铝合金内胆端部螺纹强度校核

铝合金内胆端部螺纹强度校核

现有铝合金内胆的设计、制造、检验还没有相应的国家标准和行业标准,通过对此类内胆端部螺纹的强度校核方法进行了分析、论证和对比,确定合理的计算方法。

标签：内胆 螺纹 强度校核 计算方法

0 引言

国际上航空航天、消防救助和民用等诸多工业领域使用的储气瓶,正朝着工作压力高,储气量大并且更加安全可靠的方向发展。缠绕气瓶作为国内外储气瓶的先进科学技术,较好地满足气瓶发展的需要。铝合金内胆作为缠绕气瓶的内衬,同普通的钢质内胆相比减轻了气瓶的重量,此外,铝合金固有的氧化膜使该内胆具有较强的耐蚀性,延长了气瓶的使用寿命。

目前对该产品还没有相应的国家标准和行业标准,只有各企业制定的企业标准,企标中未能对内胆端部螺纹的强度提出明确计算方法。为了保证安全,端部螺纹的强度需要进行校核计算。本文针对铝合金内胆端部螺纹的强度校核给出了3种计算方法。

1 计算方法简介

1.1 方法1

铝合金内胆端部内螺纹和螺塞外螺纹的旋合情况见图1,计算取值见图 2。根据螺纹联接章节中螺纹牙强度校核的计算公式,内、外螺纹计算公式分别如下:

(1)

(2)

其中,[τps] =0.5Rps (3)

[τp] =0.5Rp (4)

式中:τ内、τ外为螺纹承受的内、外切应力,MPa;

[τps]为瓶阀螺塞螺纹许用切应力,MPa;

[τp]为内胆端部螺纹许用切应力,MPa;

Rps为瓶阀螺塞材料的抗拉强度,MPa;

Rp为内胆材料的抗拉强度,MPa;

F为最大轴向载荷,N;

kz为载荷不均系数;

z为旋合螺纹牙数;

d1为外螺纹小直径,mm;

D为内螺纹大直径,mm;

d为螺纹公称直径,mm;

b为螺纹牙根部宽度,mm;

h为螺纹牙工作高度,mm;

普通螺纹的螺纹牙根部宽度b=0.87P(P为螺距)mm。

将式(1)～式(2)变化后得出内、外螺纹计算公式:

πDbz[τp]≥F(5)

πd1bz[τps]≥F(6)

当内胆端部开口处的内螺纹为直螺纹时, 直螺纹不少于6个螺距,并且在缠绕气瓶试验压力下,剪切安全系数不低于10,螺纹必须贯通整个胆颈,啮合紧密。可以理解为:计算的切应力至少为缠绕气瓶水压试验压力的10倍,即F=10PhA。由此得出内、外螺纹强度校核公式如下:

kzπDbz[τp]≥10PhA (7)

kzπd1bz[τps]≥10PhA (8)

式中:Ph为缠绕气瓶水压试验压力,MPa;

A为内胆端面内螺纹开孔受压面积(取内螺纹的大径),mm2。

可以看出,式(7)～式(8)均和载荷不均系数kz有关。而对于大直径的螺纹,kz并不十分准确,所以式(7)和式(8)的计算结果为近似结果。内胆与瓶阀螺塞螺纹紧密啮合,故而不考虑载荷不均情况,认为内胆与瓶阀螺塞连接载荷均匀分布。kz取值1,简化计算公式。

1.2 方法2

校核缠绕气瓶在最小安全系数(即气瓶爆破压力与工作压力之比)的情况下,内胆端部螺纹是否安全。试验压力为5/3倍设计工作压力,气瓶的最小安全系数(爆破压力与工作压力之比)为3.4。

螺纹强度校核公式参见式(1)～式(8)。

1.3 方法 3

计算依据: ①螺纹切应力许用值一般取0.5倍的抗拉强度值[4~5]。②根据内胆端部螺纹的受力状况和强度校核的原理,取内胆端部开口处为直螺纹时,计算的切应力至少为缠绕气瓶水压试验压力的10倍。

由此得出,螺紋的强度校核必须同时满足下列公式:

0.5RpASn≥10PhA (9)

0.5RpsASs≥10PhA(10)

式中ASn为内胆端面内螺纹的最小切应力面积,mm2

ASs为螺塞外螺纹的最小切应力面积,mm2。

A为内胆端面内螺纹开孔受压面积(取内螺纹的大径),mm2。

根据螺纹切应力面积计算公式计算ASn、ASs。该公式整理后,去掉每寸牙数的概念,可以得到:

(11)

(12)

式中:D1max为容器壳体两端颈部内螺纹最大小径

D2max为容器壳体两端颈部内螺纹最大中径

Dmin为螺塞外螺纹最小大径

d2min为螺塞外螺纹最小中径

Le为螺纹旋合长度mm

P为螺纹的螺距mm

α为螺纹的牙形角(° ) 。

内胆嘴部内螺纹和螺塞外螺纹的旋合情况和计算取值见图 3 ,且有以下关系式成立:

(13)

(14)

由式(9)～式(12)及图3可以看出,①ASn、ASs的计算公式中表达了不同牙形角内胆断面内螺纹和螺塞外螺纹准确的剪切力受力点和受力面积。②剪切力的计算公式对螺纹直径大小均适用,不受螺纹直径的。

2 三种方法比较

2.1 相同之处 ①三种计算方法均对内胆端面内螺纹所受的切应力和螺塞外螺纹所受的切应力给出了计算公式。②计算原理相同,即内胆(或瓶阀螺塞)材料的许用切应力×剪切面积≥10×缠绕气瓶水压试验压力×轴向受力面积

2.2 不同之处

2.2.1 载荷不均系数的使用及其受d/P的影响不同 方法 1和方法2中公式计算的螺纹剪切力和载荷不均系数 kz有关,载荷不均系数与d/P有关。kz越大,受载荷不均的影响越小。反之,kz越小,受载荷不均的影响越大。对d/P≥16的公称直径较大的螺纹,没有给出kz的数值或范围。联接螺纹为铜、铝合金配合时,kz的值在《机械设计手册》中未提供。内胆与瓶阀螺塞螺纹紧密啮合,不考虑载荷不均情况,认为内胆与瓶阀螺塞连接载荷均匀分布。kz取值1,简化计算公式。

方法 3中公式计算的螺纹剪切力和载荷不均系数无关,不涉及载荷不均的问题。并且剪切力的计算与d/P值无关,剪切力的计算不受螺纹公称直径、螺距和两者比值的。

2.2.2 受剪面直径的取值方法不同 方法1和方法2中,内螺纹剪切力计算式中的受剪面直径取为内胆端面颈部内螺纹大径D,外螺纹剪切力计算式中的受剪面直径取为螺塞外螺纹小径d1, 是一种近似的受力面的取值方法;

方法3中内螺纹剪切力计算式中的受剪面直径取为螺塞外螺纹最小大径Dmin,外螺纹剪切力计算式中的受剪面直径取为内胆端面颈部内螺纹最大小径D1max,其取值是实际受力面直径的精确取值。

2.2.3 牙受剪宽度取值方法不同 方法1和方法2中,牙受剪宽度为螺纹牙根部宽度b,亦为近似受剪面,其取值也为近似值,普通螺纹的螺纹牙根部宽度b=0.87P;方法3中,内胆端面颈部内螺纹每个牙的受剪宽度

螺塞外螺纹每个牙的受剪宽度

牙的受剪宽度的取值 b和 b1为牙的实际受力面宽度的精确计算值。b和螺距、外螺纹最小大径、内螺纹最大中径以及螺纹牙形角有一定的关系。b1则和螺距、内螺纹最大小径、外螺纹最小中径以及螺纹牙形角有关系。

3 结语

通过对3种螺纹强度校核计算方法的分析可以看出,计算方法 1和方法2是一种近似的方法,受载荷不均系数的影响,存在着许多不确定因素。同时对于大直径的螺纹,载荷不均

系数的取值难以确定,所以对大直径的螺纹和d/P值较大的螺纹不推荐使用此方法。计算方法3不受载荷不均系数的影响,只和内螺纹、外螺纹的实际尺寸以及牙形角等参数有关系,同时公式中反映的是螺纹实际的受剪面和受剪点,计算内螺纹和外螺纹的切应力面积非常准确,并且不受螺纹直径大小的影响,对于所有直径的螺纹均适用。

综合所述,式(9)～式(12)是内胆端面螺纹强度校核计算比较准确、合理的方法,更适用于实际工程计算。

参考文献:

[1]范厚军.紧固件手册[M].江西科学技术出版社.2004.

[2]徐灏.机械设计手册[M].机械工业出版社.2000.

[3]ASME B1.1-2003.Unified Inch Screw Threads.