螺栓組受力分析與計(jì)算..

1、螺栓組受力分析與計(jì)算螺栓組受力分析與計(jì)算螺栓組聯(lián)接的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟：1 .螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2 .螺栓受力分析3 . 確定螺栓直徑4 .校核螺栓組聯(lián)接接合面的工作能力5 .校核螺栓所需的預(yù)緊力是否合適確定螺栓的公稱直徑后，螺栓的類型，長度，精度以及相應(yīng)的螺母，墊圈等結(jié)構(gòu)尺寸，可根 據(jù)底板的厚度，螺栓在立柱上的固定方法及防松裝置等全面考慮后定出。21 .螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要目的，在于合理地確定聯(lián)接接合面的幾何形狀和螺栓的布置形式, 力求各螺栓和聯(lián)接接合面間受力均勻，便于加工和裝配。為此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以下 幾方面的問題：1）聯(lián)接接合面的幾何形狀通常都設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱的簡單幾何形狀

2、，如圓形，環(huán)形，矩形，框形,三角形等。這樣不但便于加工制造，而且便于對(duì)稱布置螺栓，使螺栓組的對(duì)稱中心和聯(lián) 接接合面的形心重合，從而保證接合面受力比較均勻。2）螺栓的布置應(yīng)使各螺栓的受力合理。 對(duì)于較制孔用螺栓聯(lián)接，不要在平行于工作載荷的方 向上成排地布置八個(gè)以上的螺栓，以免載荷分布過于不均。當(dāng)螺栓聯(lián)接承受彎矩或轉(zhuǎn)矩 時(shí)，應(yīng)使螺栓的位置適當(dāng)靠近聯(lián)接接合面的邊緣，以減小螺栓的受力（下圖）。如果同 時(shí)承受軸向載荷和較大的橫向載荷時(shí)， 應(yīng)采用銷，套筒，鍵等抗剪零件來承受橫向載荷, 以減小螺栓的預(yù)緊力及其結(jié)構(gòu)尺寸。令6 j備令接合面受彎矩或轉(zhuǎn)矩時(shí)螺栓的布置3）螺栓排列應(yīng)有合理的間距，邊距。布置螺栓時(shí)，各

3、螺栓軸線間以及螺栓軸線和機(jī)體壁間的 最小距離，應(yīng)根據(jù)扳手所需活動(dòng)空間的大小來決定。扳手空間的尺寸（下圖）可查閱有 關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于壓力容器等緊密性要求較高的重要聯(lián)接，螺栓的間距tO不得大于下表所推 薦的數(shù)值。扳手空間尺寸螺栓間距to注：表中d為螺紋公稱直徑。4）分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目，應(yīng)取成4, 6, 8等偶數(shù)，以便在圓周上鉆孔時(shí)的分度和 畫線。同一螺栓組中螺栓的材料，直徑和長度均應(yīng)相同。5）避免螺栓承受附加的彎曲載荷。除了要在結(jié)構(gòu)上設(shè)法保證載荷不偏心外，還應(yīng)在工藝上保 證被聯(lián)接件，螺母和螺栓頭部的支承面平整，并與螺栓軸線相垂直。對(duì)于在鑄，鍛件等 的粗糙表面上應(yīng)安裝螺栓時(shí)，應(yīng)制成凸臺(tái)或沉頭座（

4、下圖1） o當(dāng)支承面為傾斜表面時(shí), 應(yīng)采用斜面墊圈（下圖2）等?！芭_(tái)與沉頭座的應(yīng)用的應(yīng)用圖2斜面墊圈22 .螺栓組聯(lián)接的受力分析1) .受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接2) .受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接3) .受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接4) .受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接進(jìn)行螺栓組聯(lián)接受力分析的目的是， 根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺 栓及其所受的力，以便進(jìn)行螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算。為了簡化計(jì)算，在分析螺栓組聯(lián)接的受力時(shí)，假設(shè)所有螺栓的材料，直徑，長度和預(yù)緊力均相同；螺栓組的對(duì)稱中心與聯(lián)接接合面的形心重合；受載后聯(lián)接接合面仍保持為 平面。下面針對(duì)幾種典型的受載情況，分別加以討論。1).受橫向載荷的螺栓組聯(lián)圖所示為

5、一由四個(gè)螺栓組成的受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接。橫向載荷的作用線與螺栓軸線垂直,并通過螺栓組的對(duì)稱中心。當(dāng)采用螺栓桿與孔壁間留有間隙的普通螺栓聯(lián)接時(shí)(圖a)靠聯(lián)接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力來抵抗橫向載荷；當(dāng)采用較制孔用螺栓聯(lián)接時(shí)(圖 b),靠螺栓桿受剪切和擠壓來抵抗橫向載荷。 雖然兩者的傳力方式不同，但計(jì)算時(shí)可近似地認(rèn)為，在橫向總載荷 的的作用下，各螺栓所承擔(dān)的工作載荷是均等的。因此，對(duì)于較制孔用螺栓聯(lián)接，每個(gè)螺栓所受的橫向工作剪力為F旦z 5 5-23)式中z為螺栓聯(lián)接數(shù)目對(duì)于普通螺栓聯(lián)接，應(yīng)保證聯(lián)接預(yù)緊后，接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向 載荷。假設(shè)各螺栓所需要的預(yù)緊力均為 Q,

6、螺栓數(shù)目為z,則其平衡條件為(5-24)或圖：受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接式中：f 接合面間的摩擦系數(shù)，見下表；i 接合面數(shù)（圖中，i=2 ）;Ks防滑系數(shù)，Ks=1.11.3由式（5-24）求得預(yù)緊力 Q,然后按式（5-U）校核螺栓的強(qiáng)度。聯(lián)接接合面間的摩擦系數(shù)被聯(lián)接件接合面的表面狀態(tài)摩擦系數(shù)f鋼或鑄鐵零件干燥的加工表面0. 10-0.16有油的加工表面0. 06-0. 10鋼結(jié)構(gòu)軋制表面，鋼絲刷清理浮銹0. 30-0. 35涂富鋅漆0. 35-0. 40鋼鐵對(duì)磚料，泡凝土或木材干燥表面0. 40-0. 45噴砂處理0. 45-0. 552).受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)如下圖所示，轉(zhuǎn)矩T作用在聯(lián)接接合面內(nèi)，

7、在轉(zhuǎn)拒 T的作用下，底板將繞通過螺栓組對(duì)稱中 心。并與接合面相垂直的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止底板轉(zhuǎn)動(dòng)，可以采用普通螺栓聯(lián)接，也可 以采用較制孔用螺栓聯(lián)接。其傳力方式和受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接相同。圖：受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接采用普通螺栓時(shí)，靠聯(lián)接領(lǐng)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩To假設(shè)各螺栓的預(yù)緊程度相同，即各螺栓的預(yù)緊力均為Qp,則各螺栓聯(lián)接處產(chǎn)生的摩擦力均相等， 并假設(shè)此摩擦力集中作用在螺栓中心處。為阻止接合面發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，各摩擦力應(yīng)與各 該螺栓的軸線到由上式可得各螺栓所需的預(yù)緊力為【525式中：f 接合面的摩擦系數(shù)，見表;ri 第i個(gè)螺栓的軸線到螺栓組對(duì)稱中心 。的距離;z 螺栓數(shù)目；Ks 防

8、滑系數(shù)，同前 由上式求得預(yù)緊力 Q,然后按式（514）校核螺栓的強(qiáng)度。采用較制孔用螺栓時(shí)，在轉(zhuǎn)矩T的作用下，各螺栓受到剪切和擠壓作用，各螺栓所受的橫向工作剪力和各該螺栓軸線到螺栓組對(duì)稱中心o的連線（即力臂ro ）相垂直（圖b） o為了求得各螺栓的工作剪力的大小，計(jì)算時(shí)假定底板為剛體，受載后接合面仍保持為平面。則各螺栓的剪切變形量與各該螺栓軸線到螺栓組對(duì)稱中心。的距離成正比。即距螺栓組對(duì)稱中心O越遠(yuǎn)，螺栓的剪切變形量越大。如果各螺栓的剪切剛度相同，則螺栓的剪切變形量越大時(shí)，其所受的工作剪力也越大。如圖 b所示，用ri、r max分別表示第i個(gè)螺栓和受力最大螺栓的軸線到螺栓組對(duì)稱中心。的距離；Fi

9、、Fmaxo分別表示第i個(gè)螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，則得【5 26根據(jù)作用在底板上的力矩平衡的條件得再卷+尸源+十凡七=丁t凡【5 27即I.聯(lián)解式（5 26）及（527）,可求得受力最大的螺栓的工作剪力為P 二- irtax eVr ,1 I【5 28】圖所示的凸緣聯(lián)軸器，是承受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接的典型部件。各螺栓的受力根據(jù)=2 = .= rz的關(guān)系以及螺栓聯(lián)接的類型，分別代人式（5- 25）或（528）即可求得。3）.受軸向載荷的螺栓組聯(lián) 接下圖為一受軸向總載; 過螺栓組的對(duì)稱中心O%F=-荷F的汽缸蓋螺栓組聯(lián)接。F的作用線與螺栓軸線平行，并通 計(jì)算時(shí)，認(rèn)為各螺栓平均受載，則每個(gè)螺栓所受

10、的軸向工作載f島、/3圖：受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接4).受傾覆力矩的螺栓組聯(lián) 接下圖a為一受傾覆力矩的底板螺栓組聯(lián)接。傾覆力矩 M作用在通過x-x軸并垂直于聯(lián)接接合面的對(duì)稱平面內(nèi)。底板承受傾覆力矩前，由于螺栓已擰緊，螺栓受預(yù)緊力Qp,有均勻的伸長；地基在各螺栓的 Qp作用下.有均勻的壓縮，如圖b所示。當(dāng)?shù)装迨?到傾覆力矩作用后，它繞軸線 O-O傾轉(zhuǎn)一個(gè)角度，假定仍保持為平面。此時(shí)，在軸線 O-O左側(cè)，地基被放松，螺栓被進(jìn)一步拉伸，在右側(cè)，螺栓被放松，地基被進(jìn)一步壓縮。底板的受力情況如圖c所示圖：受傾覆力矩的螺栓組聯(lián)接聯(lián)接接合面材料的許用擠壓應(yīng)力（rp,可查下表。表：聯(lián)接接合面材料的許用擠壓應(yīng)力（

11、dpI樹 W.* a 本 豺Q. |4|2 0).0d 1 .注：l）（rs為材料屈服權(quán)限，MPa; crB為材料強(qiáng)度極限，MPa。2）當(dāng)聯(lián)接接合面的材料不同時(shí)，應(yīng)按強(qiáng)度較弱者選取。3）聯(lián)接承受載荷時(shí)，ap應(yīng)取表中較大值；承受變載荷時(shí)，則應(yīng)取較小值計(jì)算受傾覆力矩的螺栓組的強(qiáng)度時(shí)，首先由預(yù)緊力Qp最大工作載荷Fmax確定受力最大的螺栓的總拉力 Q,由式（518）得然后接式（519）進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。，確定螺栓直徑首先選擇螺栓材料.確定其性能等級(jí).杳出其材料的屈服極限、并查出安全系數(shù)，計(jì)算 出螺栓材料的許用應(yīng)力打=（TS/So根據(jù)以下公式計(jì)算螺紋小徑di:二焙反最后按螺紋標(biāo)準(zhǔn)，選用螺紋公稱直徑。卜螺紋

12、聯(lián)接件的材料適合制造螺紋聯(lián)接件的材料品種很多，常用材料有低碳鋼Q215 10號(hào)鋼和中碳鋼Q235 35、45號(hào)鋼。對(duì)于承受沖擊、振動(dòng)或變載荷的螺紋聯(lián)接件，可采用低合金鋼、合 金鋼，如15Cr、40Cr、30CrMnsi等。對(duì)于特殊用途（如防銹蝕、防磁、導(dǎo)電或耐高溫 等）的螺紋聯(lián)接件，可采用特種鋼或銅合金、鋁合金等。表：螺栓的性能等級(jí)（摘自 GB 3098.1-82 ）（但匕）1.sJ 41r.二丸修7 * *4桃21執(zhí)口現(xiàn)熏！!1，l$徜 mwo1IWOWi加MOjoa1. - 1匚1140PhUrf1131M1441W翻MOT改奉率卡一11隼禽 金 L怦丸弄大.*注：規(guī)定性能等級(jí)的螺栓、螺母

13、在圖紙中只標(biāo)出性能等級(jí)，不應(yīng)標(biāo)出材料牌號(hào)。表：螺母的性能等級(jí)（摘自 GB 3098.2-82 ）to3tM 強(qiáng)度俄 IR* 一（MPA（JlfEd 二 T仝5 售 |中餐中才煙.抵，中奇金第火笄回火a S #3附一3” 10 * 12 9丸*.，一,4.校核螺栓組聯(lián)接接合面的工作能力，是根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核5.校核螺栓所需的預(yù)緊力。采用公式為：1素鋼螺01V10.60.7）6產(chǎn)鋼螺表工（0.15匚0醞1I 式中:螺栓材料的屈服極限;A螺栓危險(xiǎn)截面的面積。式(5-14)，松螺紋聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算拉伸強(qiáng)度條件為：F【5 14(T = (T 1冗 7 1丁 d 1式中：F-螺栓工作載荷，N；d

14、i-螺栓危險(xiǎn)截面的直徑，mm6-螺栓材料的許用拉應(yīng)力，MPa.2緊螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算,1.僅承受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接拉伸強(qiáng)度條件為：式中：Q螺栓所受預(yù)緊力，N其余符號(hào)意義同前2.承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接卜拉伸強(qiáng)度條件為:1.3。M crQ螺栓總拉力，N其余符號(hào)意義同前。螺栓總拉力的計(jì)算：Q=Qp+Cb/(Cb+Cm) F式中：Cb/(Cb+Cm稱為螺栓的相對(duì)剛度，一般設(shè)計(jì)時(shí)，可按下表推薦的數(shù)據(jù)選取螺栓的相對(duì)剛度Cb/(Cb+Cm)被聯(lián)接鋼板間所用墊片類別Cb/(Cb+Cm)金屬墊片(或無墊片)0. 20.3皮革墊片0. 7銅皮石棉墊片0. 8橡膠墊片0. 9,疲勞強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于受軸向變載荷的

15、重要聯(lián)接，應(yīng)對(duì)螺栓的疲勞強(qiáng)度作精確校核，計(jì)算其最大應(yīng)力計(jì)算安全 系數(shù)：Q _ 2仃一心 +(尺-甲 1 b 1nmej二 4嗎十孔)(2q + b.)式中：-1tc螺栓材料的對(duì)稱循環(huán)拉壓疲勞極限，MPa , -Itc 值見表試件的材料特性，即循環(huán)應(yīng)力中平均應(yīng)力的折算系數(shù)，對(duì)于碳素鋼,=0.10.2,對(duì)于合金鋼,=0.20.3 ;一拉壓疲勞強(qiáng)度綜合影響系數(shù)，如忽略加工方法的影響，則K。=k K。此處為有效應(yīng)力集中系數(shù)，見表 。為尺寸系數(shù),見附表；s 安全系數(shù)。卜螺紋聯(lián)接件常用材料的疲勞極限（摘自 GB38-76）疲勞極限（MPa材料tc10160120 150Q215120 16035170 2

16、2045190 25040Cr240 340螺紋聯(lián)接的安全系數(shù)S靜載荷變載荷松螺栓聯(lián)接1.2緊 螺 栓 聯(lián) 接受的 軸普 向通 及螺 橫栓 向聯(lián) 載接 荷的簡化計(jì)算 不考慮預(yù)緊力M6 M16M16 M30M30 M60M6 M16M16M30M30 M6I0碳鋼5 44 2.52.5 2碳鋼12.5 8.58.58.5 12.5合金鋼5.7 55 3.43.4 3合金鋼10 6.86.86.8 1()考力 慮的 預(yù)計(jì) 緊算1.2 1.51.2 1.5(Sa=2.5 4)校制孔用 螺栓聯(lián)接鋼：8 =2.5,Sp = 1.25鑄鐵：Sp=2.0 2.5鋼：Sr =3.5 5, Sp=1.5鑄鐵：S

17、p=2.5 3.0承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接螺栓桿與孔壁的擠壓強(qiáng)度條件為螺栓桿的剪切強(qiáng)度條件為式中：F螺栓所受的工作剪力，N;do 螺栓剪切面的直徑（可取為螺栓孔的直徑），mmLmin螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，mm設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使Lmin 3 1.25 do；（T p 螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa ;r螺栓材料的許用切應(yīng)力,MPa。承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接,有效應(yīng)力集中系數(shù)材料的口式NP040060080010003.03.94.85.2，尺寸系數(shù)回頂部直徑d(mm):1620242832404856647280%10.810.760.710.680.630.600.570.540.520.50，聯(lián)接接合面材料的許用才材料齊壓卜力鋼1叫鑄鐵混凝土磚（水泥漿縫