螺栓疲劳强度计算的再分析

第 卷第 期 年 月 焦 作 矿 业 学 院 学 报 】 刃阅 】 钊 飞 人 抽 螺栓疲劳强度计算的再分析 刘莉莉 张德豫 啊南省平原大学 新乡 加 断乡市乡镇企业技术中心 摘要 在变应力理论的基抽上 , 探讨了辉检疚劳甄度的计算 并分析了各种计算方法的特 点 , 从而优选出 了一种最佳计算方法 。 关健词 螺检疲劳强度 计算方法 中图法分类号 第一作者简介 刘莉莉 , 女 岁 , 讲师 三 一血 比 比 口 职 卜 拌 公, 一 邝觉 钻 , 该 卯 · , ￡ , 三 , 如 飞 三 谈该米谈兴浓滚兴亏荃长兴米亲卒义嵌兴兴浓嵌旁去浓淡冬浓兴关泛浓 班乞长浓之浓沃了义义咨米芥滋谈兴兴玄嵌 兴 在冶金 、 矿山 、 工程 运输等机械设备中 , 承受变载荷的螺栓联接被广泛地应用着 , 因而研究和探讨螺栓疲劳强度是机械设计理论的重要课题之一 一般疲劳强度设计有 两个任务 一是先以静强度确定出零件的初步尺寸 二是对危险部位进行疲劳强度佼核计 算 目前 , 前者已有较完善的设计理论 、 这呈不再赘述 本文着重就后者的计算方法谈谈 自己的拙见 对螺栓疲劳强度校核 , 国内常用的计算方法有三种 ①按变应力的最小应力保持不变 卿“ 一 的应力变化规律计算 ②按应 七幅汁算 ③按变应力的循环特性保持不变 即下 的应力变化规律计算 在现有或工程设计中 , 往往是从上述三种万法 甲任 取一种对螺栓疲劳强度作校核计算 我 一 认为这是欠妥当的 , 因为这三种计算方法的具体公 式是依据变应力理论分别从不同的角度推导得出 。 在推导过程中 , 采用了不同的逻辑思维 方法 , 有时还采用了一些简化手段 , 这样使得推导出的某些公么 本身就具有一定的近似 性 显然 , 对同一螺栓疲劳强度的计算问题 , 若采用不同的方法进行计算 , 所得计算结果 的精确度必定会有差异 所以 , 在不同的使用场合 , 应当有比较地选用不同的计算方法 , 否则就有可能使设计中的偏差影响整个生产系统的正常运行 , 造成巨大损失 本文试图在变应力理论基础上 , 探讨螺栓的疲劳强度计算 , 并对几种不同计算方法的 特点进行分析 , 从而比较出最佳计算方法 , 以便在工 涅设计中正确选用 收稿日姗 珍 ” © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 焦 作 矿 业 学 院 学 报 年 变应力基本理论 在单向稳定变应力作用下 , 零件的极限 应力可以用图 所示的零件极限应力线图来 表示 零件强度计算时所用的极限应力应是 零件的极限应力 曲线 上的某一个 点所代表的应力 对任一工作应力点 万 而 言 , 其极限应力值如何 , 还要取决于该零件 载荷的应力变化规律 零件载荷的应力变化规律通常有三种 ①变应力 的循环特性保持不变 , 即 , 二 , 称简单加载 ②变应力的最小应力保持不 厂厂厂厂 了了了 变 , 即‘ 一 。 ③变应力的平均应力保持 图 不变 , 即‘ 二 二 · 下面简要附述这三种情况下 , 安全系数的计算及强度条件 下 若 , 一 常数 , 见也有 ‘ 一护 一 下 下 常数 即 常数 图 中 , 设 材 点为一 工作点 , 这样过原点的射线 衬 就代表简单加载情况 衬 ,点 假设在 线上 , 以下均 同假设 为工作应力点 甘 按 , 规律变化得到的极限应力点 联解 口汀 及 逆 两直线方程 口 一 丫 少, 丫 叮 丫 三匕丫 ‘ 可求出 瑟 ’点坐标 , , 丫 , 对应于 材 点的极限应力 ‘ 枷 二 丫 一 丫二 丫 口 一 口 一 。 “ 沙, “ 二 口 。 口 一 万 留二二 一 口 。 十 沙, 叮 二 则根据最大应力求得的最大应力安全系数计算值及强度条件为 月 盆曰吕 一 叮 口皿名 , 叮 一 叮 。 价, 口 。 〔 〕 口‘ 二 若二 一 , 则有“ , 故在图 中 , 过工作点 作与横坐标夹角为 。 的直线 ’ , 则此直线上的任何一点应力其最小应力相同 · 即符合‘ 二 一 ‘ 。 “ 二 的加载条件 材 ,所代表的应力就是此情况下计算时应采用的疲劳极限应力 联解 衬 ,和 两直线方程 , 一 叮 二 了 一 叮 月 】口 , 二 丫 犷 丫 代人 , 二 一 “ 二 “ , 可得 ’点坐标 丫 二 , 丫 。 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 期 刘莉莉等 绿栓疲劳强度计算的再分析 根据最大应力求得的最大应力安全系数及强度条件为 口 , 丫 叮‘ 一迎竺一 一止七一一 口 口 。 口 口 , , 一 少。 叮 。 少, 厅 。 口 〔月 〕 口 二 在图 中 , 过工作点 材 , 作纵轴的平行线 材 , , 则此直线上的任何一点应力 , 其平 均应力相同 , 即符合 , 。 一 加载条件 材 ’点所代表的应力就是此情况下计算时应采用的 疲劳极限应力 圈 联解 衬 ,和 两直线方程 丫 二 口 口 , ‘ 。 丫 。 十 妙。 『二 、 可得 万 ’点坐标 丫二 , 丫 根据最大应力求得的最大应力安全系数及强度条件为 , 口 口 , 一 沙 口 , 一 〔 〕 口 口 口 设计计算时 , 对上述三种情况的安全系数校核公式的取舍 , 要根据具体零件中应力可 能发生的变化规律来决定 , 若难以确定应力变化规律时 , 往往采用 下 的公式 螺栓联接承受单向稳定变载荷时的疲劳强度计算 对于承受预紧力和变工作拉力的紧螺栓联接 , 假设加预紧力 尸后 , 承受 一 之间的 变工作拉力 从图 所示的承受轴 向变载荷的螺栓受力情况图可见 , 此情况下螺栓所受的 总拉力在 尸一 凡 之间变化 由图 不难看出 , 当螺栓承受 。一 脉动变化的工作载荷时 , 姗栓内的应力是非对称循环变应力 这是因为虽然外加工作载荷是脉动变化的 , 但由于预 紧力 的存在 , 级栓所受的总拉伸载荷则是在 尸一 凡 之间变化的波动拉伸载荷 , 如果不 考虑螺栓摩擦力矩的扭转作用 , 则螺栓受单向稳定变应力 对于受单向稳定变应力的螺栓的疲劳强度校核计算 , 就可以完全依据上述变应力的基 本理论 至于具体选用哪一种安全系数校核公式 , 首先要看螺栓承受变应力的变化规律如 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 焦 作 矿 业 学 院 学 报 年 何 , 而后再确定之 级栓中总拉力变化 级栓中工作拉力的变化 」 全 一一扮‘气 护入 时间 图 迄今为止 , 对螺栓承受变应力的变化规律的认识已经比较深刻 , 观点 这里 , 我们着重阐述其中的几种 形成了一些较成熟的 第一种观点认为 , 由于“ 二 一 ’令 , 而 ’一 常数 , 则 、一 , 所以 , 螺栓的 疲劳强度按照 。二 一 的情况进行计算 , 即选用公式 校核 · 最大应力安全系数 口 , 。 一 气 口 。 一 妙。 。 口 二 , 〔 〕 满足此条件即为安全 第二种观点认为 , 影响变载荷零件疲劳强度的主要因素是应力幅 , 强度可以按应力幅进行计算 , 即选用公式 〔叮 〕 二 巴一 一 〔 〕 所以 , 螺栓的疲劳 其中 〔。 口 一 〔 〕 满足此条件即为安全 第三种观点认为 , 规律是最简单的加载方式 , 而螺栓受载属较复杂的非对称循 环变载荷 , 计算较为繁琐 由于工程上常采用把较复杂的非对称循环间题简化成对称循环 处理的方法 , 所以螺栓的疲劳强度计算可以按照这种处理方法 , 用 , 规律进行简化计 算 选用公式 作为疲劳强度校核公式 即 一 】 , 口 。 沙。 口 二 妻 〔 〕 满足此条件即为安全 螺栓联接的许用安全系数可以参考表 选取 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 期 刘莉莉等 螺栓疲劳强度计算的再分析 表 峨栓联接承受变载荷时许用安全系数 装配情况 且竺 紧联接 不控制预紧力 一 ‘‘ 合金钥 紧联接 控制预紧力 碳 钢 卜一一 — 一一一一一月 一 , 合金钢 目前 , 在教材或生产设计中 , 一般是任取上述三种方法之一作为螺栓疲劳强度校核计 算依据 笔者认为这三种计算方法 , 应 当做到心中有 数 , 有 比较 、 有分析地恰当选用 下面通过具体实例 , 着重对上述三种计算方法做一 对比分析 实例分析 实例 试设计气缸盖紧螺栓联接 , 如图 示 已 知 气缸工作压力 在 。一 之间变化 , 气缸 直径 , 螺栓为 丘 级的 钢 , 螺栓个 数 , 使 尸 二 , 采用石棉铜皮垫片 , 工作温度低 于 ℃ 。 解 一 计算各力大小 计算每个螺栓承受的最大工作载荷 气缸最大载荷 图 一一 ,‘,‘冬 兀 ‘ 螺栓最大工作载荷 一一 一 一一 则螺栓工作载荷 在 一 之间变化 剩余预紧力 厂 二 二 螺栓最大拉力 二 预紧力 , ’二 。 一 — 二 一 一 许用 拉应力 按控制预 紧力取 安全 系数 〔川 , 查 《机械零件 》知 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 焦 作 矿 业 学 院 学 报 年 口 口 ‘ , 且 〔的 一 〔 〕 二 按静强度计算螺栓尺寸 一 丫 厂 。 派 〔叮 〕 三 螺栓疲劳强度校核 ” 计算各参数 危险剖面积 螺栓受最大应力 口 兀 二 口 二。 一 。 螺栓受最小应力 口 尸 螺栓应力幅 叮 一 口 螺栓平均应力 一 , 叮 , 。 · 。 一 竺竺 一 卫些 士二匕二兰二 兰二二匕 一 查 《机械零件手册 》知 平均应力的折算系数 妙, 一 对称循环 曲疲劳极限 。 一 , 又查知 。 一 · , ‘。 · , 刀二 · 则综合影响系数 」 · , 一一二 二 二 二二 二二二 二 斗 口 ￡, 办 · 朽 一 , · , 疲劳强度校核计算 下面分别用三种方法对该零件进行螺栓疲劳强度校核 第一种方法 依据第一种观点 , 按。‘ 二 规律计算 , 代人公式 , 有 叮 , 一 沙。卜 一。 一 一 气 , 仁。 呱 一 “ , ” · · 满足强度条件 , 安全 第二种方法 依据第二种观点 , 〔口 〕 —口 叮 按应力幅规律计算 , 代人公式 , 有 。 〔 。 〕 。 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 第 期 刘莉莉等 螺栓玫劳强度计算的再分析 二 〔 〕 满足强度条件 , 安全 第三种方法 依据第三种观点 , 按下 叮 一 规律计算 , 代人公式 , 有 , 。 吵。 口 二 二 〔 〕 满足强度条件 , 安全 三种计算结果归纳总结见表 表 三种计算结果归纳 。 按 , 规律校核 最大应力安全系数 不精确 , 月 值 大 使用不安全 结束语 根据以上 比较分析 , 我们不难看出 , 变载荷螺栓疲劳强度设计若按叮 , 规律进行 计算 , 具有足够的精确度 , 所以工程机械设计中应多选用 , 特别是在重要机械设备的设计 中 , 应该采用这种方法 若按应力幅强度条件计算 , 精确度次之 , 但运算上这种方法略 简 , 在一般机械设备设计中可以采纳 若按 , 规律计算 , 值偏大 , 使用不安全 , 所 以应尽量少用 参考文献 淮 良贵主编 机械零件 北京 高等教育出版杜 郑志祥主编 , 机械零件 北京 高等教育出版社 张祖明编著 机械零件强度的现代设计方法 航空工业出版社 机械零件设计手册 冶金工业出版社 〔本文责任编辑 论之均 〕 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net