Ⅰ类隔爆型电气设备螺纹紧固件的设计.pdf

第3 6 卷第1 2 期 煤 矿 安 全 2 0 0 5 年1 2 月 试 验 研 究 I 类隔爆型 电气 设备螺纹紧 固件 的设计 范光 。 刘 晓波 ， 徐仁 恕 ， 刘明志 I ． 煤炭科科研 究总院 抚顺分 院， 辽 宁 抚顺 I 1 3 0 0 1 ； 2 ． 抚顺煤矿 电机厂 ， 辽宁 抚顺 I 1 3 0 0 8 ； 3． 铁 法 堞 业 集 团公 司 机 械 制 造 公 司 ， 辽 宁 调 兵 山 I 1 2 7 0 0 摘要 通过 对螺 纹 紧 固件 的 受力 、 工作 载荷 、 许 用应 力 、 刚性 系数 、 预 紧 系数 及 预 紧力等 五 方 面 的分析 ， 为 I 类 隔爆 型 电 气设备 螺 纹 紧 固件 的设计 提供 了依 据 。 关键 词 隔爆 型 ； 紧 固件 ； 爆 炸压 力 ； 设计 中图分 类号 T D 6 8 4 文 献标 识 码 A 文 章编 号 1 0 0 3 4 9 6 X 2 0 0 5 1 20 0 0 4 0 4 De s i g n o f Thr e a d Fa s t e ne r of I s t y l e Fl a me pr o of El e c t r i c a l App a r at u s FA N Gu a n g ， LI U Xi a ob o ， XU Re ns h u ， LI U Mi n gz h | j F u s h u n B r a n c h of C C RI ， F u s h u n C o a l Mi n e E l t r i c Ma c h i n e F a c t o r y， F u s h u n l 1 3 0 0 8， C h i n a ； Ma c h i n e B u i ld i n g C o mp a n y o f Ti e f C o a l Gr o u p， Di a o b i n g s h a n 1 1 2 7 0 0， Ch i n a Ab s t r a c tAn a l y z i n g t he 5 a s p e c t s o f t h r e a d f a s t e n e r u nd e r s t r e s s ， wo r ki ng l o a d， p e r mi s s i bl e s t r e s s， f a c t o r o f r i gi d i t y， f a c t o r o f pr e t i g ht e ni n 8 a n d p r e t i gh t e ni n g f o r c e， t O pr o v i de b a s i s f o r d e s i gn o f t hr ead f a s t e ne r of I t y p e fla me pr o o f e l e c t r i c a l a pp a r a t u s ． Ke y wo r d sfla me pr o o f ； t hr ead f a s t e ne r； bu r s t i n g p r e s s u r e； d e s i g n 隔爆型电气设备 中， 紧固件不仅直接影响外壳 的强度 ， 平面接合面情 况下连接螺栓还是构成具有 严格要求 的隔爆间隙的重要保证 ； 对于 I 类设备 ， 尤 其是 采煤 工作 面设 备 ， 由于 产 品几 何 体 积 所 受 到 的 限制 在很 大程 度 上制 约 着 对 于 紧 固 件 规 格 的选 择 ， 因而也使得 紧固件于 产品安全性能 的影响愈 加突 出 ， 在 设计 中必 须予 以充 分注 意 。 1 螺纹 紧 固件的 受力 分析及 强 度计 算 隔爆型设备中所使用的紧固件一般均应施加适 当的预紧力 ， 以保证被连接件之间可靠夹紧。 一 般 情 况 下 ， 隔爆 型 电气设 备 中 的 紧 固件 主 要 承担 由于预紧安装而施于螺杆上的轴向载荷。在预 紧力 QP 的 作用 下 螺 栓 伸 长 而 被 连 接 件 受 到压 缩 ， 因为 螺栓 联接 中各 零件 的应力 水 平须 在材 料 的 比例 极限内， 故螺栓杆与被联接件所承受的应力 与相应 的变形 量 之 间应 保 持线性 关 系 ， 亦 即 n C b 常数 b n C 常数 m 式中 ， 分别为在 预紧力 Q。的作用下螺 4 栓的伸长或被联接件的压缩量； Cb ， C 螺栓杆 与被联接件的刚度 ， 即产 生单 位 变形 所需 的力 。 用 于隔爆 型设 备 的 紧固件 在计 算其 强度 时还 必 须考虑壳内压力的影 响， 即还应计入壳 内可燃性气 体引燃情况下 ， 内部瞬间爆 炸压力所施于紧 固件上 的外 加 载荷 即工作 载 荷 。 这 样 ， 紧 固件 在 预 紧 的状 态 下 再 受 到外 加 载荷 的作用 ， 将在原有伸长的基础继续伸长至 b △ ； 而 原来受 到 压缩 的 被 联 接 件 将 因 此 得 到 相 应 的 松 弛 ， 亦即其压缩量 减少 至 一△ 。因为只要 被联 接件未被完全松弛 ， 紧固件的伸 长量与被联接件的 压缩量之和就应为一常值。由于被联接件之间压缩 量的减少 ， 其 间所承受的压力 由原来 的 Q。 减少至 Q。 。作 用于 螺栓 上 的 总拉 伸 载 荷 应等 于 上 述 外加 载荷 F与残余预紧力之和 Q F Qp r F Q 一 赢F r ． Q F F 维普资讯 第3 6 卷第1 2 期 煤 矿 安 全 2 0 0 5 年1 2 月 式 中 iQp预紧力 与工 作载 荷之 比 ，被称作预紧系数； 的值 与 紧 固件 与被 联 接 件 刚 度 比 例有关 ， 又称作刚性系数。 根据螺 栓 杆所 受 的最 大拉 力 Q。的值 ， 既 可 确 定 指定 螺 栓 横 截 面 所 承 受 的拉 应 力 d的值 。 由于 在拧 紧螺栓 时 ， 螺 杆 还 要 受 拧 紧力 矩 的作 用 而 产 生 的剪应力 r T ， 按第四强度理论得出的螺杆的等效应 力 及 强度条 件应 为 O c a J 6 3 Z “ T 考 手 1 L m 3 [ 譬 t g a ≤ [ d ] 1 1 式 中 a 螺 纹 升角 ； 三 角 形的 当量摩 擦 角 a r c t a n f v ； 三角 形螺纹 的 当量摩 擦 系数 fv 0 ． 3～ 0． 4 d1 螺 纹 内径 ； d2 螺 纹 中径 ； [ ] 许 用拉 应力 。 从 上 面公 式 中可 以看 出 ， 预 紧 螺 栓 所 承受 的 等 效拉应力远大于工作载荷所施加的载荷 ， 其增大的 倍 数 ， 即后 面 根 式 的值 ， 主要 取 决 于 预 紧 力 的 大小 ， 并和紧固件与被联接件的材料性质以及螺纹参数有 关 。 简 化公 式表示 为 实 际上 ， 对 于 一般 的 I 类 隔爆 型设 备 ， 在 产 品装 配过程中紧固件并不承受工作载荷 ； 而在正常工作 期 间 ， 设 备虽要 求能 够 承受 内部爆 炸 压力 ， 但对 于 紧 固件 却没 有 了 只 有在 螺 栓 装 配 时 才 会 遭 遇 扭 矩 作 用 ， 因而公式 1 显 然 是 考 虑 了紧 固 件 最 复 杂 的应 力 状况 。 2工作载 荷 的计算 产 品设 计 阶段 ， 工 作 载 荷 可按 内部 爆 炸 压力 为 1 ． 0 MP a计 算 。该 数 值 是 GB 3 8 3 6 ． 22 0 0 0规 定 的 ， 对 I 类 及 ⅡA、 ⅡB类 隔爆 型设 备 当因外 壳 太 小 而不能测定参考压力 时以及不可能用 动压法 时， 外 壳静压试验的试验压力值。在 I 类隔爆 型设备外壳 耐压 试 验 的 出厂 试 验 项 目中 ， 企 业 一 般 均 采 用 1 ． 0 MP a 的静 压试验法。但 出厂 试验 目的仅在于考核 外壳的耐压能力 ， 标 准规定对构成外 壳的每一部件 可单独进行试验 ， 并不牵涉 紧固件。紧固件 只有在 外壳耐压的型式试验中须与外壳一起经受检验。但 在型式试验 中， 无论是采用动压法还是静压法 ， 其压 力值 均采 用参 考 压 力 的 1 ． 5倍 ， 实 际上 大多 远 小 于 1 ． 0 MP a 。工 作载 荷按 内部爆 炸 压力 为 1 ． 0 MP a 计 算应 该 是足 够安 全 的。 工 作载 荷 F 可按 下式 计算 F 式 中 P 壳 内压力 ； S 承压 的计算 面积 。 对于圆 形法 兰 S手 2 对 于矩 形 盖板 S A Z 1 B Z 2 D2 凸缘外 径 ； D 凸缘 内径 ； A 盖 板 内缘宽 度 ； B 盖 板 内缘长 度 ； z 1 宽度方 向凸缘单边宽度 ； z 2 长 度方 向凸 缘单边 宽 度 ； 紧 固件数 量 。 3 许用 应 力 螺栓 的许 用 应力 与材料 、 制 造 、 结 构 及载荷 性 质 等因素有关。对于一般机器中受拉应力的预紧螺栓 联接 ， 当工作载荷为静载荷或接近静载荷时 ， 许用拉 应力 [ ] 为 [ ] 式 中 螺 栓材 料 的拉伸 屈服 极 限 ； k 安 全 系数 。 其值可根 据螺栓的公称直径及材料按 表 1查 得 。 在 GB 3 8 3 6 ． 22 0 0 0 1 0 ． 6条规定 ， I 类外壳用 来 把 门 、 盖 和堵 板 紧 固在 外 壳 上 的 紧 固件 应 符 合 GB 3 8 3 6 ． 1特殊 紧 固件 的要 求 ， 因此 螺 栓应 符 合 G B ／ T 5 7 8 2 、 GB ／ T 5 7 8 3的要求 ， 内六 角螺 钉应 符 合 G B ／ T 7 0的要 求 。不 特 别说 明时 ， 这 三 种 钢 质 紧 固 5 维普资讯 第3 6 卷第l 2 期 煤 矿 安 全 2 0 0 5 年1 2 月 件强度等级均是 8 ． 8级即屈服强度为 6 4 0 MP a 。 表 1 轴向静载荷时确定螺栓许用应 力的安全 系数值 除表注外 。 摘 自机械设计手 册 螺栓载荷情况 安全系数 k 不预紧 简化计算 预 紧 非简化计算 1 ． 2～ 1 ． 7 一M 。 6 。 ⋯ 。 M 6～ M 1 6 M 1 ～ M 3 0 M 3 0～ M 6 0 碳素钢 5 ～4 4 ～2 ． 5 2 ． 5 ～2 合金钢 5 ． 7 ～5 5 ～3 ． 4 3 ． 4 ～3 控 制预紧力时 1 ． 2 ～1 ． 5 不控 制预 紧力时 取值 与简化 计算时 相同 注 简化计算时 ， 不 计算公 式 1中后 面 根式 的值 ，即拉 应力 直接按下式求 出并增加安全系数的值 一 有 q - d 的手册 中写作 4刚性 系数 的取 值 刚 性 系数 可 通过 计 算 或 试 验方 法 确 定 ， 不 需 要 精确 计算 时也 可查 表选 取 。 机 械设计 手册 列 出的 刚性 系数 取值 见如 表 2 。 表 2刚性 系数 K 值 联接型式 连杆螺栓 钢板联接 金属垫 或无垫 钢板联接 皮革垫 钢板联接 铜皮石棉垫 钢板联接 橡胶垫 0． 2 0． 2～0． 3 0． 7 0． 8 0． 9 按 I 类 隔爆 型 设 备 中紧 固件 的 工 作 实 际 情 况 ， 刚性 系数 可查表 取 0 ． 2 ～0 ． 3 ， 推 荐选 0 ． 3 。 5预 紧 系数 的确 定及 预 紧力控 制 5 ． 1 预 紧 系数 的 确 定 工程中所使用的紧 固螺栓 ， 多数都须加预紧力 ， 从 而在 被联接 件 间产生 一定 大小 的夹 紧力 。安装 时 预 紧力不 足 ， 可能 导致 结点 松脱 或有 损密 闭性 ， 这 一 点对 于 隔爆型 设备 为保 证隔爆 间隙 可能 有更 重要 的 意义。预紧力不足还可能引起螺杆 弯曲 ， 从而影响 螺栓 的强度性 能 ； 当为 变 化 载 荷 时 也 会 产 生 循环 特 性 的不利 变化 ， 降低 其疲 劳强 度 。此外 ， 在 被 连接 件 可能遭 受横 向 冲击 的情 况 下 ， 如 使 用 中竖 直 安装 的 接线 盒盖 板 ， 足 够 的预 紧力 还 是 保 证 螺 纹 紧 固 件免 6 受横 向剪切破坏的重要条件。 预紧系数的确定原则是保证紧固件在工作载荷 的作用下 ， 其残余 预紧力仍能使螺栓正 常实施紧 固 作 用 。对 于 重 要 的和 要 求 紧 密 的 联 接 应 取 Q。 1 ． 5 ～1 ． 8 F； 对 于一 些不 太 重要 的联 接 场合 ， 可取 Q。 0． 2 F。 针对隔爆型设备外壳紧固件 的以下 3种负荷情 况对残余预紧力的要求分别进行讨论 1 设 备 承受 外 壳 耐 压 试 验 时 。试 验 结 果 只要 外壳未发生损坏、 外壳及接合 面的任何部位均没有 永久 变形 即为合 格 。此 时 对 螺 栓 只 考 虑 紧 固作 用 ， 残余 预 紧 力 取 下 限 Q。 0 ． 2 F。试 验 压 力 按 规 定 为参 考压力 的 1 ． 5倍 ， 因而 得 出紧 固件 轴 向 总载 荷 Q Q F1 ． 2 F。进 而计 算 出 预 紧 力 Q 及 预 紧系数 K 分别为 r ． Qp Q 一 F 1 ． 2 F 一0 3 F 0 9 F n K 。 0． 9 r 2 对 于 止 口隔 爆 面 内 部 点 燃 不 传 爆 试 验 时 。 紧固件 同样 只需 考 虑 紧 固作 用 ， 即 可取 Q。 为 工作 载 荷 的 0 ． 2 ， 但 不 传爆 试 验 时试 验 压 力 仅 为 耐 压 试 验 时 的 0 ． 6 7倍 亦 即 工 作 载荷 为耐 压 试 验 时 的 1 ／ 1 、 5 ， 因而可算 出 Q 0． 6 7 F 0 ． 20． 6 7 F 0． 8 0 4 F Q。 0． 8 0 4 F 一 0 ． 3 0 ． 6 7 F 0． 6 0 4 F K。 0． 6 04 3 内部点 燃 不传 爆 试 验 时 对 于平 面 隔爆 面 紧 固件 时 。这 时 因为要 保证 接合 面 间 隙符合 规定 的要 求 ，螺栓应 为紧密联 接 。残 余 预 紧 力 Q。 应 为相 应 于不 传爆试 验 工作 载荷 F 的 1 ． 5倍 ， 亦 即 Q。 1 ． 5 0 ． 6 7 F F 从 而得 出 Q F 0． 6 7 F 1 ． 6 7 F Q。 1 ． 6 7 F 一 0． 30． 6 7 F 1 ． 4 7 F K 。 1． 4 7 上 述 分析 表 明 ， 考 虑平 面结 构 时 螺 栓 承受 最 大 轴 向负 荷强度 是在 不 传 爆 试 验 时 为 1 ． 6 7 F； 考 虑止 口隔爆 结构 时是在 设备 承受 耐压 试验 时 为 1 ． 2 F。 根 据上 述 预 紧 系数 的 选取 原 则 及 分 析结 论 ， 在 紧 固件 的设 计 时考 虑最 大 负 荷 强 度 的情 况 ， 预 紧 系 数按 残余 预 紧力 为工作 载荷 的 0 ． 7倍 考 虑 ， 即 Q。 0 ． 7 F 维普资讯 第3 6 卷第1 2 期 煤 矿 安 全 2 0 0 5 年1 2 月 可计算 出 Q 0． 7F F 1 ． 7 F Qp 1 ． 7 F 一0． 3 F 1 ． 4 F K 。 1． 4 0 ． 7倍残余预紧力选取 的道理还在于 除了平 面结 构 的接 合 间 隙 因素 之外 ， 矿 用 隔 爆 型 产 品所 面 临的工况条件及严格的安全要求 ， 保持设备外壳整 体性 的意 义同样 不 容 小 觑 ， 因 此 既 便 是 止 口结 构 的 紧固件也不宜选取残余 预紧力 的下 限， 况且 同样规 格 的螺 栓 安装于 不 同的 位置 要 求 不 同 的预 紧 系数 ， 也比较难于控制 。同时一个合适 的预紧力也是对保 证 螺 栓防松 能力措 施 的一种 补充 ； 此外 ， 对 于 I 类 隔 爆型产 品各外壳部件之间的接合面并不需满足密闭 性要求 ， 对于平面结构 ， 标准允许其间有一个不大于 0 ． 4 mm 的火 焰 通 道 。0 ． 7倍 工 作 载荷 的 残余 预 紧 力 也足 以保证 在 内部爆 炸压 力作 用下 紧 固件 结点处 仍能 保持 紧密 贴合 ， 没有 必 要 按 照 对 压 力 容 器 的要 求选 取更 高 的预 紧系数值 。 由于预 紧力 不足 ，螺杆 因壳 内压力 的 伸长 量 只 有在 拉伸 载荷过 大或 者螺 杆相 对较 长 时才 会对 隔爆 间 隙造成 影响 。 比如 ， 当拉 应力 达 到 I 类 设 备 所 采 用 的 紧 固件 屈服 强度 d 0 ．2 6 4 0 MP a ， 螺 杆长 达 5 0 mm 时 ， 按胡 克定律可以算出其弹性变形应变 e及螺杆的绝对伸 长 △ e 3． 1 1 1 0_ 3 0 6 x 1 0 1 2 ． 1 ’ 一 AI e l 3． 1 1 1 0 3 5 0 0．1 6 mm 如果长 度减 至 2 0 mm， A I 将 只有 0 ． 0 6 2 mm。 5． 2预 紧力的控 制 。 预紧力 可 以通 过拧 紧螺 栓时 所施 加 的扳 手力矩 大 小进 行控 制 。扳 手力 矩 T 用 于 克 服 螺 纹 副 的磨 擦力 矩 T1 及 螺 栓端 面 与 被联 接 件 支 承 面 的 磨擦 力 矩 丁2 。 T T1 Tz KQ。 d 1 0 N mm 2 式中d螺纹公称直 ， mm； Q。 预 紧力 ， N； K 拧 紧力矩 系数 ， 一般 在 0 ． 1 ～0 ． 3范 围 内变 动 。 正确确定与控制预紧力是保证螺纹联接紧固可 靠 的关 键 。 比较 而 言 ， M 1 2以下 的小 规 格 螺 栓 ， 更 容易由于控制不力受到伤害。隔爆型设备的外壳强 度是保证产品防爆性能的重要环节 ， 尤其必须对紧 固件的预紧力实施控制。控制措施中， 工程实践上 最方 便 易行 的 方法 就 是 控 制 螺 栓 或 螺 钉 的 拧 紧 力 矩。不过 ， 使用计算的拧紧力矩值时必须十分当心， 因 为 由选定 的扭矩 值所 产生 的实 际轴 向预 紧力 直接 依赖 于接 触面 的摩 擦 力 ， 甚 至还 包 括 紧 固 件与 被 紧 固件 间的 啮 合 精 度 ， 未 必 与 计 算 选 定 的 参 数 一 致 。 所 以制 造 厂有必 要 根 据 自己的产 品加 工 实 际 情况 ， 摸索经验以确定最佳的拧紧力矩值 ， 并将信息传达 给用 户 。 本文主要探讨 I 类隔爆设备中的螺纹紧固件强 度设 计 的 有 关 问 题 。在 螺 纹 紧 固 件 的 三 种 安 装 方 式 ， 即螺栓 、 螺钉 及双 头螺 栓联接 中也主要 是 针对 隔 爆型设备中应用的螺钉联接方式。螺钉或螺栓联接 件应 该是 在工 业 中应 用 最 普 遍 的 一 种 零件 了 ， 可谓 屡见 不鲜 。可 一 旦 失效 ， 尤 其 是对 隔爆 设 备 也 可能 造 成严 重后果 。但实 际上 可能并 没 有得 到应有 的关 注 。有些 技术 人员 过 分 相 信 经 验 ， 在 设 计 工作 中对 紧固件的强度计算常被忽视。实际上， 除 了产品样 机上 装配 的联 接 件在 型式 试 验 中经 过 强 度考 核 外 ， 一 般设备可能在其整个服务期限内都不会遭遇到壳 内爆 炸 的考验 。但 在 螺 纹 紧 固件 强度 设 计 上 ， 无 论 在计算方法 以及参数的选取上均应更多地考虑其安 全 因素 ， 从 而保 证 防爆 电气设 备在 井 下的 安全运 行 。 作者简 介 范 光 1 9 5 6一 ， 男， 高级 工程 师， 多年 来一 直从事科研 课题研 究和 防爆 电气产 品的研 究、 设 计 、 开发及 检 验工作 ， 曾发表论 文数篇 。 收稿 日期 2 0 0 50 71 0 ； 责任 编辑 金丽华 7 维普资讯