大型電機螺紋連接的擰緊力矩及預緊力計算

張 爽，鄒建華

(1 國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯154002;2 佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

在大型凸極電動機運行過程中，經常會出現如電動機磁極螺栓松動導致磁極與定子相擦、電動機機座與底架螺栓松動造成電機振動增大等等，可見螺紋連接時擰緊力矩和預緊力的計算相當重要，螺紋連接的擰緊力矩和預緊力過小，會給電機運行埋下很大的安全隱患。

在大型電機設計和制造過程中，經常會采用螺紋連接方式，如:電動機機座與底架之間，電機底架與基礎之間，凸極同步電動機磁極的安裝、同步電動機定子沖片裝壓時雙頭螺桿的固定等［1］。當連接的螺紋尺寸較小時可以按照經驗進行手動緊固，但當連接螺紋較大，且屬于關鍵部位連接時，無法手動緊固或手動緊固已不能保證可靠安裝，此時就需要采用專業的扭力扳手，扭力扳手值需根據擰緊力矩和預緊力計算設定。本文就螺紋連接的基本類型，以及螺紋連接的擰緊力矩和預緊力的計算做如下分析。

1 螺紋連接的基本類型［2］

在機械制造過程中，物件與物件常采用螺紋緊固連接，常用的螺紋連接有以下幾種方式

(1)螺栓連接，常用于通孔，損壞后容易更換。根據載荷的不同，螺紋余留長度l1也不同，一般情況下，靜載荷下:l1≥(0.3 ～0.5)d(d 為直徑，下同);變載荷下:l1≥0.75d;沖擊載荷或彎曲載荷下:l1≥d。

(2)雙頭螺柱連接，多用于盲孔，被連接件需經常拆卸時。當被連接件的材質不同時，擰入深度H 也不同，一般情況下，被連接件為鋼或青銅材質時H≈d;鑄鐵材質時H=(1.25 ～1.5)d;鋁合金材質時H=(1.5 ～2.5)d［3］。螺紋余留長度同螺栓連接。

(3)螺釘連接，多用于盲孔，被連接件很少拆卸時。螺紋余留長度同螺栓連接，擰入深度同螺柱連接。

(4)緊定螺釘連接，用以固定兩個零件的相對位置，可傳遞不大的力和轉矩。

2 螺紋緊固件的應力截面積［4］

在計算螺紋預緊力大小時常需用到螺紋緊固件的應力截面積，根據GB/T 16823.1—1997《螺紋緊固件應力截面積和承載面積》，現將常用螺紋的應力截面積摘錄如下

2.1 應力截面積計算公式

應力截面積的計算，見下式。如無特殊要求，取3 位有效數字。

2.2 應力截面積值

M12 ～M64 常用粗牙螺紋(GB 193)的應力截面積(As)值，如表1 所示。

表1 常用粗牙螺紋應力截面積值

3 螺紋連接的擰緊力矩及預緊力計算［2］

3.1 預緊力計算

預緊力的大小根據螺栓組受力和連接的工作要求決定。設計時首先保證所需的預緊力，又不應使連接的結構尺寸過大。一般規定擰緊后螺紋連接件的預緊應力不得大于其材料屈服極限的80%。對于一般連接用的鋼制螺栓，薦用預緊力限值如下

式中，σs—材料的屈服極限，MPa;As—螺紋公稱應力截面積，mm2，具體值參照表1。

3.2 擰緊力矩

絕大多數螺紋連接在裝配時都要預緊，目的在于增強連接的剛性、緊密性、防松能力及防止受橫向載荷的螺栓連接的滑動。擰緊時，扳手力矩T 是用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被連接件(或墊圈)支承面間的端面摩擦力矩T2。

式中，K—擰緊力矩系數，具體值選取參考表2;d—螺紋公稱直徑，m。

表2 擰緊力矩系數K

4 計算實例

以TZYW/TAW 7800-18/3250 同步電動機機座與底架之間的連接為例，具體計算過程如下

已知條件，電動機機座與底架的連接螺栓為:GB/T 5783 螺栓M48×140-DZn 8.8 級 材質:45 鋼碳素鋼［5］

4.1 預緊力的計算

F0=(0.6 ～0.7)δsAs=(0.6 ～0.7)×640×1470=(564480 ～658560)N

式中，δs—材料的屈服極限，δs=640MPa;As查表1可知，As=1470mm2

4.2 擰緊力矩的計算

擰緊力矩系數k 值選取:采用潤滑油采用德萊賽蘭公司推薦的Dow corning G-n 潤滑劑，擰緊力矩系數k 值取0.13。

5 試驗結果

此電機在生產現場整機裝配時，采用扭力扳手對電機的底腳螺栓進行連接，同時對計算出的擰緊力矩值進行驗證:首先，扭力扳手顯示盤上的擰緊力矩值按計算出的范圍平均值約3800N·m設定;然后，采用扭力扳手不斷旋緊底腳螺栓，擰緊力矩逐漸增大，直到達到設定值時，扭力扳手“啪”的一聲，表明旋緊結束;最后，檢查電機機座與底架之間已牢固連接，試驗完成。

此試驗證明，按上述過程計算出的螺紋連接的擰緊力矩值是符合現場安裝要求的。具體設定值如圖1 所示。

圖1 擰緊力矩和預緊力現場試驗時扭力扳手的設定值

6 結語

本文對螺紋連接的基本類型、螺紋連接的擰緊力矩和預緊力計算的計算過程進行了分析舉例，并對計算值進行了現場試驗驗證，以便在電機設計、制造以及用戶現場安裝、維護維修時，給出準確的螺紋擰緊力矩和預緊力，為電機設計人員和相關人員提供參考。

［1］ 楊萬青，陳興衛.電機實用設計技術［M］.北京:機械工業出版社，2014.

［2］ 聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［3］ 交流電機設計手冊［M］.湖南:湖南人民出版社，1978.

［4］ GB/T 16823.1-1997.螺紋緊固件應力截面積和承載面積［S］.

［5］ GB/T 5783-2000.六角頭螺栓 全螺紋［S］.

［6］ 徐德淦.電機學［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［7］ 周順榮.電機學［M］.北京:科學出版社，2002.

［8］ 許實章.電機學下冊［M］.北京:機械工業出版社，1981.1.