单位文秘网 2021-07-04 01:00:15 点击: 次
摘 要:介绍了一般螺纹联接预紧力的计算方法和控制方法,并对某爆炸螺栓联接预紧进行了详细分析,总结了非标螺纹联接中控制预紧力的基本方法,供非标螺纹联接实际操作参考。
关键词:预紧力;爆炸螺栓;拧紧力矩
1 引言
预紧能提高螺纹联接的防松能力和疲劳强度,增强联接的紧密性和刚性,从而提高联接的可靠性。一般情况下,使用标准的工具拧紧螺纹联接件时,凭操作者的经验判断拧紧程度即可,但对于关键联接或实现特殊功能的非标准联接问题,往往需要进行具体的分析和精确的计算。根据功能要求正确地进行结构设计,合理地确定预紧力的大小,并采取适当的方法进行控制,来提高连接的可靠性。
2 螺纹联接预紧及其控制方法
2.1 螺栓载荷与变形关系
研究一个受轴向载荷的螺栓联接,先作用预紧力Q,然后承受外拉力F。
螺栓未承受外拉力时,仅受预紧力Q,由于螺栓和被联接件受力后发生弹性变形的原因,螺栓承受外拉力F时的总载荷F"并不等于工作载荷F与预紧力Q之和,而是工作载荷F与残余预紧力Q"之和,如图1所示。
2.2 预紧力的确定
凡承受拉力的螺栓连接,均需要适当预紧以提高连接的可靠性和紧密性。如果预紧力太小,在冲击、振动、变载荷的作用下,会出现联接松动,或者在正常承载情况下接合面出现缝隙。如果预紧力过大,螺杆静载荷增大,导致联接强度降低,甚至在拧紧时就被拉断。
一般规定螺纹联接的预紧应力σp不超过螺纹联接件材料屈服极限σS的80%;航空航天工程中按σp≈0.35σS控制。有关确定预紧力大小的螺纹联接设计准则:
a.对于按强度条件(不变形、不断裂)设计的螺栓,应保证螺栓承受工作载荷时的应力小于螺栓材料的许用应力;b.对于受横向载荷,接合面不允许相对滑动的联接,要求预紧力要足够大,以靠摩擦传递横向力;c.对于受轴向载荷,接合面不允许出现缝隙的联接,要求残余预紧力Q">0,一般按下面条件确定Q。
2.3 拧紧力矩与预紧力的关系
2.4 控制预紧力的方法
螺纹联接的预紧方法要根据行业特点、工程规模、螺纹联接结构形式等来合理选用,“感觉法”主要依赖于操作者的经验,简单、经济但不可靠;“力矩法”普遍使用于一般重要联接,精度较高;“力矩-转角法”适用于自动化大量装配场合;“测量螺栓伸长法”使用费时、费用高,用于特殊要求场合;“螺栓预胀法”用于汽轮机等热力机械。
不同应用场合对螺纹联接预紧力精度的要求也有不同,一味追求高精度是不经济的。航空工程中的一般连接采用“感觉法”即可满足设计要求,重要的连接部位广泛采用“力矩法”——根据预紧力Q与拧紧力矩M的关系确定拧紧力矩,借助测力矩扳手或定力矩扳拧紧。
3 爆炸螺栓联接预紧力控制
某系统的伞舱-伞筒连接/分离机构(两套)采用了四枚爆炸螺栓。为达到高分离可靠性和低分离冲击,该螺栓的设计强度受到严格限制,并且在使用过程中处于高应力状态。该螺栓原设计轴向拉断力为600kgf,在地面试验阶段多次出现“拧断”问题。为确保飞行试验阶段的连接可靠性,经计算分析,将该螺栓设计轴向拉断力提高到1500kgf,并采用“力矩法”对联接预紧力进行控制,较好地解决了这一问题。
3.1 爆炸螺栓轴向载荷
根据伞筒在伞舱内的安装结构设计,爆炸螺栓仅承受轴向拉力。在最大偏航角速度下,伞筒相对伞舱会产生较大的离心加速度;所以确定“最大偏航角速度情况”为爆炸螺栓的最大受力情况,此时离心加速度为:an=l·?棕2
式中:an-离心加速度;l-旋转半径;ω-最大偏航角速度。
根据系统参数1和ω得出an=9.4g,则离心力F=m·an。
按m=40kg,得F=376kgf,单个爆炸螺栓承受的最大拉力N=F/2=188kgf。
3.2 预紧力的确定
爆炸螺栓受伞筒在飞行中产生的交变载荷,为确保伞筒在伞舱内的安装刚性,必须按伞舱-伞筒接合面的紧密性条件来确定Q,取预紧系数ν=3.0,则Q=νN=3×188=564kgf。可见,预紧力已十分接近原设计的拉断载荷,加之螺栓杆在拧紧过程中受拉扭复合应力作用,在与预紧力相对应的拧紧力矩下就很容易被“拧断”。
3.3 拧紧力矩的确定
根据改进后的爆炸螺栓及其联接结构的有关参数,按前面介绍的拧紧力矩计算公式可得拧紧力矩M=7.12N·m;使用定力扳手按7 N·m进行连接工艺控制,最终保证了该重要连接的可靠性。
4 结论与建议
对于非标设计,其螺纹联接预紧一般采用感觉法,由具备相应资质和具有实际操作经验的操作人员来保证;对于重要联接则宜采用“力矩法”,由设计/工艺人员提出具体的预紧装配技术要求,采用定力矩扳手来完成。对需要精确控制的的螺纹联接件,可以按照螺纹联接的实际使用条件进行实验,得到拧紧力矩与预紧力的对应关系,并据此确定拧紧力矩,必将大大提高对预紧力的控制精度。
参考文献
[1]姚兆生.机械零件强度计算手册[M].北京:机械工业出版社,1987.
[2]郝桐生.理论力学[M].北京:高等教育出版社,1990.
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