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在回答这个问题之前,首先要明确螺纹连接的定义。螺纹具有紧固连接、传动、密封以及测量等多种功能,其中紧固连接和密封是其最常用的两种功能。我们常说的螺纹连接主要指的是它的紧固连接功能。螺纹紧固连接,简称螺纹连接,是通过螺纹紧固件(包含螺栓、螺母、双头螺柱、紧定螺钉等)将两个或多个零件连接在一起的机械连接方式。其工作原理是,当带有外螺纹的螺栓或螺杆旋入带有内螺纹的螺母或螺孔时,螺纹的牙型相互啮合,通过施加扭矩,使螺纹副之间产生轴向将被连接件夹紧,并通过螺纹副之间的摩擦力实现机械自锁,从而达到紧固连接的目的。
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对螺纹连接施加适当的预紧力除了上述作用外,对螺纹紧固件本身也起到提高抗拉强度和改善疲劳性能的作用。在螺纹连接中,当对螺栓施加预紧力时,螺栓会产生弹性变形并处于受拉状态。根据材料力学原理,材料在弹性范围内,其应力与应变呈线性关系。此时螺栓所承受的预紧拉力会使螺栓内部产生拉应力,这个拉应力在螺栓材料的弹性极限范围内,能让螺栓材料的晶格结构等处于一种“激活”状态,使得材料能够更有效地抵抗后续施加的工作载荷。当工作载荷施加时,螺栓所承受的总拉力是预紧力与工作拉力的叠加,但由于预紧力已经使螺栓处于受拉的“准备”状态,相当于提前发挥了螺栓材料的抗拉性能,所以螺栓能够承受更大的工作载荷而不易断裂。
螺纹连接对预紧力的控制要求相对较高,预紧力过大可能导致螺栓断裂或被连接件变形,预紧力过小则会影响连接的可靠性和稳定性。那么螺纹连接预紧力大小该如何确定?在确定螺纹连接的预紧力时,需要考虑多个方面的因素。
螺栓材料的屈服强度、抗拉强度等力学性能是确定预紧力的基础。屈服强度高的螺栓能承受更大的预紧力,一般为保证螺栓在工作中不发生塑性变形,预紧力产生的应力应在材料屈服强度的一定比例范围内。此外,相同材料的螺栓,规格尺寸和类型不同,其预紧力也有差异。螺栓的公称直径、螺距等尺寸参数影响预紧力,通常,直径越大的螺栓,能施加的预紧力越大,可根据螺栓的横截面积与材料强度来计算允许的最大预紧力;不同类型的螺栓,如普通螺栓、高强度螺栓、自攻螺栓等,其预紧力要求不同,高强度螺栓需要较大预紧力来发挥其高强度性能,自攻螺栓则因连接方式和用途不同,预紧力要求有别。
若被连接件在工作时承受剪切载荷,被连接件接触面之间需要较大的摩擦力以抵抗被连接件之间发生相对滑动,这种情况就必须有足够的预紧力来产生必要的摩擦力。
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考虑到材料的许用应力要求,为了保证螺栓在工作过程中不发生塑性变形,预紧力产生的应力一般应控制在材料屈服强度σs 的一定比例范围内,一般不得超过屈服强度的80%,通常取0.5σs~0.7σs,碳素钢螺栓取0.6~0.7,合金钢螺栓取0.5~0.6。通过螺栓的横截面积,可以根据以下公式计算出预紧力。
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F0 — 预紧力;
σs — 螺栓材料的屈服强度;
As — 螺纹的应力截面积;
d2 — 螺纹中径的基本尺寸;
d1 — 螺纹小径的基本尺寸;
H — 螺纹原始三角形高度(H=0.866025P,P 为螺纹螺距);
螺栓的应力截面积可查下表获得。
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在确定预紧力大小之后,如何对螺纹连接施加设定的预紧力值?显然,是通过控制拧紧扭矩对其施加预紧力。拧紧扭矩 Mt 与预紧力 F0 有如下关系:
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Mt — 拧紧扭矩Nm;
F0— 预紧力N;
d — 螺纹公称直径mm;
K — 拧紧扭矩系数(受螺纹中径、螺纹升角、螺纹当量摩擦系数以及螺母与被联接件支承面间的摩擦系数等多个因素影响),可查下表获取。
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