螺纹连接厚垫圈结构的设计原理...

导读

作者:沈锐华 (郑州宇通重工有限公司)

来源:《工程机械》2012年12月

摘要:工程机械某些部位存在采用比标准垫圈厚度大 10 倍以上厚垫圈的螺纹连接结构,简称 为厚垫圈结构。对比讨论螺纹连接普通结构与厚垫圈结构两种结构状态下,螺栓、连接板、厚垫圈的 所受轴向预紧力与变形之间的函数关系。借助螺栓和被连接件受力与变形关系坐标图,定量讨论厚 垫圈结构相对于螺纹连接普通结构的螺栓变形能增量 ΔT,从而得出厚垫圈结构能有效地提高连接 的防松能力和增加结构可靠性的结论。提出设计选择厚垫圈毛坯的钢材牌号和工艺方案设计时,应 主要考虑钢材价格和机械加工工艺切削性能两方面的利弊。

    螺纹连接是机械中最常用的结构连接形式,但 在工程机械中,某些部位的螺纹连接采用比标准垫 圈厚度大 10 倍以上厚垫圈,本文称之为“厚垫圈结 构”,如旋挖钻机的履带底盘与回转支承连接处、桅 杆拼接等处。厚垫圈结构往往有以下几个特点:连 接用的螺纹公称直径 d 一般比较大,如 M24,M27, M30;厚垫圈内径为 d+1,外径与同规格螺纹配套的 GB/T95 垫圈外径相仿,一般为 1.8d~2.0d;厚垫圈高 度 H 与连接板厚度相等,一般为 2d~3d,为避免安 装时发生干涉,也有取 1d 左右的。某型号旋挖钻机 实际采用的厚垫圈结构如图 1 所示。

螺纹连接厚垫圈结构的设计原理...

    螺纹连接普通结构(以下简称“普通结构”)最常 见的形式有两种,其一,螺栓穿过被连接件 (连接 板),用螺母紧固连接;其二,螺栓穿过被连接件,与机体(机架)螺孔旋合紧固。连接时可用,也可不用平 垫圈。本文以普通结构第一种形式且不使用平垫圈 状态为例,阐述普通结构与厚垫圈结构的特点,并分 析两种结构在预紧力作用下螺栓、连接板与厚垫圈 的受力与变形关系,厘清两种结构的设计原理。1 普通结构预紧 普通结构预紧后的示意图如图 2 所示[2]。图 2中 LK1 为被连接件即连接板的高度;Da1 是预紧力对连 接板的紧固作用直径,德国资料参考文献[2]图示的 螺栓为圆柱头,笔者认为对于螺纹连接常见结构 Da1应是螺栓六角头部或螺母与连接板接触面的最大 尺寸,即六角形的对角尺寸 e;DB 为连接板通孔直 径;d 为螺栓公称直径,AS1 为公称直径截面积,LS1 是 光杆长度;d1 为外螺纹小径,AS2 为公称应力截面积, LS2 是连接板通孔里螺栓的丝杆长度。螺栓连接细长 比是指螺栓贯穿连接板的长度与螺纹公称直径的 比值,图 2 所示的螺栓连接细长比为 LK1/d。

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    为简化计算,假设:对连接板的压缩变形仅均 匀地存在于连接板通孔 DB 与环状当量外径 DT1 之 间的受压环状当量截面积 AT1 范围以内[2];拧紧螺纹 副时,螺栓受扭转产生剪切应力的可能性不予考 虑;并假设螺栓所受预紧力 FV、外载荷 FB 均为单纯 的轴向力,相应使螺栓只产生拉伸变形 δS。

    图 2 中的受压环状当量截面积 AT1 的计算公式 为[2]:

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2 厚垫圈结构预紧 

    在普通结构上安装内孔为 DB,外径为 Da2,高度 为 H 的厚垫圈,再用加长的螺栓紧固后即为厚垫圈 结构,如图 3 所示。

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    在预紧力 FV 作用下,被连接件的变形量 δT3 为 轴向串联的连接板与厚垫圈变形量之和,按虎克定律为:

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式中:CT21 为厚垫圈结构的连接板刚度;CT22 为厚垫 圈刚度。

2.1 连接板刚度 

    CT21 连接板被厚垫圈和螺栓六角头“一面大一面 小”夹紧,对于这种夹紧状态参考文献[2]既没给出 连接板环状当量外径 DT 与受压环状当量截面积 AT 的计算公式,也没给出其刚度 CT21 的数学表达式。连 接板刚度主要与其厚度、材料性质等有关,也与夹 紧它的螺纹紧固件接触面大小有关。图 2 与图 3 两 种结构连接板的厚度、钢材牌号、热处理状态等都 没变化;夹紧连接板的一面为螺栓六角头没有变 化,仅是另一面从螺母换成了厚垫圈。因此,可推 断:两种结构的连接板受压状态应十分接近,它们 的刚度也近似相等,即 CT21≈CT1。

2.2 厚垫圈刚度 

    CT22 厚垫圈被螺母、连接板夹紧,其受压的环状当

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    式(11)与式(7)相比较,存在以下因素:1)连接 板、厚垫圈包括螺栓都是钢制零件,它们的弹性模 量 ET1、ET2 及 ES 应 为 钢 的 弹 性 模 量 E (2.0×106 kg/cm2 );2)与材料相关系数 X 均为 10;3)设计已 取 LK1=H。所以两式相等:CT22=CT1,即厚垫圈刚度 CT22 与普通结构连接板刚度 CT1 相等。

    众所周知,2 个等刚度 C 的弹簧并列受压力 F 作用时变形各为 δ;当它们轴向串联仍受压力 F,则 变形为 2δ,此时相当于 2 个弹簧的总刚度为 C/2。 
    因此,合理设计厚垫圈内外径、高度等相关尺 寸,在预紧力作用下,被连接件(连接板与厚垫圈) 产生弹性变形 δT3 的状态基本上相当于 2 个等刚度 弹簧轴向串联受压状态;被连接件的总刚度 CT2 也 相当于“1 个弹簧”刚度的一半。 
    将 CT1≈CT21,CT1=CT22 代入式(8),可得到下式:

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    粗略分析螺栓受力与变形情况,应得出以下结 论:因为厚垫圈结构的螺栓连接细长比增加一倍,螺栓变形量也近似增加一倍,则下式成立:

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3 两种结构受力与变形关系坐标图 
    图 4 是表示螺栓和被连接件受力与变形关系坐标图。

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3.1 普通结构预紧状态坐标图 

    图 4 的△OA1C1 是反映普通结构预紧时螺栓和 连接板受力和变形关系的坐标图[3]。其中△OA1B1 反 映螺栓受力与变形关系,预紧力从 O 沿纵坐标向上 增大到 Q,拉伸变形从 O 沿横坐标 OB1 呈直线变 化。螺栓刚度 CS1 符合角度 α1 的正切规律,即:

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    △C1A1B1 反映连接板受力与变形关系,预紧力 从 O 沿纵坐标向上增大到 Q,因是压缩变形,反映 变形量大小的方向与拉伸变形相反,从 C1 沿横坐标 C1B1 呈直线变化。连接板刚度 CT1 符合角度 β1 的正切规律,即:

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3.2 厚垫圈结构预紧状态坐标图 
    图 4 的△OA2C2 是反映厚垫圈结构预紧时螺栓 和被连接件受力和变形之间关系的坐标图。其中 △OA2B2 反映螺栓受力和变形关系。加长的螺栓刚 度 CS2 符合角度 α2 的正切规律,即:

螺纹连接厚垫圈结构的设计原理...

    式(24)证明了:厚垫圈结构“在拧紧螺纹连接 件时,为了保证达到与螺纹公称直径相适应的紧固 力矩和预紧力,装配时要多拧几下,需要多消耗一 点变形能”[1]。 
    拧紧螺纹连接的紧固件,会增强结构的承载能 力,但是拧紧程度应适当。因为螺纹连接结构预紧 后可能还要继续承受轴向载荷,所以选择螺纹紧固 力矩时要让螺栓在承受设计规定的预紧力外,还应 有继续承载轴向拉力增量的空间。4 结论 
(1) 螺纹连接紧固时,螺栓受力所产生的弹性 变形量与其所承受的预紧力成正比。厚垫圈结构因 螺栓贯穿连接板和厚垫圈,比普通结构的长度加 长,刚度减小,装配时需多拧转螺纹副,产生足够的弹性变形量,消耗更多的螺栓变形能,预紧力才会 与普通结构的预紧力相等。承载时外载荷就需要多 做功,抵消全部的螺栓变形能,螺纹副才会松动。当 厚垫圈高度 H 与连接板厚度 LK1 相等时,厚垫圈结 构连接的防松能力基本上能提高一倍,有效地增加 了结构的可靠性。 
(2) 连接板与厚垫圈在连接结构中都是被连接 件,它在结构中起承压作用,它既无强度要求,也不 需要热处理。因此,厚垫圈外形尺寸确定后,选择厚 垫圈毛坯的钢材牌号和工艺方案设计时主要应从钢 材价格和机械加工工艺切削性能两方面来考虑。 
    目前大多数厚垫圈设计采用 45 号钢或 40Cr 调 质处理,笔者认为这是一种高成本工艺方案。调质 是为了充分提高中碳钢(包括中碳合金钢)材料机 械性能的一项热处理工艺,主要用于对受拉、受弯 受扭工况有强度要求的零件,而对受压件的厚垫圈 却毫无作用;虽可相应改善毛坯的机械加工切削性 能,但调质显然成本太高。此时若采取正火,既可改 善中碳钢的切削性能,工艺成本又远比调质便宜, 应是相对合理的设计选择。 
    厚垫圈毛坯选用 Q235(A3)棒料,价格最低,但 切削性能差,特别是加工内孔比较费时、麻烦。选用 20 号无缝厚壁钢管,它与中碳合金钢棒料两者每吨 价格基本相当,当外径和长度相同时,钢管毛坯比 棒料毛坯轻,成本略显便宜,且与 Q235 同为低碳钢 范畴,切削性能差不多;但是当内外径尺寸合适时, 可实现少、无切削加工,符合低碳节能环保要求,综 合考虑选用钢管相对最为合理。

参考文献:

[1] 沈锐华. 试论两种设计结构的工作原理[M].工程机械, 2010(11):12-14.

[2] Wilhelm Dax,Nikolaus Drozd,Wolf-Dieter Glaeser,et al. Tabellenbuch fuer Metalltechnik [M].Hamburg:Handwerk und Technik-Hamburg,2001. [3] 成大先.机械设计手册:第 2 卷[M].第 5 版.北京:化学工 业出版社,2008.

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