鋁合金內膽端部螺紋強度校核

摘要:現有鋁合金內膽的設計、制造、檢驗還沒有相應的國家標準和行業標準，通過對此類內膽端部螺紋的強度校核方法進行了分析、論證和對比，確定合理的計算方法。

關鍵詞:內膽 螺紋 強度校核 計算方法

0 引言

國際上航空航天、消防救助和民用等諸多工業領域使用的儲氣瓶，正朝著工作壓力高，儲氣量大并且更加安全可靠的方向發展。纏繞氣瓶作為國內外儲氣瓶的先進科學技術，較好地滿足氣瓶發展的需要。鋁合金內膽作為纏繞氣瓶的內襯，同普通的鋼質內膽相比減輕了氣瓶的重量，此外，鋁合金固有的氧化膜使該內膽具有較強的耐蝕性，延長了氣瓶的使用壽命。

目前對該產品還沒有相應的國家標準和行業標準，只有各企業制定的企業標準，企標中未能對內膽端部螺紋的強度提出明確計算方法。為了保證安全，端部螺紋的強度需要進行校核計算。本文針對鋁合金內膽端部螺紋的強度校核給出了3種計算方法。

1 計算方法簡介

1.1 方法1

鋁合金內膽端部內螺紋和螺塞外螺紋的旋合情況見圖1，計算取值見圖 2。根據螺紋聯接章節中螺紋牙強度校核的計算公式，內、外螺紋計算公式分別如下:

(1)

(2)

其中，[τps] =0.5Rps (3)

[τp] =0.5Rp (4)

式中:τ內、τ外為螺紋承受的內、外切應力，MPa;

[τps]為瓶閥螺塞螺紋許用切應力，MPa;

[τp]為內膽端部螺紋許用切應力，MPa;

Rps為瓶閥螺塞材料的抗拉強度，MPa;

Rp為內膽材料的抗拉強度，MPa;

F為最大軸向載荷，N;

kz為載荷不均系數;

z為旋合螺紋牙數;

d1為外螺紋小直徑，mm;

D為內螺紋大直徑，mm;

d為螺紋公稱直徑，mm;

b為螺紋牙根部寬度，mm;

h為螺紋牙工作高度，mm;

普通螺紋的螺紋牙根部寬度b=0.87P(P為螺距)mm。

將式(1)～式(2)變化后得出內、外螺紋計算公式:

πDbz[τp]≥F(5)

πd1bz[τps]≥F(6)

當內膽端部開口處的內螺紋為直螺紋時， 直螺紋不少于6個螺距，并且在纏繞氣瓶試驗壓力下，剪切安全系數不低于10，螺紋必須貫通整個膽頸，嚙合緊密。可以理解為:計算的切應力至少為纏繞氣瓶水壓試驗壓力的10倍，即F=10PhA。由此得出內、外螺紋強度校核公式如下:

kzπDbz[τp]≥10PhA (7)

kzπd1bz[τps]≥10PhA (8)

式中:Ph為纏繞氣瓶水壓試驗壓力，MPa;

A為內膽端面內螺紋開孔受壓面積(取內螺紋的大徑)，mm2。

可以看出，式(7)～式(8)均和載荷不均系數kz有關。而對于大直徑的螺紋，kz并不十分準確，所以式(7)和式(8)的計算結果為近似結果。內膽與瓶閥螺塞螺紋緊密嚙合，故而不考慮載荷不均情況，認為內膽與瓶閥螺塞連接載荷均勻分布。kz取值1，簡化計算公式。

1.2 方法2

校核纏繞氣瓶在最小安全系數(即氣瓶爆破壓力與工作壓力之比)的情況下，內膽端部螺紋是否安全。試驗壓力為5/3倍設計工作壓力，氣瓶的最小安全系數(爆破壓力與工作壓力之比)為3.4。

螺紋強度校核公式參見式(1)～式(8)。

1.3 方法 3

計算依據: ①螺紋切應力許用值一般取0.5倍的抗拉強度值[4~5]。②根據內膽端部螺紋的受力狀況和強度校核的原理，取內膽端部開口處為直螺紋時，計算的切應力至少為纏繞氣瓶水壓試驗壓力的10倍。

由此得出，螺紋的強度校核必須同時滿足下列公式:

0.5RpASn≥10PhA (9)

0.5RpsASs≥10PhA(10)

式中ASn為內膽端面內螺紋的最小切應力面積，mm2

ASs為螺塞外螺紋的最小切應力面積，mm2。

A為內膽端面內螺紋開孔受壓面積(取內螺紋的大徑)，mm2。

根據螺紋切應力面積計算公式計算ASn、ASs。該公式整理后，去掉每寸牙數的概念，可以得到:

(11)

(12)

式中:D1max為容器殼體兩端頸部內螺紋最大小徑

D2max為容器殼體兩端頸部內螺紋最大中徑

Dmin為螺塞外螺紋最小大徑

d2min為螺塞外螺紋最小中徑

Le為螺紋旋合長度mm

P為螺紋的螺距mm

α為螺紋的牙形角(° ) 。

內膽嘴部內螺紋和螺塞外螺紋的旋合情況和計算取值見圖 3 ，且有以下關系式成立:

(13)

(14)

由式(9)～式(12)及圖3可以看出，①ASn、ASs的計算公式中表達了不同牙形角內膽斷面內螺紋和螺塞外螺紋準確的剪切力受力點和受力面積。②剪切力的計算公式對螺紋直徑大小均適用，不受螺紋直徑的限制。

2 三種方法比較

2.1相同之處 ①三種計算方法均對內膽端面內螺紋所受的切應力和螺塞外螺紋所受的切應力給出了計算公式。②計算原理相同，即內膽(或瓶閥螺塞)材料的許用切應力×剪切面積≥10×纏繞氣瓶水壓試驗壓力×軸向受力面積

2.2 不同之處

2.2.1 載荷不均系數的使用及其受d/P的影響不同 方法 1和方法2中公式計算的螺紋剪切力和載荷不均系數 kz有關，載荷不均系數與d/P有關。kz越大，受載荷不均的影響越小。反之，kz越小，受載荷不均的影響越大。對d/P≥16的公稱直徑較大的螺紋，沒有給出kz的數值或范圍。聯接螺紋為銅、鋁合金配合時，kz的值在《機械設計手冊》中未提供。內膽與瓶閥螺塞螺紋緊密嚙合，不考慮載荷不均情況，認為內膽與瓶閥螺塞連接載荷均勻分布。kz取值1，簡化計算公式。

方法 3中公式計算的螺紋剪切力和載荷不均系數無關，不涉及載荷不均的問題。并且剪切力的計算與d/P值無關，剪切力的計算不受螺紋公稱直徑、螺距和兩者比值的限制。

2.2.2 受剪面直徑的取值方法不同 方法1和方法2中，內螺紋剪切力計算式中的受剪面直徑取為內膽端面頸部內螺紋大徑D，外螺紋剪切力計算式中的受剪面直徑取為螺塞外螺紋小徑d1， 是一種近似的受力面的取值方法;

方法3中內螺紋剪切力計算式中的受剪面直徑取為螺塞外螺紋最小大徑Dmin，外螺紋剪切力計算式中的受剪面直徑取為內膽端面頸部內螺紋最大小徑D1max，其取值是實際受力面直徑的精確取值。

2.2.3 牙受剪寬度取值方法不同 方法1和方法2中，牙受剪寬度為螺紋牙根部寬度b，亦為近似受剪面，其取值也為近似值，普通螺紋的螺紋牙根部寬度b=0.87P;方法3中，內膽端面頸部內螺紋每個牙的受剪寬度

螺塞外螺紋每個牙的受剪寬度

牙的受剪寬度的取值 b和 b1為牙的實際受力面寬度的精確計算值。b和螺距、外螺紋最小大徑、內螺紋最大中徑以及螺紋牙形角有一定的關系。b1則和螺距、內螺紋最大小徑、外螺紋最小中徑以及螺紋牙形角有關系。

3 結語

通過對3種螺紋強度校核計算方法的分析可以看出，計算方法 1和方法2是一種近似的方法，受載荷不均系數的影響，存在著許多不確定因素。同時對于大直徑的螺紋，載荷不均系數的取值難以確定，所以對大直徑的螺紋和d/P值較大的螺紋不推薦使用此方法。計算方法3不受載荷不均系數的影響，只和內螺紋、外螺紋的實際尺寸以及牙形角等參數有關系，同時公式中反映的是螺紋實際的受剪面和受剪點，計算內螺紋和外螺紋的切應力面積非常準確，并且不受螺紋直徑大小的影響，對于所有直徑的螺紋均適用。

綜合所述，式(9)～式(12)是內膽端面螺紋強度校核計算比較準確、合理的方法，更適用于實際工程計算。

參考文獻:

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