螺栓組受力分析與計算

1、螺栓組受力分析與計算一 螺栓組聯(lián)接的設(shè)計設(shè)計步驟： 1   螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計 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。 1. 螺栓組聯(lián)接的結(jié)構(gòu)設(shè)計螺栓組聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的，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

2、。為此，設(shè)計時應(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。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，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）。如果同時承受軸向載荷和較大的橫向載荷時，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。 &#

3、160;          接合面受彎矩或轉(zhuǎn)矩時螺栓的布置3）螺栓排列應(yīng)有合理的間距，邊距。布置螺栓時，各螺栓軸線間以及螺栓軸線和機體壁間的最小距離，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)標準。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       

4、;     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，應(yīng)制成凸臺或沉頭座（下圖1）。當(dāng)支承面為傾斜表面時，應(yīng)采用斜面墊圈（下圖2）等。 圖1 凸臺與沉頭座的應(yīng)用      &#

5、160;                圖2 斜面墊圈的應(yīng)用2. 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，以便進行螺栓聯(lián)接的強度計算。    為了簡化計算，在分析螺栓組聯(lián)接的受力時，假設(shè)所有螺栓的材料，直徑，長度和預(yù)緊

6、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。1)受橫向載荷的螺栓組聯(lián)接                                     

7、0;          圖所示為一由四個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（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（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，但計算時可近似地認為，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，每個螺栓所受的橫向工作剪力為    （5-23

8、） 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=1.11.3。由式（5-24）求得預(yù)緊力Qp，然后按式（5-14）校核螺栓的強度。   

9、0;    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010-0.16有油的加工表面006-010鋼結(jié)構(gòu) 軋制表面，鋼絲刷清理浮銹030-035涂富鋅漆035-040噴砂處理045-055鋼鐵對磚料，混凝土或木材干燥表面040-0452)受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接                      

10、                          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。 圖：  受轉(zhuǎn)矩的螺栓組聯(lián)接   &#

11、160; 采用普通螺栓時，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                     【525】 式中：f接合面的摩擦系數(shù)，見表；  

12、0;  ri第i個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（514）校核螺栓的強度。     采用鉸制孔用螺栓時，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，計算時假定底板為剛體，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，螺栓的剪切變形量越大。如果各螺栓的剪切剛度相

13、同，則螺栓的剪切變形量越大時，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個螺栓和受力最大螺栓的工作剪力，則得             【526】 根據(jù)作用在底板上的力矩平衡的條件得 即           .        &#

14、160;         【527】 聯(lián)解式（526）及（527），可求得受力最大的螺栓的工作剪力為                     【528】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) r1r2rz的關(guān)系以及螺栓聯(lián)接的類型，分別代人式（525）或（528）即可求得。 3)

15、.受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接                                                 

16、;           下圖為一受軸向總載荷FS的汽缸蓋螺栓組聯(lián)接。FS的作用線與螺栓軸線平行，并通過螺栓組的對稱中心O。計算時，認為各螺栓平均受載，則每個螺栓所受的軸向工作載荷為 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                       

17、0;                      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xx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OO傾轉(zhuǎn)一個角度，假定仍保持為平面。此時，在軸線OO左側(cè)，地基被放松，螺栓被進一步拉伸，在右側(cè)，螺栓被放

18、松，地基被進一步壓縮。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p,可查下表。 表:聯(lián)接接合面材料的許用擠壓應(yīng)力p 注：l）s為材料屈服權(quán)限，MPa; B為材料強度極限,MPa。 2）當(dāng)聯(lián)接接合面的材料不同時，應(yīng)按強度較弱者選取。 3）聯(lián)接承受載荷時，p應(yīng)取表中較大值；承受變載荷時，則應(yīng)取較小值    計算受傾覆力矩的螺栓組的強度時，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         

19、0;        【538】 然后接式（519）進行強度計算。 確定螺栓直徑                                     

20、60;  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)，計算出螺栓材料的許用應(yīng)力= s/S。    根據(jù)以下公式計算螺紋小徑d1：             最后按螺紋標準，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

21、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 GB 3098.1-82） 注:規(guī)定性能等級的螺栓、螺母在圖紙中只標出性能等級，不應(yīng)標出材料牌號。 表:螺母的性能等級（摘自GB 3098.2-82）  4.校核螺栓組聯(lián)接接合面的工作能力，是根據(jù)實際情況，對螺栓進行強度校核。5.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：ss螺栓材料的屈服極限； A1螺栓危險截面的面積。式(5-14)松螺紋聯(lián)接強度計算拉伸強度條件為： 【514】  式中：F-螺栓工作載荷，N； &

22、#160;     d1-螺栓危險截面的直徑，mm；       -螺栓材料的許用拉應(yīng)力，MPa. 緊螺栓聯(lián)接強度計算1   僅承受預(yù)緊力的緊螺栓聯(lián)接 拉伸強度條件為： 式中：Qp螺栓所受預(yù)緊力，N 。       其余符號意義同前。    2.    承受預(yù)緊力和工作拉力的緊螺栓聯(lián)接拉伸強度條件為： 式中：Q螺栓總拉力，N 。     

23、  其余符號意義同前。   螺栓總拉力的計算：   Q=Qp+Cb/(Cb+Cm)·F   式中：Cb/(Cb+Cm)稱為螺栓的相對剛度，一般設(shè)計時，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） 020.3 皮革墊片 07 銅皮石棉墊片 08 橡膠墊片 09 疲勞強度計算 對于受軸向變載荷的重要聯(lián)接，應(yīng)對螺栓的疲勞強度作精確校核，計算其最大應(yīng)力計算安全系數(shù)：    式中： s-1tc  螺栓材料的對稱循環(huán)拉壓疲勞極限，M

24、Pa ， s-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，        =0.10.2，對于合金鋼，  =0.20.3； 拉壓疲勞強度綜合影響系數(shù)，如忽略加工方法的影響，則K=k/e，K此處為有效應(yīng)力集中系數(shù)，見表 e 為尺寸系數(shù)，見附表；   S  安全系數(shù)。 螺紋聯(lián)接件常用材料的疲勞極限（摘自GB38-76） 材料疲勞極限（MPa）s-1s-1tc10Q215354540Cr 1602201702202203002503403204401201501

25、20160170220190250240340螺紋聯(lián)接的安全系數(shù) S 受載類型靜載荷變載荷松螺栓聯(lián)接1.21.7緊螺栓聯(lián)接受軸向及橫向載荷的普通螺栓聯(lián)接不考慮預(yù)緊力的簡化計算 M6M16M16M30M30M60 M6M16M16M30M30M60碳鋼5442.52.52碳鋼12.58.58.58.512.5合金鋼5.7553.43.43合金鋼106.86.86.810考慮預(yù)緊力的計算1.21.51.21.5(Sa=2.54) 鉸制孔用螺栓聯(lián)接鋼：Sr=2.5,Sp1.25鑄鐵：  Sp=2.02.5鋼：Sr=3.55,Sp1.5鑄鐵：Sp=2.53.03   承受工作剪力的緊螺栓聯(lián)接 螺栓桿與孔壁的擠壓強度條件為 螺栓桿的剪切強度條件為 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)計時應(yīng)使Lmin1.25d0；