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足使用要求，如仍能滿足使用要求，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)螺紋旋合長度為60mm。在實(shí)際加工過程中由于工人疏忽，將φ39孔深度加工為60mm（原設(shè)計(jì)50mm），導(dǎo)致螺紋實(shí)際旋合長度縮短10mm，實(shí)際長度50mm。現(xiàn)需要判斷螺紋安全系數(shù)，該定子主軸是否滿足使用要求。

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）對定子主軸進(jìn)行螺紋校核需要對螺紋孔螺紋牙強(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，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)對螺栓施加的力矩

K=09.0，扭矩系數(shù)，（根據(jù)緊固件廠家提供的測定扭矩系數(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對應(yīng)國內(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)過評審計(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)算校核參考了國外標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算結(jié)果定子主軸合格，如果完全采用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，定子主軸為不合格，從側(cè)面說明國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對此計(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》.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》. 化學(xué)工業(yè)出版社，北京，2003

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