超高压力液压螺母的设计计算

超高压力液压螺母的设计计算 第29卷第8期 2008年8月 煤矿机械 CoalMineMachine: V01.29No.8 Aug.2008 嚼设计?计算鄙 超高压力液压螺母的设计计算 赵贯喜,黄玉果 (1.山东煤矿安全监察局,济南250031;2.山东科技大学,山东泰安271021) 摘要:基于大螺栓联接使用中预紧力不足而导致联接失效的问题,提出并设计了一 种超高 液压螺母;对螺母体,活塞体及紧圈等主要组成件进行了结构设计和强度计算,介 绍了色标位置的 确定,并探讨了组合密封问题. 关键词:液压;螺母;联接 中图分类号:TH137.5文献标志码:A文章编号:1003.0794(2008)08—0001—03 Ultra—highPressureHydraulicNutDesignandCalculation ZHAOGuan—xi,HUANGYu—gud (1.BureauofShandongCoalMineSafe~Supervisory,Jinan25O031,China; 2.ShandongUniversityofScienceandTechnology,Tai'an271021,Chian) Abstract:BasedontheuseOftheboltconnectioninadequatepreloadlinkfailurecausedthepr oblem,andto designasuper— highhydraulicnut;ofthenut,andthetightcircleofdetroitandothermajorcomponentsof thestructuraldesignandstrength,acolor— locationsettingisintroduced,andtoexplorethecombinationof sealingproblem. KeyWords:hydmulic;nut;connection 0引言 螺栓联接被认为是机械可拆联接的最主要形 式,而普通螺栓联接特别是大螺栓联接,如采煤机各 部联接螺栓,通风机与机架或基础联接螺栓,起重机 机械底座及各部联接螺栓,金属井架与基础及各部 联接等,螺栓的主要失效原因在于预紧力不足而引 起的.因此如何解决预紧力不足已成为亟待解决的 问题,而液压螺母的出现为解决这些问题提供了很 大的便利与可能. 1设计要求与原始参数的给定 液压螺母主要应用于大螺栓联接,在采煤机各 部间的连接等处,还受到空间狭小的限制,因此所设 计的螺母体积应尽可能地小,为此应选择超高油压 并选用高强度塑性材料制造. 设计原始参数:油压P=160MPa,螺栓M36×4. 2基本结构与原理 (1)液压螺母结构 液压螺母结构如图1所示. 图1液压螺母装配示意图 1.螺母体2.密封圈3,活塞体4,紧圈 (2)工作原理 如图1所示,被联接螺栓螺纹部分与螺母体联 接,螺栓大头位于紧圈右侧,被连接件位于紧圈与螺 栓大头问.工作时,先人工将螺母旋紧,并使紧圈位 于右侧;然后使液压油从A口进入,通过液压油的 压力对活塞体和螺母体作用,牵动螺母体1向左移 动,将螺栓拉长,当色标露出时(此时标志预紧力已 达到)应迅速旋紧紧圈4,使紧圈端面靠在螺母体 上,泄去油压,螺栓紧固完毕;拆卸时顺序相反. 3主要结构件的设计 3.1螺母体设计 3.1.1螺母体结构及材料选择 选取螺母体材料为:40CrMnMo,曲服强度极限 =785MPa. 3.1.2径向尺寸的选择 (1)活塞体内径尺寸D的确定 初选内侧壁厚t=8一(t螺母体内孔与活塞 体间壁厚),活塞体内径 D1=d+2t=52mm (2)活塞体外径尺寸D的确定 预紧力 Fo=KAa:319746N 取K=O.6,A=678.8眦Tl2; 由(D;一D2)p>IFo带人数据得 ——1—— Vo1.29N..8超高压力液压螺母的设计计算__==二壹!笠一一箜鲞箜塑 D2t>72.41Tlln 取整D2=731Tlln (3)螺母体外径尺寸D的确定 初选外侧壁厚t:=10mm,则螺母体外径 D3:D2+2t2=931Tlln 3.1.3强度验算' 轴对称应力拉密解 :一 害?三{q一{__;q()r一a—u Q=一 专/_q一qb(2)一a—_==_丽 根据第四强度理论得 = ?1)+(.)+()]< (3) (1)Pb环的强度验算 外环 口:— D2 :36.51Tlln口.3 b:D3 :46.5mm q=160MPa,qb=0MPa 考虑到r=口时取得最大应力,代入式(1),式 (2)得 :一一0:一1600"rqMPa一a一一M =一=一673QqM一a一M r,Q0 这里 1:0MPa,2=一160MPa,3=一673MPa 带入式(3)得 0"rd4=608<[] 强度满足要求. (2)内环的强度检算 由内环尺寸得 口=罢=181Tlln口== b:D1 :261Tlln q:0MPa,qb=160MPa 考虑到r=口及r=b时,均有可能出现最大应 力值,故应分2种情况进行校验: ?当r=口时,由式(1),式(2)得 =0一qb=0MPa .=0一专/_g=一614MPa 显然 1=0MPa,2=0MPa,3:一614MPa 代入式(3)得 rd4=614~<lJ 强度能满足要求. ?当r=b时,g=0,gb=160MPa,代入式(1), 式(2)得 =一160MPa aQ=一454MPa rQ0 此时 1=0,2=一160MPa,3=一454MPa 由第四强度理论得 0"rd4=400MPa~<lJ 强度满足要求. 3.1.4轴向尺寸及注油孔的确定 (1)注油孔的确定 考虑到流量,加工等因素并参照国家,选取 油孔直径为61Tlln,油孔与油源用螺纹联接. (2)轴向尺寸的确定 由前述尺寸并考虑加工制造从左侧起确定螺母 体轴向尺寸如下: ?螺母体左端面余量尺寸L.=2mm; ?从注油孔左壁至螺母体左端面的尺寸Li= 10mm; ?油孔尺寸L:=6mm; ?从油孔右壁至活塞腔左端面间尺寸L=6irma; ?活塞体最大行程L=10mm; ?活塞体有效导向长度L=61Tlln. 则螺母体轴向长度 L=L0+1+2+3+4+L5=401Tlln 螺母体结构与总体尺寸如图2所示. 图2螺母体 3.2活塞体设计 3.2.1材料选择 考虑工作条件,活塞体材料选择40CrMnMo. 3.2.2尺寸确定 (1)径向尺寸 一 箜竺鲞箜垒塑塑壶匡速匡堡堡丝篁=壑重塞:笠::垒 由前面计算结果知:活塞体内径为52inin,外径[]——螺纹牙的许用弯应力,取[]一 [1]. 为73nlino (2)轴向尺寸 考虑到紧圈自身及一定旋合长度,取活塞体螺 纹部分的长度L=20inin,则活塞体总体轴向尺寸 L=L1+L6=30rain. 3.2.3色标位置的确定 由文献I-3-1有公式 s= E0.Lt +)(4) :— 生(5)巾一r'\',, (Kl+KM)tg 代人数值可得色标位置. 计算确定的活塞体结构及主要尺寸如图3所示. ◎ 图3活塞体 3.3紧圈的设计 3,3.1材料及螺纹选择 选择40CrMnMo紧圈.考虑到紧圈的锁紧作 用,选择细牙三角螺纹M73×2,外圆周滚花. 3.3.2轴向尺寸的选择 (1)最大旋合长度 根据已知数据,由文献[23得最大旋合长度 =28l'nlll (2)最小旋合长度的确定 最小旋合长度的依据 r= 1--1 ?(6) :?[Gw](7)k——?lj(7) , ~dzb2 式中P——最大轴向载荷,N; 6——螺纹牙根的宽度,普通螺纹b=0.87t; —— 螺纹牙的公称工作高度,mm; z——旋合圈数; —— 螺距,mm; [r]——螺纹牙的许用剪应力,最大应力 [r]==314MPa; [w]_[0"1]===654MPa 由文献[3]知,k=0.56,h=1.083mill 将数据代人式(6)得zI>0.46 将数据代入式(7)得z?0.4 综合考虑,取z=5 故最小旋合长度 ,=zt=10i/lin 确定紧圈的尺寸:紧圈宽b=12rain,紧圈直径 d=85mm;:设计所得紧圈如图4所示. ?图4紧圈 3.4密封圈设计 由文献E31【可选取外径D=73mm;断面直径d =2mm,d=59.9mm;宽度b=6mm的非标准组合 特制密封圈,基本结构如图5所示. 图5密封圈 4结语 超高压力液压螺母充分利用了螺纹的联接与液 压动力能提供大的预紧力的特点,具有体积小,操作 简单,防松性能好,能提供大的预紧力等优点,在煤 矿及建筑等存在大螺栓紧固联接场合,有大的使用 价值和广阔的发展应用前景. 参考文献: [1]雷天觉.新编液压工程:[K].北京:北京理工大学出版 社,1998. [2]东北工学院.机械零件设计手册[K].北京:冶金工业出版社, 1979, [3]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2OO1. [4]章宏甲,黄谊.液压传动[M].北京:机械工业出版社,1997. 作者简介:赵贯喜(1967一),山东莱芜人,高级工程师,1990年 毕业于原山东矿业学院机械工程系,现在山东煤矿安全监察局鲁中 煤监分局从事煤矿安全监察工作,已发表论文多篇,电子信箱:zhaogx @sdcoa1.gov.cn. 一 3一 收稿日期:2008.01.21