螺栓组受力分析与计算.docx
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螺栓组受力分析与计算.docx
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螺栓组受力分析与计算
螺栓组受力剖析与盘算
一.螺栓组联接的设计
设计步调:
1. 螺栓组构造设计
2. 螺栓受力剖析
3. 肯定螺栓直径
4. 校核螺栓组联接接合面的工作才能
5. 校核螺栓所需的预紧力是否合适
肯定螺栓的公称直径后,螺栓的类型,长度,精度以及响应的螺母,垫圈等构造尺寸,可依据底板的厚度,螺栓在立柱上的固定办法及防松装配等周全斟酌后定出.
1.螺栓组联接的构造设计
螺栓组联接构造设计的重要目标,在于合理地肯定联接接合面的几何外形和螺栓的安插情势,力图各螺栓和联接接合面间受力平均,便于加工和装配.为此,设计时应分解斟酌以下几方面的问题:
1)联接接合面的几何外形平日都设计成轴对称的简略几何外形,如圆形,环形,矩形,框形,三角形等.如许不单便于加工制作,并且便于对称安插螺栓,使螺栓组的对称中间和联接接合面的形心重合,从而包管接合面受力比较平均.
2)螺栓的安插应使各螺栓的受力合理.对于铰制孔用螺栓联接,不要在平行于工作载荷的偏向上成排地安插八个以上的螺栓,以免载荷散布过于不均.当螺栓联接推却弯矩或转矩时,应使螺栓的地位恰当接近联接接合面的边沿,以减小螺栓的受力(下图).假如同时推却轴向载荷和较大的横向载荷时,应采取销,套筒,键等抗剪零件来推却横向载荷,以减小螺栓的预紧力及其构造尺寸.
接合面受弯矩或转矩时螺栓的安插
3)螺栓分列应有合理的间距,边距.安插螺栓时,各螺栓轴线间以及螺栓轴线和机体壁间的最小距离,应依据扳手所需运动空间的大小来决议.扳手空间的尺寸(下图)可查阅有关尺度.对于压力容器等慎密性请求较高的重要联接,螺栓的间距t0不得大于下表所推举的数值.
扳手空间尺寸
螺栓间距t0
注:
表中d为螺纹公称直径.
4)散布在统一圆周上的螺栓数量,应取成4,6,8等偶数,以便在圆周上钻孔时的分度和画线.统一螺栓组中螺栓的材料,直径和长度均应雷同.
5)防止螺栓推却附加的曲折载荷.除了要在构造上设法包管载荷不偏幸外,还应在工艺上包管被联接件,螺母和螺栓头部的支承面平整,并与螺栓轴线相垂直.对于在铸,锻件等的光滑概况上应装配螺栓时,应制成凸台或沉头座(下图1).当支承面为竖直概况时,应采取斜面垫圈(下图2)等.
图1凸台与沉头座的运用 图2斜面垫圈的运用
2.螺栓组联接的受力剖析
1).受横向载荷的螺栓组联接2).受转矩的螺栓组联接3).受轴向载荷的螺栓组联接4).受倾覆力矩的螺栓组联接
进行螺栓组联接收力剖析的目标是,依据联接的构造和受载情形,求出受力最大的螺栓及其所受的力,以便进行螺栓联接的强度盘算.
为了简化盘算,在剖析螺栓组联接的受力时,假设所有螺栓的材料,直径,长度和预紧力均雷同;螺栓组的对称中间与联接接合面的形心重合;受载后联接接合面仍保持为平面.下面针对几种典范的受载情形,分离加以评论辩论.
1).受横向载荷的螺栓组联接
图所示为一由四个螺栓构成的受横向载荷的螺栓组联接.横向载荷的感化线与螺栓轴线垂直,并经由过程螺栓组的对称中间.当采取螺栓杆与孔壁间留有间隙的通俗螺栓联接时(图a).靠联接预紧后在接合面间产生的摩擦力来抵抗横向载荷;当采取铰制孔用螺栓联接时(图b),靠螺栓杆受剪切和挤压来抵抗横向载荷.固然两者的传力方法不合,但盘算时可近似地以为,在横向总载荷F∑的感化下,各螺栓所承担的工作载荷是均等的.是以,对于铰制孔用螺栓联接,每个螺栓所受的横向工作剪力为
(5-23)
式中z为螺栓联接数量.
对于通俗螺栓联接,应包管联接预紧后,接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷.
假设各螺栓所须要的预紧力均为Qp,螺栓数量为z,则其均衡前提为
或
(5-24)
图:
受横向载荷的螺栓组联接
式中:
f——接合面间的摩擦系数,见下表;
i——接合面数(图中,i=2);
Ks——防滑系数,K.
由式(5-24)求得预紧力Qp,然后按式(5-14)校核螺栓的强度.
联接接合面间的摩擦系数
被联接件
接合面的概况状况
摩擦系数f
钢或铸铁零件
湿润的加工概况
0.
有油的加工概况
0.06-0.10
钢构造
轧制概况,钢丝刷清算浮锈
0.30-0.35
涂富锌漆
0.35-0.40
喷砂处理
0.45-0.55
钢铁对砖料,混凝土或木材
湿润概况
0.40-0.45
2).受转矩的螺栓组联接
如下图所示,转矩T感化在联接接合面内,在转拒T的感化下,底板将绕经由过程螺栓组对称中间O并与接合面相垂直的轴线迁移转变.为了防止底板迁移转变,可以采取通俗螺栓联接,也可以采取铰制孔用螺栓联接.其传力方法和受横向载荷的螺栓组联接雷同.
图:
受转矩的螺栓组联接
采取通俗螺栓时,靠联接领紧后在接合面间产生的摩擦力矩来抵抗转矩T.假设各螺栓的预紧程度雷同,即各螺栓的预紧力均为Qp,则各螺栓联接处产生的摩擦力均相等,并假设此摩擦力分散感化在螺栓中间处.为阻拦接合面产生相对迁移转变,各摩擦力应与各该螺栓的轴线到
由上式可得各螺栓所需的预紧力为
【5-25】
式中:
f——接合面的摩擦系数,见表;
ri——第i个螺栓的轴线到螺栓组对称中间O的距离;
z——螺栓数量;
Ks——防滑系数,同前.
由上式求得预紧力Qp,然后按式(5-14)校核螺栓的强度.
采取铰制孔用螺栓时,在转矩T的感化下,各螺栓受到剪切和挤压感化,各螺栓所受的横向工作剪力和各该螺栓轴线到螺栓组对称中间O的连线(即力臂r.)相垂直(图b).为了求得各螺栓的工作剪力的大小,盘算时假定底板为刚体,受载后接合面仍保持为平面.则各螺栓的剪切变形量与各该螺栓轴线到螺栓组对称中间O的距离成正比.即距螺栓组对称中间O越远,螺栓的剪切变形量越大.假如各螺栓的剪切刚度雷同,则螺栓的剪切变形量越大时,其所受的工作剪力也越大.如图b所示,用ri.rmax分离暗示第i个螺栓和受力最大螺栓的轴线到螺栓组对称中间O的距离;Fi.Fmax.分离暗示第i个螺栓和受力最大螺栓的工作剪力,则得
【5-26】
依据感化在底板上的力矩均衡的前提得
即
. 【5-27】
联解式(5-26)及(5-27),可求得受力最大的螺栓的工作剪力为
【5-28】
图所示的凸缘联轴器,是推却转矩的螺栓组联接的典范部件.各螺栓的受力依据
r1=r2=…=rz的关系以及螺栓联接的类型,分离代人式(5-25)或(5-28)即可求得.
3).受轴向载荷的螺栓组联接
下图为一受轴向总载荷F的汽缸盖螺栓组联接.F的感化线与螺栓轴线平行,并经由过程螺栓组的对称中间O.盘算时,以为各螺栓平均受载,则每个螺栓所受的轴向工作载荷为
图:
受轴向载荷的螺栓组联接
4).受倾覆力矩的螺栓组联接
下图a为一受倾覆力矩的底板螺栓组联接.倾覆力矩M感化在经由过程x-x轴并垂直于联接接合面的对称平面内.底板推却倾覆力矩前,因为螺栓已拧紧,螺栓受预紧力Qp,有平均的伸长;地基在各螺栓的Qp感化下.有平均的紧缩,如图b所示.当底板受到倾覆力矩感化后,它绕轴线O—O倾转一个角度,假定仍保持为平面.此时,在轴线O-O左侧,地基被放松,螺栓被进一步拉伸,在右侧,螺栓被放松,地基被进一步紧缩.底板的受力情形如图c所示.
图:
受倾覆力矩的螺栓组联接
联接接合面材料的许用挤压应力[σ]p,可查下表.
表:
联接接合面材料的许用挤压应力[σ]p
注:
l)σs为材料屈从权限,MPa;σB为材料强度极限,MPa.
2)当联接接合面的材料不合时,应按强度较弱者拔取.
3)联接推却载荷时,[σ]p应取表中较大值;推却变载荷时,则应取较小值
盘算受倾覆力矩的螺栓组的强度时,起首由预紧力Qp.最大工作载荷Fmax肯定受力最大的螺栓的总拉力Q,由式(5-18)得
【5-38】
然后接式(5-19)进行强度盘算.
肯定螺栓直径
起首选择螺栓材料,肯定其机能等级,查出其材料的屈从极限,并查出安然系数,盘算出螺栓材料的许用应力[σ]=σs/S.
依据以下公式盘算螺纹小径d1:
最后按螺纹尺度,选用螺纹公称直径.
螺纹联接件的材料
合适制作螺纹联接件的材料品种许多,经常运用材料有低碳钢Q215.10号钢和中碳钢Q235.35.45号钢.对于推却冲击.振动或变载荷的螺纹联接件,可采取低合金钢.合金钢,如15Cr.40Cr.30CrMnsi等.对于特别用处(如防锈蚀.防磁.导电或耐高温等)的螺纹联接件,可采取特种钢或铜合金.铝合金等.
表:
螺栓的机能等级(摘自GB3098.1-82)
注:
划定机能等级的螺栓.螺母在图纸中只标出机能等级,不该标出材料商标.
表:
螺母的机能等级(摘自GB3098.2-82)
是依据现实情形,对螺栓进行强度校核.
.采取公式为:
碳素钢螺栓
合金钢螺栓
式中:
s——螺栓材料的屈从极限;
A1——螺栓安全截面的面积.
式(5-14)
松螺纹联接强度盘算
拉伸强度前提为:
【5-14】
式中:
F--螺栓工作载荷,N;
d1--螺栓安全截面的直径,mm;
[σ]--螺栓材料的许用拉应力,MPa.
紧螺栓联接强度盘算
1. 仅推却预紧力的紧螺栓联接
拉伸强度前提为:
式中:
Qp—螺栓所受预紧力,N.
其余符号意义同前.
2. 推却预紧力和工作拉力的紧螺栓联接
①拉伸强度前提为:
式中:
Q—螺栓总拉力,N.
其余符号意义同前.
螺栓总拉力的盘算:
Q=Qp+[Cb/(Cb+Cm)]·F
式中:
Cb/(Cb+Cm)称为螺栓的相对刚度,一般设计时,可按下表推举的数据拔取.
螺栓的相对刚度Cb/(Cb+Cm)
被联接钢板间所用垫片类别
Cb/(Cb+Cm)
金属垫片(或无垫片)
0.2~0.3
皮革垫片
0.7
铜皮石棉垫片
0.8
橡胶垫片
0.9
②疲惫强度盘算
对于受轴向变载荷的重要联接,应对螺栓的疲惫强度作准确校核,盘算其最大应力盘算安然系数:
式中:
-1tc ——螺栓材料的对称轮回拉压疲惫极限,MPa,-1tc 值见表
——试件的材料特征,即轮回应力中平均应力的折算系数,对于碳素钢,
=0.1—0.2,对于合金钢,
=0.2—0.3;
—
—拉压疲惫强度分解影响系数,如疏忽加工办法的影响,则Kσ=kσ/εσ,Kσ此处为有用应力分散系数,见表εσ为尺寸系数,见附表;
S ——安然系数.
螺纹联接件经常运用材料的疲惫极限(摘自GB38-76)
材料
疲惫极限(MPa)
σ-1
σ-1tc
10
Q215
35
45
40Cr
160~220170~220220~300250~340320~440
120~150
120~160
170~220
190~250
240~340
螺纹联接的安然系数S
受载类型
静载荷
变载荷
松螺栓联接
~1.7
紧
螺
栓
联
接
受
轴
向
及
横
向
载
荷
的
普
通
螺
栓
联
接
不
考
虑
预
紧
力
的
简
化
计
算
M6~M16
M16~M30
M30~M60
M6~M16
M16~M30
M30~M60
碳钢
5~4
4~
~2
碳钢
~
~
合金钢
~5
5~
~3
合金钢
10~
~10
考
虑
预
紧
力的盘算
~
~
(Sa~4)
铰制孔用
螺栓联接
钢:
Sr
铸铁:
S~
钢:
Sr~5,S
铸铁:
S~
3. 推却工作剪力的紧螺栓联接
螺栓杆与孔壁的挤压强度前提为
螺栓杆的剪切强度前提为
式中:
F ——螺栓所受的工作剪力,N;
d0 ——螺栓剪切面的直径(可取为螺栓孔的直径),mm;
Lmin——螺栓杆与孔壁挤压面的最小高度,mm,设计时应使Lmin
d0;
[σ]p——螺栓或孔壁材料的许用挤压应力,MPa;
[τ]——螺栓材料的许用切应力,MPa.
推却工作剪力的紧螺栓联接
有用应力分散系数
材料的
400
600
800
1000
尺寸系数 回顶部
直径d(mm)
16
20
24
28
32
40
48
56
64
72
80
1
联接接合面材料的许用挤压应力
材料
钢
铸铁
混凝土
砖(水泥浆缝)
木材
螺栓的机能等级(摘自GB3098.1--82)
机能等级(标识表记标帜)
抗拉强度极限
330
400
420
500
520
600
800
900
1040
1220
屈从极限
190
240
340
300
420
480
640
720
940
1100
硬度
90
109
113
134
140
181
232
269
312
365
推举材料
低碳钢
低碳钢或中碳钢
中碳钢,淬火并回火
中碳钢,低.中碳合金钢,淬火并回火,合金钢
合金钢
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