减少工业设备设计中螺栓的使用

一、引言

螺栓作为机械连接的核心元件，在工业设备中承担着传递载荷、固定结构的重要作用。然而，过量使用螺栓会导致以下问题：

1. 成本与效率问题

螺栓的过量使用显著增加了设备全生命周期成本。采购、仓储、装配等环节的人力物力消耗随着螺栓数量呈线性增长。例如，某石油炼化企业统计数据显示，每年因螺栓冗余采购导致的成本浪费超过百万元，且装配工时延长 20%以上。此外，大量螺栓需定期维护与更换，进一步增加了运维成本。

2. 可靠性隐患

螺栓连接存在固有缺陷：螺栓孔处易产生应力集中，长期服役下可能导致疲劳裂纹；螺纹松动风险高，在振动环境中易引发连接失效。例如，某核电站冷却系统因螺栓松动导致管道泄漏，造成重大安全事故。此外，螺栓连接形成的多零件装配结构，其整体刚性往往低于一体化结构，影响设备精度与稳定性。

3. 结构美观性

密集的螺栓布局破坏了设备外观的整体性，不利于后期维护与检修。例如，某自动化生产线设备因螺栓数量过多，导致维护时需频繁拆卸，降低了设备可维护性。此外，螺栓连接可能导致装配误差累积，影响设备整体性能。

因此，减少螺栓使用成为现代工业设计的重要课题，需在确保性能的前提下，通过系统化设计方法实现结构优化。

二、设计原则与目标

2.1 核心目标

1. 一体化设计

减少设备中螺栓使用的数量，设备整体结构更加整洁，一体性更好

2. 降本增效

减少零件数量与装配工时，降低采购、仓储及维护成本

3. 可靠性提升

消除应力集中点（螺栓孔周围应力可高达材料屈服强度的 3 倍），降低螺栓松动带来的失效风险

2.2 关键原则

1. 必要性分析

通过载荷路径分析、受力仿真等手段，识别关键载荷路径，仅保留必要连接螺栓

2. 功能集成

将多个功能部件整合为复合结构，如将支撑、连接、密封等功能集成于一体统一螺栓规格（基于 ISO 4014），减少标准件种类，提高装配效率

4. 工艺兼容性

设计方案需与现有制造工艺（如铸造、焊接、3D 打印）兼容，确保可行性与经济性5. 动态设计原则

针对振动、高温等特殊工况，采用柔性连接或智能监测技术替代传统螺栓

三、螺栓数量优化策略

3.1 结构优化技术

1. 拓扑优化

结合载荷识别与路径追踪，对螺栓连接结构和载荷类型进行分析。必要时构建螺栓连接结构的有限元模型，模拟实际工况下的载荷分布。通过仿真分析确定各螺栓的应力/应变分布，识别高载荷区域的螺栓。

一般应按照以下规则筛选关键螺栓：

（1.1）轴向载荷（平行于螺栓轴线）

若载荷通过结合面形心，各螺栓受力均等，在保证承受载荷足够时，可保留部分均匀分布的螺栓。

（1.2）横向载荷或翻转力矩

距离结合面对称轴或形心最远的螺栓承受最大载荷，需优先保留。

（1.3）旋转力矩作用

铰制孔螺栓中，距形心最远的螺栓受力最大，普通螺栓则需均布预紧力。

（1.4）结合面挤压与摩擦

考虑摩擦因数（μ）和预紧力（Ff），普通螺栓的受力需满足 ，保留摩擦系数或预紧力关键位置的螺栓。

2. 增材制造

3D 打印可实现复杂结构的一体化成型，突破传统制造工艺限制。例如，某航空发动机支架原需 20 个零件和 50 颗螺栓装配，采用钛合金 3D 打印后整合为单件，螺栓数量降为 0，且重量减轻 40%_① 。在轻工行业，3D 打印同样有诸多应用案例，如：

防护罩：通过一体化打印替代传统板件拼接（减少螺栓≥80%）

3. 复合材料应用

通过建立含螺栓连接结构的非线性静力学模型，以结构质量最小化为目标，在满足强度、刚度约束条件下，优化结构布局，减少冗余材料。例如，在某起重机吊臂设计中，通过拓扑优化将螺栓数量减少 30% ，同时提升抗弯性能。

3.2 连接技术替代方案

1. 采用金属密封焊接替代多螺栓法兰

主机机架横梁：将方管与立柱直接焊接，替代法兰螺栓连接（如图 5），减少螺栓≥50%；压力容器：采用密封焊接替代法兰螺栓，消除泄漏风险。

2. 采用卡扣+结构性胶粘剂替代箱体盖板螺栓

电柜门玻璃板：用高强度胶粘剂+卡扣固定，替代螺栓连接，提升密封性；

仪表箱盖板：采用快拆卡扣设计，兼顾拆卸便捷性与连接强度。

3. 采用榫卯+过盈配合替代支架固定螺栓

例如 Delta 机械臂转动关节：

原设计：铝臂+钢法兰套（螺栓固定铜套）；

优化设计：将钢件过盈压入铝臂，减少螺栓≥90%，同时降低磨损（如图 6）。

通过标准化设计减少螺栓种类，降低采购与库存成本。例如，某制造企业将螺栓规格从 30 种精简至 10 种，管理效率提升 40%₉

3.3 螺栓规格精简

选用 12.9 级及以上高强度螺栓，在同等载荷下减少螺栓数量。例如，某风电塔筒采用 10.9 级螺栓替代 8.8级，螺栓数量减少 25%₅ 。

2. 螺栓规格统一化

3. 特殊涂层螺栓开发

采用防松涂层（如尼龙涂层）、自锁螺纹等技术，减少防松垫圈等辅助零件。例如，某振动筛设备使用自锁螺栓后，松动率降低 80‰ 。

四、验证与风险控制

1. 预紧力计算

基于 VDI 2230 标准校核剩余螺栓的预紧力公式

2. 振动松脱分析

评估 Junker 试验工况下的防松性能

按 IEC 60068-2-64 标准执行

条件：10\~2000Hz 随机振动，3 轴各 1 小时

合格标准：无结构松动，功能零失效

1. 静态测试

4.2 实验验证

逐级加载至 1.5 倍设计载荷（ASTM E8 标准）

2. 疲劳测试

4.3 风险控制措施

按 SN 曲线（如 Goodman 图）验证 次循环寿命3. 可靠性测试开展加速寿命试验、盐雾腐蚀试验等，评估极端环境下的性能表现。

1.FMEA 分析

识别螺栓替代方案的潜在风险（如焊接变形、粘接失效），制定应对措施（如工艺优化、冗余设计）。2.冗余设计

对关键连接部位保留备用连接结构，提高容错能力。

3.状态监测

采用智能螺栓（含应力传感器）或在线监测系统，实时预警螺栓松动、断裂风险。

五、工程案例

5.1 风电设备塔筒优化

湘电风能研发的模块化多边形超高混塔，通过以下创新减少螺栓使用：采用多边形塔筒结构，利用模具模块化设计，使单套模具可生产多种规格塔筒，连接螺栓数量减少 40% ；应用埋件标准化技术，将法兰连接改为焊接+卡扣混合结构，降低装配难度与成本；结合拓扑优化，优化塔筒壁厚分布，在减轻重量的同时提升抗风性能。

该技术使塔筒制造周期缩短 30% ，成本降低 20‰

5.2 机床立柱设计

某数控机床公司对其立柱结构进行如下改进：

将原 7 块拼焊板+螺栓连接改为整体铸造结构，螺栓数量从 48 颗减少至 12 颗；

通过有限元分析优化筋板布局，提升抗弯刚度 20% ；

采用热装配工艺，利用过盈配合替代部分螺栓连接，实现零间隙装配。

改进后机床加工精度提升 15% ，装配效率提高 50%_⨀ 。

六、结论与展望

在碳中和背景下，减少螺栓使用对工业设备轻量化意义重大。例如：新能源汽车中，电池包螺栓数量减少可显著提升续航里程；航空航天领域，一体化结构设计可减轻结构重量，降低发射成本；船舶制造中，焊接替代螺栓连接可减少腐蚀风险，延长服役寿命。随着智能制造与新材料技术发展，螺栓替代方案将迎来更广阔应用前

减少工业设备设计中螺栓使用是提升产品竞争力的关键路径。通过技术创新与多学科融合，未来有望实现“无螺栓化”设计，推动工业装备向高效、可靠、绿色方向持续发展。

参考文献

1. ISO 4014: Hexagon head bolts 2. VDI 2230: Systematic calculation of high-duty bolted joints 3. IEC 60068-2-64: Environmental testing - Vibration test methods 4. ASTM E8: Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials 5. Smith J, et al. Topology optimization of bolted joints under complex loading conditions[J]. Journal of Mechanical Design, 2020.

6. 陈建民. 机械连接设计手册[M]. 机械工业出版社, 2018.

7. 王伟, 等. 基于拓扑优化的螺栓布局轻量化设计研究[J]. 机械科学与技术, 202

4.1 仿真分析

吸盘夹具：用拓扑优化设计减少螺栓，同时提升强度与轻量化