怎么拧，你也可以完成螺栓的装配，并且日后航发上天的时候，一点问题都不会有，整个装配的过程不需要多么复杂的仪器和丰富的经验。

螺栓自锁垫圈

确实，以上的说法没有错，而知道这样的措施的人也在无意中明白了机械设计的第一层境界：功能设计，也就是用各种方法保证机械结构可以实现一个功能，并且在结构运行的过程中保证其完整性，不会掉个零件什么的。（上述说法不太严密，就当我随便说说的啦）

好了，这下似乎是行了，加上自锁垫圈，弹簧垫片（发动机里还经常用止动垫圈），围观的小王同学表示他干脆就把螺栓跟螺母之间焊死了，这下螺栓应该没有问题了吧。

那我就又要发问了：“你是否断过鞋带？”

虽然你表示这什么破问题，断鞋带和螺栓有什么关系？但是你仔细一想，好像你确实断过鞋带——就算自己没断过，可能看到别人断过。

我们导师没事儿提到过，人类最伟大的发明之一可能是鞋带。因为这是一种有效的连接结构。我一想，这说得有道理，鞋带确实是实现了很多你原先用单一的一个物体做不到的事情，比如说买20辆夏利用鞋带绑好了，开起来跟火车一样（郭德纲语）。

而“断鞋带”的意思就是，螺栓作为连接结构一部分，是要受力的，所以如果受力过大，螺栓是有可能断的——而且就算不断，螺栓拧的太紧，螺纹也是会变形的。

所以螺栓能不能用，用多大的螺栓——是用如下图这么大的螺栓，还是用小一点的尺寸，这些跟螺栓的直径、材料、工作环境有关，是要通过计算分析才能决定的。

而如果你知道螺栓的强度校核，那你已经知道了机械设计的第二层境界：力学设计。这层境界，你要考虑结构受力的大小，对结构进行受力分析，再根据结构的材料，确定结构会不会断裂。这又叫静强度设计，一般采取的原则是裕度设计，就是计算出来螺栓预计要承受1吨的拉力，那你找个承受300吨拉力都不会断的螺栓肯定是没问题的——当然，就是有点儿二而已，一般来说工程上会取一个系数，比如说1.5，也就是用一枚可以承受1.5吨的力的螺栓就能够保证这颗螺栓不会断，而如果希望结构更加可靠一些，系数取2，2.5，等等。

好了，这么看来螺栓结构也不过如此，毕竟一个大学一二年级的工科学生就会学到类似的强度校核方法和设计方法。

但是实际上，事情才刚刚开始……

首先，两个板子通过一个或者几个螺栓经过校核后连在一起，螺栓不会掉，也不会断，也不会发生不可恢复的塑性变形，你去用力的、不断的、连续的、粗鲁的将看起来连在一起的板子动来动去，扭来扭去，一段时间之后，请问你看到了什么？

正确答案：“一个精神有问题的虐板狂人。”

补充答案：“板子居然松了！”

我们不去管精神病的问题，就说板子松了事情，这个时候就有点儿费解了，螺母动了吗？确实不会动，不相信你可以焊死；螺栓断了吗？塑性变形了吗？也没有，毕竟螺栓受到的拉力经过校核，不可能让螺栓断裂或者塑性变形。那是怎么回事？

这个时候我们把螺栓拧开，把板子放到灯光下一看（请配音：嚯~~~~~~~~！）：

接触表面的磨损

发生这样的情况，并不是因为虐板狂人有多么大的威力，而是因为螺栓连接看似稳定，但是实际上接触面之间还是会有些区域在外力作用下发生微小的相对位移，而金属之间磨来磨去的，铁杵都能磨成针，何况小小钢板乎？板子磨得越来越薄，当然就松了。

这种现象，在工程里叫做微动磨损，微动是说的连接界面动来动去的幅度非常小，你肉眼几乎不会观察到，磨损就是说的材料的磨损。一般来说正常的螺栓，比如说一个柜子的螺栓，没事儿没有人去总是动来动去，所以即便螺栓接触面会有磨损，但是磨损的速度很慢，有限的寿命内你看不到松动。

但是如果磨损的速度非常快呢？就不说航空发动机里、转子转起来速度得有一两万转每分钟，就说汽车上的螺栓吧，路上零零散散的小石子让汽车颠来颠去，这样的振动频率也不低，你就想螺栓连接的板子你用一分钟好几千下的速度扭来扭去，这板子吃得消吗？

于是你灵机一动：“如果拼命地拧螺栓，让接触面近乎是黏在一起，那不就不会磨损了吗？”

恭喜你，答对了。接触界面由于你的压紧力非常大，其接触会进入粘滞状态，这种状态下可以认为接触界面即便是微小的相对位移也没有。

所以问题解决了吗？

好的，两个板子通过一个或者几个螺栓经过校核后用力拧紧在一起，螺栓不会掉，也不会断，也不会发生不可恢复的塑性变形，接触面哪怕是一丁点儿微小的相对滑移都没有，你去用力的、不断的、连续的、粗鲁的将看起来连在一起的板子动来动去，扭来扭去，一段时间之后，请问你看到了什么？

你说：“精神有问题的虐板狂人？”

嗯，差不多，但是更关键的是，你看到了（请配音：嚯~~~~~~~！）：

疲劳裂纹

对的，你把螺栓拧的那么死，那么用力，那么不温柔，时间长了，螺栓接触面当然得出裂纹了。

有人就问了，裂纹是什么东西？

其实裂纹就是裂纹，专业术语又叫疲劳裂纹，跟疲劳有关的裂纹。

说起来疲劳是个很有意思的事情。首先疲劳是什么意思？人的疲劳是指人还醒着，没有睡着，但是已经想睡了，这么磨蹭着磨蹭着，人迟早得睡着，但是什么时候睡着？说不准，反正得睡着。

机械的疲劳就是零件没断，但是时间长了得断，什么时候断？不知道。有个分布的概率，只能说一段时间以后零件坏的概率有多大。就好像一根铁丝你弯了一下，没断，两下，没断，上述现象说明铁丝中的应力还不足以使铁丝断裂，所以这根铁丝就安全了？并没有，多弯几次就断了。但是弯几次？这个有个统计数据，也许20次，也许30次，也许40次，但是大部分情况下是30次。

所以我们终于引出来机械设计的第三层境界：可靠性设计。

可靠性设计这个事儿，各个行业有各个行业的定义，但是在我看来，与功能设计、力学设计不同的地方就在于，这个时候考虑零件的坏是跟整体有关的，比如说，接触面之间磨一磨就松了，但是多长时间会松？这个跟你摩擦的滑移距离和压紧力，还有摩擦的频率有关，这就要考虑这个螺栓在机械结构中具体的环境了。如果是在发动机的转子上，好的，大概知道是个什么环境了，摩擦的频率是转速；如果是在机匣上，又是另外一个工作环境，另外的摩擦频率。

那么可靠性设计的依据是哪儿来的呢？这个就要靠大量的试验了。同一个螺栓拧紧力，换个滑移距离试试，对寿命有多少影响？换换拧紧力呢？换换材料呢？所以可靠性设计是个费钱费力费时间的事情，是要靠积累的。而一般说工程经验，经验在哪儿？大概就在这里。

好了，螺栓的故事就这么结束了？远没有。

所以我再问一个问题：“螺栓把两个零件压在一起，那零件压在一起了吗？”

你说这不是废话么，都压在一起了，难道还能不压在一起？

这个倒不是废话，因为接触界面是一整个面，整个面上，只是有一部分被压在了一起，剩下的部分却没有。

接触面接触状态

可以看到螺栓压紧的接触面，实际接触的区域只有虚线中的那一小部分，一个小圈儿而已。剩下的部分，属于“好像压紧了，但却没有压紧，虽然没有压紧，但却并没有分开，即便没有分开，但也不能说连在一起”的状态，十分的复杂。

一般来说，如下图所示的航空发动机法兰螺栓连接结构，一圈无数个螺栓孔。之所以要打这么多螺栓，一般不是因为强度问题，而是因为气密性的问题。因为毕竟螺栓影响到的范围就是那么一点儿，必须要打螺栓孔打的比较密集，才能够有良好的气密性。

航空发动机中的法兰螺栓连接结构

好了好了，现在螺栓的问题总算是解决了吧？

还远远没有，这才刚刚开始。

我再问一个问题：“螺栓把两个零件拧在一起了，所以两个零件就拧在一起了吗？”

你说：“我特么不会再回答了，你爱咋咋地吧。”

螺栓把两个零件连在一起，跟两个零件完全焊接在一起是不一样的，因为螺栓不是把接触面整个连在一起的，而只是一小部分区域，所以相对而言，用螺栓连接在一起的两个零件容易产生变形一些，也就是说连接结构对组件的刚性是有影响的。为了评估连接结构对组件刚性的影响，得计算，得仿真，得试验。

再接着，螺栓压在一起的接触面会摩擦，那么对组件的阻尼特性也是有影响的，为了评估这个影响，得计算，得仿真，得试验。

再接着，螺栓压在一起的接触面会磨损，那么对组件的刚性和阻尼特性影响不是恒定的，那怎么办呢？得计算，得仿真，得试验。

再接着，很多螺栓的情况下，各个螺栓好像不是拧的一样紧的，那么这会对组件有什么影响？得计算，得仿真，得试验。

再接着，螺栓拧紧的顺序好像也会对组件的力学性质有影响，这怎么办？得计算，得仿真，得试验。

……

所以，螺栓背后到底有多少可以说的呢？这么说吧，我有一本国外关于螺栓连接结构的研究专著，不过才500多页而已。这还只是机理研究，还没有说螺栓连接结构对汽车的影响，对飞机的影响，对轮船的影响，对发动机的影响，对力学特性的影响，对动力特性的影响，对疲劳寿命的影响。而这里面任何一个问题中的任何一个小问题的任何一个子问题的研究，就够写一本书的。

也就是说，为了拧好一颗螺栓，人们在各行各业、从各个角度各个方面，计算、仿真、试验，把大把大把的心血、时间、金钱投入到了小小的螺栓之中，就是希望螺栓拧的好、拧的稳、拧的简单、拧的潇洒、拧的步步生风，拧的一日千里。

大概就是这样。

想起来在多年前，有一种说法很流行——可能到现在也是经久不衰，那就是中国的工业输在工艺上，连街头炸油条的大叔都能眉飞色舞地说哪怕是生产线完全从国外移到中国，中国人装配完了也跟外国原装进口不一样。然后又会仿佛大彻大悟地说，外国工业革命都几百年了，肯定比我们经验丰富一些，我们得慢慢积累。

所以请问，“中国人怎么装配的？”

我自问自答吧，“拧螺栓装配的。”

所以再请问，“那外国工业革命到现在几百年了，都积累了些什么？”

我实在也不是谦虚，就最后自问自答一下：

“特娘的拧螺栓呀！”

-End-

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