螺栓組受力分析與計(jì)算

. . . .螺栓組受力分析與計(jì)算一．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 。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)成軸對稱的簡單幾何形狀 ，如圓形，環(huán)形，矩形，框形，三角形等。這樣不但便于加工制造 ，而且便于對稱布置螺栓，使螺栓組的對稱中心和聯(lián)接接合面的形心重合，從而保證接合面受力比較均勻 。.下載可編輯.. . . .2）螺栓的布置應(yīng)使各螺栓的受力合理 。對于鉸制孔用螺栓聯(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 。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)。對于壓力容器等緊密性要求較高的重要聯(lián)接 ，螺栓的間距t0不得大于下表所推薦的數(shù)值。扳手空間尺寸.下載可編輯.. . . .螺栓間距t0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)制成凸臺或沉頭座（下圖1）。當(dāng)支承面為傾斜表面時(shí)，應(yīng)采用斜面墊圈（下圖2）等。圖1凸臺與沉頭座的應(yīng)用 圖2斜面墊圈的應(yīng)用.下載可編輯.. . . .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 。下面針對幾種典型的受載情況 ，分別加以討論。．受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接圖所示為一由四個(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）?？柯?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)采用鉸制孔用螺栓聯(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F∑的作用下，各螺栓所承擔(dān)的工作載荷是均等的。因此，對于鉸制孔用螺栓聯(lián)接，每個(gè)螺栓所受的橫向工作剪力為（5-23）.下載可編輯.. . . .式中z為螺栓聯(lián)接數(shù)目。對于普通螺栓聯(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 Qp，螺栓數(shù)目為z，則其平衡條件為或（5-24）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=1.1～1.3。.下載可編輯.. . . .由式（5-24）求得預(yù)緊力Qp，然后按式（5-14）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干燥的加工表面0．10-0.16鋼或鑄鐵零件有油的加工表面0．06-0．10軋制表面，鋼絲刷清理浮銹0．30-0．35鋼結(jié)構(gòu)涂富鋅漆0．35-0．40噴砂處理0．45-0．55鋼鐵對磚料，混凝土或木材干燥表面0．40-0．45．受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接如下圖所示，轉(zhuǎn)矩T作用在聯(lián)接接合面內(nèi)，在轉(zhuǎn)拒T的作用下，底板將繞通過螺栓組對稱中心O并與接合面相垂直的軸線轉(zhuǎn)動。為了防止底板轉(zhuǎn)動，可以采用普通螺栓聯(lián)接，也可以采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接。其傳力方式和受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接相同。.下載可編輯.. . . .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 T。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)生相對轉(zhuǎn)動 ，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【5－25】式中：f——接合面的摩擦系數(shù)，見表；.下載可編輯.. . . .ri——第i個(gè)螺栓的軸線到螺栓組對稱中心 O的距離；z——螺栓數(shù)目；Ks——防滑系數(shù)，同前。由上式求得預(yù)緊力Qp，然后按式（5－14）校核螺栓的強(qiáng)度。采用鉸制孔用螺栓時(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稱中心 O的連線（即力臂r。）相垂直（圖b）。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稱中心 O的距離成正比。即距螺栓組對稱中心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、rmax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稱中心O的距離；Fi、Fmax。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.下載可編輯.. . . .即 . 【5－27】聯(lián)解式（5－26）及（5－27），可求得受力最大的螺栓的工作剪力為【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)r1＝r2＝?＝rz的關(guān)系以及螺栓聯(lián)接的類型，分別代人式（5－25）或（5－28）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 ，并通過螺栓組的對稱中心 O。計(jì)算時(shí)，認(rèn)為各螺栓平均受載，則每個(gè)螺栓所受的軸向工作載荷為.下載可編輯.. . . .圖：受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接．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)装迨艿絻A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。.下載可編輯.. . . .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 [σ]p,可查下表。表:聯(lián)接接合面材料的許用擠壓應(yīng)力 [σ]p.下載可編輯.. . . .注：l）σs為材料屈服權(quán)限，MPa; σB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)，[σ應(yīng)]p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（5－18）得【5－38】然后接式（5－19）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，查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[σ]=σs/S。根據(jù)以下公式計(jì)算螺紋小徑 d1：.下載可編輯.. . . .最后按螺紋標(biāo)準(zhǔn)，選用螺紋公稱直徑。螺紋聯(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號鋼和中碳鋼Q235、35、45號鋼。對于承受沖擊、振動或變載荷的螺紋聯(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（摘自GB3098.1-82）注:規(guī)定性能等級的螺栓、螺母在圖紙中只標(biāo)出性能等級，不應(yīng)標(biāo)出材料牌號。表:螺母的性能等級（摘自GB3098.2-82）.下載可編輯.. . . .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，對螺栓進(jìn)行強(qiáng)度校核。校核螺栓所需的預(yù)緊力。采用公式為：碳素鋼螺栓合金鋼螺栓式中：s——螺栓材料的屈服極限；A1——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：【5－14】.下載可編輯.. . . .式中：F--螺栓工作載荷，N；d1--螺栓危險(xiǎn)截面的直徑，mm；[σ]--螺栓材料的許用拉應(yīng)力 ，MPa.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：Qp—螺栓所受預(yù)緊力，N。其余符號意義同前。承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接①拉伸強(qiáng)度條件為：.下載可編輯.. . . .式中：Q—螺栓總拉力，N。其余符號意義同前。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）0．2～0.3皮革墊片0．7銅皮石棉墊片0．8橡膠墊片0．9②疲勞強(qiáng)度計(jì)算對于受軸向變載荷的重要聯(lián)接 ，應(yīng)對螺栓的疲勞強(qiáng)度作精確校核 ，計(jì)算其最大應(yīng)力計(jì)算安全系數(shù)：式中：.下載可編輯.. . . .-1tc ——螺栓材料的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限 ，MPa， -1tc 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) ，對于碳素鋼，=0.1—0.2，對于合金鋼，=0.2—0.3；—.下載可編輯.. . . .—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σ為尺寸系σσσσ數(shù)，見附表；——安全系數(shù)。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tc10160120150Q215120160351702204519025040Cr240340螺紋聯(lián)接的安全系數(shù) S.下載可編輯.. . . .受載類型靜載荷變載荷松螺栓聯(lián)接1.2緊受的不的M6M16M16M30M30M60M6M16M16M30M30M60螺軸普考簡碳鋼5442.52.52碳鋼12.58.58.58.512.5栓向通慮化聯(lián)及螺預(yù)計(jì)合金鋼5.7553.43.43合金鋼106.86.86.810.下載可編輯.接橫栓緊算向聯(lián)力載接考力荷 慮的預(yù)計(jì)緊算鉸制孔用螺栓聯(lián)接

. . . .1.2 1.51.2 1.5(Sa=2.5 4)鋼：Sr=2.5,Sp＝1.25 鋼：Sr=3.5 5,Sp＝1.5鑄鐵： Sp=2.0 2.5 鑄鐵：Sp=2.5 3.03． 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.下載可編輯.. . . .式中：F ——螺栓所受的工作剪力，N；d0——螺栓剪切面的直徑（可取為螺栓孔的直徑），mm；Lmin——螺栓桿與孔壁擠壓面的最小高度，mm，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使Lmin1.25d0；[σ]p——螺栓或孔壁材料的許用擠壓應(yīng)力 ，MPa；[τ] ——螺栓材料的許用切應(yīng)力 ，MPa。.下載可編輯.. . . .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40060080010003.0 3.9 4.8 5.2尺寸系數(shù) 回頂部直徑16 20 24 28 32 40 48 56 64 72 80d(mm)1 0.81 0.76 0.71 0.68 0.63 0.60 0.57 0.54 0.52 0.50聯(lián)接接合面材料的許用擠壓應(yīng)力材料 鋼