YL12型凸緣聯(lián)軸器上連接螺栓的可靠性設(shè)計(jì)

摘要：凸緣聯(lián)軸器的兩個(gè)半聯(lián)軸器靠螺栓連接在一起，螺栓的可靠性對(duì)聯(lián)軸器的工作性能有很大的影響。本文就YL12型凸緣聯(lián)軸器上連接螺栓利用可靠性理論進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，為螺栓的選用和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：凸緣聯(lián)軸器 螺栓 可靠性設(shè)計(jì)

聯(lián)軸器是機(jī)器傳動(dòng)中常用的部件。它主要用來聯(lián)接軸與軸（或軸與其它回轉(zhuǎn)零件），以傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩。凸緣聯(lián)軸器是把兩個(gè)帶有凸緣的半聯(lián)軸器用鍵分別與兩軸聯(lián)接，然后用螺栓把兩個(gè)半聯(lián)軸器聯(lián)成一體，以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。為保證凸緣聯(lián)軸器的正常工作，現(xiàn)就連接兩半聯(lián)軸器的螺栓可靠性設(shè)計(jì)。

1 螺栓的受力分析

設(shè)分布在凸緣聯(lián)軸器上所有的螺栓材料、直徑、長度、預(yù)緊力均相同；螺栓組的對(duì)稱中心與聯(lián)接接合面的形心重合；受載后聯(lián)接接合面仍保持為平面。

螺栓在聯(lián)接裝配時(shí)，螺母需擰緊，在擰緊力矩的作用下，螺栓除受預(yù)緊力F的拉伸而產(chǎn)生拉伸應(yīng)力外，還受螺紋摩擦力矩T的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，使螺栓處于拉伸與扭轉(zhuǎn)的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。聯(lián)軸器在正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)矩T作用在聯(lián)接接合面內(nèi)，采用螺栓桿與孔壁間留有間隙的普通螺栓聯(lián)接時(shí)，主要靠聯(lián)接預(yù)緊后在接合面間產(chǎn)生的摩擦力矩來抵抗轉(zhuǎn)矩 T。

2 失效模式分析

基于以上對(duì)螺栓的受力分析，螺栓在工作過程中可能會(huì)在復(fù)合應(yīng)力下發(fā)生斷裂現(xiàn)象。但對(duì)于M10-M64 普通螺紋的鋼制螺栓聯(lián)接，在擰緊時(shí)雖然同時(shí)承受拉伸和扭轉(zhuǎn)的聯(lián)合作用，但在計(jì)算時(shí)可以只按拉伸強(qiáng)度計(jì)算。

3 對(duì)YL12凸緣聯(lián)軸器上連接螺栓的設(shè)計(jì)過程

YL12凸緣聯(lián)軸器(如圖所示)，用六個(gè)普通螺栓聯(lián)接，螺栓分布在D=100mm的圓周上，若聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩T=1500N.m，螺栓用45號(hào)鋼，聯(lián)軸器本體材料用A3鋼，設(shè)計(jì)可靠度R=0.999時(shí)的螺栓桿徑尺寸。

3.1 常規(guī)設(shè)計(jì)

選螺栓性能等級(jí)為4.6級(jí)，可查得：σS=240Mpa

取S=1.5，f=0.16，KS=1.2，得

（1）

因?yàn)?F′f≥KS R（2）

所以 （3）

（4）

式中：S——螺紋連接安全系數(shù)

f——接合面的摩擦系數(shù)

KS——防滑系數(shù)，KS=1.1~1.3

F′——螺栓預(yù)緊力，單位N

d1——螺栓危險(xiǎn)截面的直徑，單位mm

[σ]——螺栓材料的許用拉應(yīng)力，單位為Mpa

按強(qiáng)度要求d1≥14.573，選取M16螺栓。

3.2 可靠性設(shè)計(jì)

①應(yīng)力均值

σ=DF′/d12（5）

②應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差

Sσ=GF′/d12（6）

式中，D、G為分析螺栓復(fù)合應(yīng)力的兩個(gè)計(jì)算參數(shù)，它們可由第四強(qiáng)度理論得到，計(jì)算式為：

設(shè)螺栓、螺母不作表面處理，無潤滑擰緊，查得：

可求得:

D=1.71，G=0.185

故應(yīng)力均值與標(biāo)準(zhǔn)差可表示為

③由性能等級(jí)及螺栓材料得，σS=240MPa，CσS=0.06，則SσS= 14.4MPa。

可靠度要求R=0.999，查表得[1]：μR=3.1。

建立聯(lián)結(jié)方程:

（7）

求解得:d1=10.686mm。

④按標(biāo)準(zhǔn)及結(jié)構(gòu)要求取d=12mm，即為M12螺栓。

通過上述二種方法的計(jì)算結(jié)果比較可知:常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì)由于安全系數(shù)選取相對(duì)保守，所以導(dǎo)致螺栓直徑相對(duì)較大，造成了結(jié)構(gòu)尺寸的相應(yīng)增大，浪費(fèi)了材料，提高成本;可靠性設(shè)計(jì)能較好地說明螺栓的工作情況，在一定的可靠度要求下能得到相對(duì)較小的結(jié)構(gòu)。

4結(jié)束語

4.1 從實(shí)例的計(jì)算過程可以看出，可靠性設(shè)計(jì)方法將設(shè)計(jì)參數(shù)作為隨機(jī)變量處理，是在確定了產(chǎn)品破壞概率的前提下進(jìn)行的準(zhǔn)確計(jì)算。因此，以概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等作為工具的可靠性設(shè)計(jì)方法，與常規(guī)設(shè)計(jì)方法相比，去除了主觀的人為因素在設(shè)計(jì)過程中的影響，綜合考慮了外界條件變化，設(shè)計(jì)結(jié)果更貼近實(shí)際，故得到了更為廣泛的應(yīng)用。

4.2 將螺栓聯(lián)接可靠性設(shè)計(jì)結(jié)果與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果相比較，證明可靠性設(shè)計(jì)是比較科學(xué)、合理的。

參考文獻(xiàn)：

[1]濮良貴，紀(jì)君剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社，2001.

[2]董玉革.機(jī)械模糊可靠性設(shè)計(jì)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]王啟，王文博.常用機(jī)械零部件可靠性設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[4]曾聲奎，趙廷弟，張建國等.系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004