單個(gè)螺紋牙剪切應(yīng)力計(jì)算應(yīng)用淺析

新疆金風(fēng)科技股份有限公司 周德軍

單個(gè)螺紋牙剪切應(yīng)力計(jì)算應(yīng)用淺析

新疆金風(fēng)科技股份有限公司 周德軍

螺紋連接在工程中被大量使用，是最重要的連接方式之一，其計(jì)算方法也較全面。本文通過(guò)螺紋受損后螺紋安全系數(shù)的計(jì)算，從理論上判斷受損螺紋是否滿(mǎn)足使用要求，如仍能滿(mǎn)足使用要求，則可避免較大的經(jīng)濟(jì)損失。

螺紋 剪切應(yīng)力 主軸法蘭 安全系數(shù)

一、問(wèn)題描述：

某發(fā)電機(jī)上使用的一定子主軸材質(zhì)為QT400-18A，軸工作狀態(tài)為懸臂，承載重量70t左右，法蘭與一底座采用雙頭螺柱連接，螺紋規(guī)格M36，粗牙螺紋，設(shè)計(jì)螺紋旋合長(zhǎng)度為60mm。在實(shí)際加工過(guò)程中由于工人疏忽，將φ39孔深度加工為60mm（原設(shè)計(jì)50mm），導(dǎo)致螺紋實(shí)際旋合長(zhǎng)度縮短10mm，實(shí)際長(zhǎng)度50mm?，F(xiàn)需要判斷螺紋安全系數(shù)，該定子主軸是否滿(mǎn)足使用要求。

二、理論判斷

（1）M36雙頭螺柱擰緊力矩為2050N.m，定子主軸與底座雙頭螺柱連接原設(shè)計(jì)滿(mǎn)足工況要求，在其他零件性狀未發(fā)生變化時(shí)，只需判斷定子主軸螺紋孔受損后能否滿(mǎn)足使用要求即可，故只需計(jì)算M36雙頭螺柱螺母擰緊時(shí)達(dá)到要求2050N.m力矩時(shí)，定子主軸螺紋孔能否承受雙頭螺柱拉力。

（2）對(duì)定子主軸進(jìn)行螺紋校核需要對(duì)螺紋孔螺紋牙強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。螺紋牙強(qiáng)度校核有三種形式，螺紋牙剪切強(qiáng)度校核，螺紋牙彎曲強(qiáng)度校核，螺紋牙擠壓強(qiáng)度校核。

①剪切強(qiáng)度校核。作用于每一圈螺紋上的軸向載荷與螺紋牙沿周向展開(kāi)的懸臂梁根部斷面的剪力平衡，假設(shè)剪切力平均分布在牙根斷面上，強(qiáng)度條件是螺紋牙根所受剪切應(yīng)力小于螺紋材料許用剪切應(yīng)力；

②彎曲強(qiáng)度校核，同樣把螺紋牙展開(kāi)，將其看做在螺紋牙高度中點(diǎn)處受到平均分布力作用下的懸臂梁，故螺紋根部斷面是危險(xiǎn)截面，需要進(jìn)行校核；

③ 擠壓強(qiáng)度。螺紋牙每一圈所受到的擠壓應(yīng)力小于螺紋材料的許用擠壓應(yīng)力。

對(duì)于在鑄件零部件上的內(nèi)螺紋，因栓頭螺柱材質(zhì)強(qiáng)度大于定子主軸材質(zhì)強(qiáng)度，所以主要考慮螺紋牙在受到雙頭螺柱拉力后定子主軸內(nèi)螺紋不被拉出，故需要計(jì)算螺紋牙根的剪切強(qiáng)度。

三、剪切強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算校核

1. 螺紋預(yù)緊力計(jì)算

公式：F=T/(K?d)，

F-螺栓預(yù)緊力，

T=2050N?m，安裝時(shí)對(duì)螺栓施加的力矩

K=09.0，扭矩系數(shù)，（根據(jù)緊固件廠(chǎng)家提供的測(cè)定扭矩系數(shù)，取其中最小值）

d=0.036m，螺紋大徑，

2. 內(nèi)螺紋剪切應(yīng)力計(jì)算

τ-螺紋牙剪切應(yīng)力，

3. 材料的許用剪切應(yīng)力

定子主軸材質(zhì)為QT400-18A，部分力學(xué)性能見(jiàn)表1。

表 1 球墨鑄鐵件力學(xué)性能

根據(jù)VDI 2230標(biāo)準(zhǔn)，材料GJS-400對(duì)應(yīng)國(guó)內(nèi)材料QT 400-18A，許用剪切應(yīng)力取材料抗拉強(qiáng)度的0.9倍，即：

許用剪切應(yīng)力 [τ]=0.9?σb=0.9×370=333MPa ；

比較：

螺紋牙剪切應(yīng)力 τ=231.5MPa＜ 許用剪切應(yīng)力[τ]=333MPa

結(jié)論：定子主軸安全。

四、總結(jié)

（1）該定子主軸經(jīng)過(guò)評(píng)審計(jì)算判斷為合格，自2008年9月裝配、運(yùn)行，至今定子主軸未出現(xiàn)任何異常；

（2）此計(jì)算校核參考了國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果定子主軸合格，如果完全采用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，定子主軸為不合格，從側(cè)面說(shuō)明國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此計(jì)算不夠準(zhǔn)確，材料富余量較大；

（3）螺紋計(jì)算設(shè)計(jì)到的知識(shí)點(diǎn)較多，但均以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，因此在條件允許的情況下，做一定量的實(shí)驗(yàn)取得第一手?jǐn)?shù)據(jù)是必要的。

[1]范厚軍.《緊固件手冊(cè)》.南昌：江西科學(xué)技術(shù)出版社，2004

[2]VEREIN DEUTSCHER.《VDI 2230》，2003年2月

[3]成大先. 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》. 化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2003

book=39,ebook=208