下置曳引机螺栓选型计算及校核方法

下置曳引机螺栓选型计算及校核方法

丁文静  张雷泉

佛山市顺德区金泰德胜电机有限公司

摘要：

曳引机作为电梯的原动力部件，通常选用螺栓的方式的固定在井道顶部或底部。螺栓固定是否可靠对整个电梯的运行安全至关重要。本文专门分析了曳引机处于井道底部（下置）时，曳引机紧固螺栓受力较为复杂情况下,螺栓的选型及计算校核方法。

关键词：曳引机下置；螺栓；预紧力；残余预紧力；横移；翻转力矩；脱离；压溃；计算及校核方法；工具

1. 前言

电梯曳引机的固定大多都采用螺栓连接，而当曳引机为下置时，钢丝绳对曳引机的拉力一般都是斜向上的，此种情况曳引机螺栓的受力极为复杂：有钢丝绳拉力在垂直方向的分力对螺栓的轴向力，钢丝绳拉力在水平方向的分力对被连接件的横向力，钢丝绳拉力在水平方向的分力引起的翻转力矩，翻转力矩对连接件两侧的拉（压）力。目前在一般机械行业应用计算螺栓方法都大多只考虑了以上受力的某一种情况，本位旨在给出一个比较系统全面的对下置曳引机螺栓选型，计算及校核的方法及工具供各位设计人员参考。

2. 螺栓典型受力介绍

2.1 螺栓预紧力

螺栓在初始安装时会按照一定力矩T拧紧，使得螺栓在轴向方向产生弹性形变从而产生轴向力（也叫预紧力）F。合适的预紧力可以使得被连接件之间紧密接触，连接可靠；也起到了螺栓放松的作用。过小的预紧力，可能会在被连接件受到轴向载荷时，被连接件之间相互脱离；可能会在被连接在受到横向载荷时，不足以抵抗横向载荷产生而导致；过大的预紧力，可能会导致被连接件被压溃，螺栓被拉断，也可能会导致螺栓副被破坏。

行业推荐F=(0.5～0.7)*σs*A----------①

保障螺栓达到上式预紧力的预紧力矩T=k*F*d----------②

根据①②式可得，螺栓的预紧力矩计算公式为T=k*(0.5～0.7)*σs*A*d----------③

σs----------螺栓材料的屈服点，Mpa。与选用的螺栓的强度等级相关。

A----------螺栓的公称应力截面积，mm²。

K1---------拧紧力矩系数，与螺栓副的摩擦系数μv和被连接件的摩擦系数μ相关。一般取0.10～0.20

本行业应用K取0.135，预紧载荷取材料的0.7σs，将常用螺栓的不同等级的预紧力矩整理如下

2.2残余预紧力

螺栓按初始预紧力矩T拧紧后，如被连接件再收到一个轴向力Fa，连接件原本的稳定状态会再次经过变形协调至稳定，被连接件的之间的压力会由原来的F变化至F’。F’称为残余预紧力，螺栓的最终受力为F0.

F0=F’+Fa-----------------------④

F0=F+λ*Fa----------------------⑤

由④/⑤可得F’=F-(1-λ)*Fa--------⑥

λ---------为连接件与被连接件的相对刚度，金属连接时取0.2～0.3，本行业应用取0.3。

2.3横向载荷

当螺栓收到横向载荷Fh时，被连接件之间的压力为残余预紧力F’，由此力产生的摩擦力与横向载荷的比值需要大于可靠性系数Kf。

F’*μ/Fh≥Kf--------⑦

Kf=1.2～1.5。本行业应用取1.3。

μ为被连接件之间的摩擦系数，干燥的铸铁或钢加工表面时取0.10～0.16，本行业应用取0.13。

2.4翻转力矩

当被连接件收到翻转力矩M时，翻转力矩对两侧的螺栓分别产生拉力和压力Fa2=±M/B。

此时要考虑受到翻转力矩后被连接件的两侧不能脱离和压溃：

受拉侧F’/Ap-M/W＞0

受压侧F’/Ap+M/W≤σpp

Ap ---------被连接件受拉侧的接触面积

W----------被连接底部的抗弯截面系数

σpp----------被连接件材料的许用挤压应力，本行业被连接件一般 用铸铁，σpp取200Mpa

2.5螺栓的拉力

受到复合载荷后螺栓最终的拉力为F0，此时要求1.3*F0/A≤σs/n, 本行业应用n取1.6。

2.6螺栓拧紧处的压应力

螺栓最终的拉力为F0，它给被连接件的反作用力也为F0.它与被连接件接触的面积一般为平垫圈的有效接触面积A2。此时要求F0/A2≤σpp.

3. 上置曳引机受钢丝绳拉力时螺栓选型计算及校核,

如下图所示曳引机受斜向上的轴载力Fs，Fs与水平面的夹角为θ，力Fs的中心与前螺栓组中心的距离为L1，与后螺栓组中心的距离为L2。前螺栓组为2个M24级的螺栓，请问该如何选用等级及初始预紧力矩。

这里我们需要用到一个逆向思维来解决此类问题，一个不受外力的螺栓按推荐力矩拧紧后，此时我们认为连接件之间的连接时可靠的。

此种情况我们先假设螺栓副初按正常使用某个常用等级（如8.8级）的螺栓的推荐力矩拧紧，后再选用高一个或两个等级的螺栓来校核是否失效。

3.1 选型及计算流程如下

3.2 螺栓受力计算如下表

3.3 校核计算如下

3.4 右计算结果可知前螺栓组选用M24-12.9级螺栓，初始按500N·m预紧，在受到上述力Fs的情况下强度是满足要求的。此例仅以前螺栓组为例介绍了选型，计算及校核过程，后螺栓组为同样的方法不再赘述。

4. 计算工具介绍

此工具的数据区域主要分为如下

黄色区域--------为输入参数区域，根据不同的应用参数不同

蓝色区域--------系数选定区域，一般材料不变，应用类型不变，此区域系数保持不变

棕色区域--------为自动计算区域，内含计算公式

绿色区域--------为自动判定区域，绿色代表OK，红色代表NG

用户只需要填写应用参数后，下方的校核区域就能直观反映校核是否通过，以及那一项不通过，方便设计人员快速的调整相关参数，达到设计要求。

结语：螺栓选型是一个较为复杂且机械行业操作较为频繁的操作过程。本文就曳引机行业螺栓组合受力的情况进行了计算说明。本文所述的计算思路不仅可以让设计者对螺栓受力计算理解更为深刻，更为其便捷化操作提供了切实可行的工具，在行业内起到了实用性较高指导作用。

参考文献：

[1] 化学工业出版社.《机械设计手册》第六版

[2] GB/T 19568《风力发电机装配和安装规范》

[3] 谭亮·张才盛·王海蛟·风电机组高强度螺栓的使用要求[J]风能,2010(01),62-65