螺栓组受力分析与计算文档格式.docx
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对于在铸,锻件等的粗糙表面上应安装螺栓时,应制成凸台或沉头座(下图1)。
当支承面为倾斜表面时,应采用斜面垫圈(下图2)等。
卜卜2.螺栓组联接的受力分析
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
进行螺栓组联接受力分析的目的是,根据联接的结构和受载情况,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计算。
为了简化计算,在分析螺栓组联接的受力时,假设所有螺栓的材料,直径,长度和预紧力均相同;
螺栓组的对称中心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。
下面针对几种典型的受载情况,分别加以讨论。
图所示为一由四个螺栓组成的受横向载荷的螺栓组联接。
横向载荷的作用线与螺栓轴线垂直,并通过螺栓组的对称中心。
当采用螺栓杆与孔壁间留有间隙的普通螺栓联接时(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;
当采用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。
虽然两者的传力方式不同,但计算时可近似地认为,在横向总载荷F曲勺作用下,各螺栓所承担的工作载荷是均等的。
因此,对于铰制孔用螺栓联接,每个螺栓所受的横向工作剪力为
z(5-23)
式中z为螺栓联接数目
对于普通螺栓联接,应保证联接预紧后,接合面间所产生的最大摩擦力必须大于或等于横向载荷。
假设各螺栓所需要的预紧力均为Qp,螺栓数目为z,则其平衡条件为
(5-24)
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,Ks=1.1〜1.3。
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
接合面的表面状态
摩擦系数f
钢或铸铁零件
干燥的加工表面
0.10-0.16
有油的加工表面
0.06-0.10
钢结构
轧制表面,钢丝刷清理浮锈
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
干燥表面0.40-0.45
如下图所示,转矩T作用在联接接合面内,在转拒T的作用下,底板将绕通过螺栓组对称中心0并与接合面相垂直的轴线转动。
为了防止底板转动,可以采用普通螺栓联接,也可以采用铰制孔用螺栓联接。
其传力方式和受横向载荷的螺栓组联接相同。
图:
受转矩的螺栓组联接
采用普通螺栓时,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
预紧程度相同,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,并假设此摩擦力集中作用在螺栓中心处。
为阻止接合面发生相对转动,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
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心0的距离;
z――螺栓数目;
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。
采用铰制孔用螺栓时,在转矩T的作用下,各螺栓受到剪切和挤压作用,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心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,计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心0的距离成正比。
即距螺栓组对称
中心o越远,螺栓的剪切变形量越大。
如果各螺栓的剪切刚度相同,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分别表示第i个螺栓和受力最大
螺栓的轴线到螺栓组对称中心o的距离;
Fi、Fmax。
分别表示第i个螺栓和受力最大螺栓的
工作剪力,则得
5-26】
根据作用在底板上的力矩平衡的条件得
£
恥=T
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
P—
max—s
Sr-
曰5—28】
图所示的凸缘联轴器,是承受转矩的螺栓组联接的典型部件。
各螺栓的受力根据ri=「2=・・=段的关系以及螺栓联接的类型,分别代人式(5—25)或(5—28)即可求得。
下图为一受轴向总载荷F的汽缸盖螺栓组联接。
F的作用线与螺栓轴线平行,并通过螺
栓组的对称中心0。
计算时,认为各螺栓平均受载,则每个螺栓所受的轴向工作载荷为
受轴向载荷的螺栓组联接
下图a为一受倾覆力矩的底板螺栓组联接。
倾覆力矩M作用在通过x-x轴并垂直于联接接合面的对称平面内。
底板承受倾覆力矩前,由于螺栓已拧紧,螺栓受预紧力Qp,有均匀的伸长;
地基在各螺栓的Qp作用下.有均匀的压缩,如图b所示。
当底板受到倾覆力矩作用后,它绕轴线0—0倾转一个角度,假定仍保持为平面。
此时,在轴线0—0左侧,地基被放松,螺栓被进一步拉伸,在右侧,螺栓被放松,地基被进一步压缩。
底板的受力情况如图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[o]p,可查下表
表:
联接接合面材料的许用挤压应力[o]p
p~
\——
1—.
*tt
1■“1
2074
1.5-1.0
2.070
注:
1)cs为材料屈服权限,MPa;
C为材料强度极限,MPa。
2)当联接接合面的材料不同时,应按强度较弱者选取。
3)联接承受载荷时,[(T应取表中较大值;
承受变载荷时,则应取较小值
计算受倾覆力矩的螺栓组的强度时,首先由预紧力Qp、最大工作载荷Fmax确定受力最
大的螺栓的总拉力Q,由式(5-18)得
5—38】
然后接式(5-19)进行强度计算
确定螺栓直径
首先选择螺栓材料,确定其性能等级,查出其材料的屈服极限,并查出安全系数,计算出螺栓材料的许用应力[(7]=(7S/S。
根据以下公式计算螺纹小径di:
最后按螺纹标准,选用螺纹公称直径
螺纹联接件的材料
适合制造螺纹联接件的材料品种很多,常用材料有低碳钢Q215、10号钢和中碳钢
Q235、35、45号钢。
对于承受冲击、振动或变载荷的螺纹联接件,可采用低合金钢、合金钢,如15Cr、40Cr、30CrMnsi等。
对于特殊用途(如防锈蚀、防磁、导电或耐高温等)的螺纹联接件,可采用特种钢或铜合金、铝合金等。
表:
螺栓的性能等级(摘自GB3098.1-82)
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400
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规定性能等级的螺栓、螺母在图纸中只标出性能等级,不应标出材料牌号表:
螺母的性能等级(摘自GB3098.2-82)
71
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「S-1
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9
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t.t
10,9
4.校核螺栓组联接接合面的工作能力,是根据实际情况,对螺栓进行强度校核
5.校核螺栓所需的预紧力。
采用公式为:
碳素钢螺
<
(0.6^0.7)^-A
栓
合金钢螺—
2兰@15〜0©
忑出
s――螺栓材料的屈服极限;
Ai――螺栓危险截面的面积。
式(5-14)
松螺纹联接强度计算
拉伸强度条件为:
5-14】
F--螺栓工作载荷,N;
d1--螺栓危险截面的直径,mm;
[c]螺栓材料的许用拉应力,MPa.
紧螺栓联接强度计算
1•仅承受预紧力的紧螺栓联接
Qp—螺栓所受预紧力,N。
其余符号意义同前。
2.承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接
①拉伸强度条件为:
132
[CT]
Q—螺栓总拉力,N。
螺栓总拉力的计算:
Q=Qp+[Cb/(Cb+Cm)]•F
Cb/(Cb+Cm)称为螺栓的相对刚度,
一般设计时,可按下表推荐的数据选取。
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疲劳强度计算
对于受轴向变载荷的重要联接,应对螺栓的疲劳强度作精确校核,计算其最大应力计算安全
系数:
2—2J+K-忆)o■血二$
八(X+%)(2兀+%厂
-1tc
螺栓材料的对称循环拉压疲劳极限,MPa,
-1tc值见表
,对于碳素钢,
――试件的材料特性,即循环应力中平均应力的折算系数
1—0.1—0.2,对于合金钢,'
,=0.2—0.3;
K
—
『,此处为有效应力集中系数,见表
—拉压疲劳强度综合影响系数,如忽略加工方法的影响,则Kd=k/
数,见附表;
s――安全系数。
螺纹联接件常用材料的疲劳极限(摘自GB38-76)
材料
疲劳极限(MPa)
tc
160
120150
Q215
120160
35
170220
45
190250
40Cr
240340
螺纹联接的安全系数S
受载类型
静载荷
变载荷
松螺栓联接
1.2
紧
螺栓联
受的轴普向通及螺
不的
考简虑化预计
M6M16
M16M30
M30M60
碳钢
54
42.5
2.52
12.58.5
8.5
8.512.5
合金钢
5.75
53.4
3.43
106.8
6.8
6.810
接
横栓
紧算
向联
力
载接
考力
荷
虑的
1.21.5
预计
(Sa=2.54)
铰制孔用
钢:
Sr=2.5,Sp=1.25
Sr=3.55,Sp=1.5
螺栓联接
铸铁:
Sp=2.02.5
Sp=2.53.0
3.承受工作剪力的紧螺栓联接
螺栓杆与孔壁的挤压强度条件为
螺栓杆的剪切强度条件为
.下载可编辑.
F——螺栓所受的工作剪力,N;
d。
一一螺栓剪切面的直径(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Lmin1.25d0;
[(T]p——栓或孔壁材料的许用挤压应力,MPa;
[t]—栓材料的许用切应力,MPa
承受工作剪力的紧螺栓联接
有效应力集中系数
材料的爲)
600
800
1000
©
3.0
3.9
4.8
5.2
尺寸系数回顶部
直径
d(mm)
-16
20
24
28
32
40
48
56
64
72
80
%
0.81
0.76
0.71
0.68
0.63
0.60
0.57
0.54
0.52
0.50
•联接接合面材料的许用挤
乍压应力
钢
铸铁
混凝土
砖(水泥浆缝)
木材
[a]p(MPa)\
0.8込
(0/4—
2.0-3.0
1.5-2.0
2.0-4.0
螺栓的性能等级(摘自GB3098.1--82)
性能等级(标记)
3.6
4.6
5.6
5.8
8.8
9.8
10.9
12.9
抗拉强度极限(MPa)
330
420
500
520
1040
屈服极限%»
(叭)
190
240
340
300
480
640
720
940
1100
硬度仙
90
109
113
134
181
232
312
365
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