承壓設(shè)備用螺紋副旋合長(zhǎng)度確定方法探討

徐樹林, 牟力波, 劉艷鵬 ,焦剛毅

(1. 哈電集團(tuán) 中央研究院；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150028)

0 概 述

承壓設(shè)備中，螺紋副連接如下面圖1～圖6，現(xiàn)在需要明確螺柱與螺母連接的承載能力多大，滿足設(shè)計(jì)所需軸向壓緊力所需要旋合的長(zhǎng)度是多少？螺柱與種植部位連接的承載能力值，以及旋合長(zhǎng)度應(yīng)該設(shè)計(jì)成多少合適？

1 螺紋副受力分析

見圖1，螺紋副力N假設(shè)作用在連接副的中徑圓旋合線上，該作用力分解成沿螺柱的軸向力F和徑向力G。軸向力F 是連接副有用的力，G是沒有作用的內(nèi)力。F力對(duì)于螺柱，有2個(gè)指標(biāo)制約，1是螺柱的最小直徑處，不管是螺桿還是螺紋處其直徑最小處會(huì)限制F 的大??；2是螺柱的剪切力，它的抗剪切的力會(huì)制約這個(gè)F值的大小。對(duì)于螺母及種植螺紋的內(nèi)螺紋區(qū)域，其旋合區(qū)的抗軸向剪切力也會(huì)限制F值的大小。P-螺距。

圖1 螺紋副受力分析示意圖[2]

2 連接副僅需要螺柱軸向拉力F時(shí)合理確定螺柱直徑及旋合長(zhǎng)度

2.1 如果螺母上緊用扳手則螺柱的最小直徑處的軸向拉應(yīng)力值如下：

(1)

有(1)式可推出螺柱需要的最小直徑：

(2)

F——螺栓軸向應(yīng)力值；

σ——螺柱最小直徑處的軸向拉應(yīng)力值；

[σ]——螺柱材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力值；

d1——螺柱根徑或者是最細(xì)光桿的最小直徑值。

式(1)中的系數(shù)1.3是克服扳手扭矩所需要的螺柱直徑的裕量值，占30%；(2)式計(jì)算所得到的直徑是最小值，設(shè)計(jì)要適當(dāng)考慮5%以上的安全裕量。

2.2 如果螺母上緊用液壓拉伸器則螺柱的最小直徑處的軸向拉應(yīng)力值如下：

(3)

相應(yīng)的所需要的螺柱最小直徑值如下：

(4)

式(3)中的系數(shù)1.1是克服液壓拉伸器載荷所需要的螺柱直徑的裕量系數(shù)值，占10%；(4)式計(jì)算所得到的直徑是最小值，設(shè)計(jì)要適當(dāng)考慮5%以上的安全裕量。

2.3 計(jì)算螺柱需要的旋合長(zhǎng)度值

依據(jù)參考資料[2]可以獲得內(nèi)、外螺紋的旋合長(zhǎng)度值。

螺柱螺紋抗剪應(yīng)力面積[3]：

Asa=π(1/P)(LEb)(D1max)·

(5)

Asa——外螺紋的最小螺紋剪應(yīng)力面積；

P——螺距；

LEb——螺柱的旋合長(zhǎng)度；

D1max——內(nèi)螺紋最大小徑；

D2min——外螺紋最小中徑。

螺紋的抗剪強(qiáng)度是0.5[σ][3]，依據(jù)此限制有下式成立：

F=Asa·0.5[σ]

(6)

(5)和(6)聯(lián)立得外螺紋螺柱需要有效的旋合長(zhǎng)度：

(7)

上面公式(7)表達(dá)了滿足連接副螺柱所需要的軸向拉伸力所需要的有效旋合長(zhǎng)度的最小值。

螺母或者種植體內(nèi)螺紋抗剪應(yīng)力面積[3]：

Asn=π(1/P)(LEN)(dmax)·

(8)

Asn——內(nèi)螺紋的最小螺紋剪應(yīng)力面積；

LEN——螺母的旋合長(zhǎng)度;

LEH——種植體的旋合長(zhǎng)度;

dmin——外螺紋最小大徑；

D2max——外螺紋最小大徑；

(6)和(8)聯(lián)立得內(nèi)螺紋螺母或者種植連接的內(nèi)螺紋需要的有效旋合長(zhǎng)度：

(9)

上面公式(9)表達(dá)了滿足連接副所需要的軸向拉伸力螺母或者種植連接的內(nèi)螺紋所需要的有效旋合長(zhǎng)度的最小值。

螺紋連接副需要的旋合長(zhǎng)度是組成連接副的內(nèi)外螺紋所需旋合長(zhǎng)度的大者，最終這旋合長(zhǎng)度與螺紋連接副的連接結(jié)構(gòu)有關(guān)系。

2.4 實(shí)際選擇的旋合長(zhǎng)度的確定

旋合長(zhǎng)度值，要依據(jù)具體結(jié)構(gòu)而定。分下面的(a)、(b)、(c)3種情況。

(a)螺柱和螺母的連接

圖2 螺紋副連接中螺柱與螺母的連接結(jié)構(gòu)示意圖

上面連接中螺柱的軸向力是已知的，螺柱直徑也是依據(jù)所需要的軸向壓緊力計(jì)算并采用的。

其旋合長(zhǎng)度要依據(jù)螺柱及螺母的大者確定，螺母的有效旋合長(zhǎng)度是螺母厚度值減去螺母兩端面的倒角量2h=2x1.1x3/8P(單側(cè)的倒角一般是半個(gè)螺紋齒，即是3/8P見圖1,注：1.1是本案給出的裕量值)，再減去螺母兩側(cè)1.0P(P-螺距)的無效螺牙量，單側(cè)考慮0.5P,還有與上緊方式相對(duì)應(yīng)的裕量系數(shù)，并考慮適當(dāng)?shù)陌踩Ａ俊?/p>

(b)種植螺柱與種植內(nèi)螺紋的連接，且兩被連接面被螺柱壓緊，如下面圖3的連接，種植內(nèi)螺紋被

圖3 螺紋副連接結(jié)構(gòu)示意圖

連接件的下表面壓緊，這種情況下從連接面起始的2.0 P(P-螺距)，這部分視為薄弱連接區(qū)域，出于保守的思想視為無效旋合長(zhǎng)度，再考慮上緊方式相對(duì)應(yīng)的裕量系數(shù)的量，并考慮適當(dāng)?shù)陌踩Ａ俊?/p>

(c)種植螺柱與種植內(nèi)螺紋的連接，且兩被連接面沒有被螺柱壓緊，分開一定的間距。

設(shè)置成圖4的連接，種植內(nèi)螺紋沒有被連接件的下表面壓緊，而是離開一定的距離b，這種情況下，從種植體表面起始在4.0 P(P-螺距)的區(qū)域視為無效連接區(qū)域，再考慮一定的安全裕量。

圖4 螺紋副連接結(jié)構(gòu)示意圖

如果設(shè)置成下面圖5的結(jié)構(gòu)，未攻絲的深度L不大于4.0 P，從種植體表面起4.0 P視為無效區(qū)域；如果未攻絲的深度大于4.0 P，其旋合長(zhǎng)度不需考慮加4.0 P，但需要考慮種植體表面單側(cè)的倒角深度值，以及無效的0.5 P螺牙的量,其它仍同上。

圖5 螺紋副連接結(jié)構(gòu)示意圖

3 舉例說明

圖6 法蘭用螺紋副連接結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 校核螺柱根經(jīng)尺寸

螺柱必須是滿足軸向拉伸應(yīng)力的基礎(chǔ)上來研究旋合長(zhǎng)度的，此螺柱螺母上緊采用液壓拉伸器，其螺柱根徑按下式校核：

(10)

F——螺柱軸向拉力。

依據(jù)圖6，選用M64X3螺柱的光桿最細(xì)根徑是58 mm,依據(jù)上面公式(10)的計(jì)算，螺柱滿足強(qiáng)度校核。

3.2 螺柱螺母連接副旋合長(zhǎng)度計(jì)算及確定選用尺寸

需要的螺柱最小旋合長(zhǎng)度：

=30.9 mm

(11)

D1max=60.782 mm;

d2min=62.017 mm;

F=480990 N；

P=3 mm。

需要的螺母最小旋合長(zhǎng)度：

=40.7 mm

(12)

dmin=63.315 mm;

D2max=62.081 mm;

F=480990 N;

P=3 mm。

螺柱螺母連接的螺紋副結(jié)構(gòu)尺寸的確定依據(jù)(11)和(12)式，螺柱螺母連接的旋合長(zhǎng)度應(yīng)不小于下面(13)式的計(jì)算值。

LE=1.1×max{LEb,LEN}

=1.1×40.7=44.8 mm

(13)

注：上式中的1.1是克服液壓拉伸器載荷所需要的螺柱直徑的裕量系數(shù)值。

參考液壓拉伸器用高壓設(shè)備用螺柱的標(biāo)準(zhǔn)給出螺母的厚度值是76 mm。有效旋合長(zhǎng)度為：

LE=76-2x0.5P-2x1.1X3/8P

=76-2x0.5x3-2x1.1x3/8x3=70.5 mm

(14)

70.5>44.8安全。

3.3 螺柱與種植體連接副旋合長(zhǎng)度計(jì)算及確定選用尺寸

需要的種植體螺紋旋合長(zhǎng)度：

=41.7 mm

(15)

dmin=63.315 mm;

D2max=62.081 mm;

F=480990 N;

P=3mm。

螺柱與種植體連接的螺紋副結(jié)構(gòu)尺寸的確定依據(jù)(11)和(15)式，螺柱與種植體連接需要的旋合長(zhǎng)度應(yīng)不小于下面(16)式的計(jì)算值。

LE=1.1×max{LEb,LEN}

=1.1×41.7=45.9 mm

(16)

注：上式中的1.1是克服液壓拉伸器載荷所需要的螺柱直徑的裕量系數(shù)值。

圖6給出的螺柱與種植體連接的旋合深度為105.7 mm(種植螺紋的倒角深度2.8 mm),有效旋合長(zhǎng)度為：

LE=105.7-2X0.5P-4.0P=105.7-2X0.5x3-4.0X3=90.7 mm

(17)

90.7>45.9安全。

4 承壓設(shè)備中選擇種植體材料的建議

種植體材料應(yīng)和螺柱材料有適當(dāng)?shù)钠ヅ洌鼈儍烧卟牧系膹?qiáng)度級(jí)別相差不能太多，多少比較合適呢？

看本案3的實(shí)例計(jì)算結(jié)果，一般的螺柱與螺母有效旋合長(zhǎng)度是0.8D(D-螺紋副連接的公稱直徑)就足夠了，盡管是滿應(yīng)力狀態(tài)也是安全的；種植體螺紋最大的旋合長(zhǎng)度不推薦大于1.5D[4],則有下面的約等式成立：

LEH/LEb≈1.5/0.8=1.875

(18)

LEH——計(jì)算需要的種植體旋合長(zhǎng)度；

LEb——計(jì)算需要的螺柱的旋合長(zhǎng)度；

看本案的公式(7)及公式(9)，其旋合長(zhǎng)度與其許用應(yīng)力近似呈線性反比例，因此有下式成立：

(19)

設(shè)計(jì)者選擇種植體材料時(shí)應(yīng)盡量接近螺柱的材料，兩者材料確定級(jí)別差距過大有可能造成有螺紋先行損壞的危險(xiǎn)，也可以考慮改變螺柱的材料來實(shí)現(xiàn)希望的目的.

5 承壓設(shè)備中選配標(biāo)準(zhǔn)螺母的建議

HG/T20592、20615-2009給出了緊固件的選配規(guī)定，螺母厚度有近似0.8 D(D-螺母的公稱直徑)和1.0 D兩種；本案建議在容器設(shè)備的公稱壓力達(dá)6.4 MPa及以上的法蘭連接螺母以及其它結(jié)構(gòu)性連接，當(dāng)螺柱工況處在滿應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，選用1.0 D的標(biāo)準(zhǔn)螺母。

GB以及JB標(biāo)準(zhǔn)的法蘭參照HG/T20592-2007即可。

6 結(jié) 語

承壓設(shè)備中，在確定螺母厚度時(shí)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)件厚度；在螺柱滿應(yīng)力工況時(shí)選用1.0 D的螺母更有安全裕量；

螺紋副連接的旋合長(zhǎng)度內(nèi)，其軸向抗剪切的力一定要大于螺柱根徑抗軸向拉力；

螺母與種植體材料許用應(yīng)力的比不大于1.875。

非標(biāo)準(zhǔn)螺紋連接設(shè)計(jì)可以參考本案方法確定旋合長(zhǎng)度。