大型电机螺纹连接的拧紧力矩及预紧力计算

张 爽，邹建华

(1 国家防爆电机工程技术研究中心，黑龙江佳木斯154002;2 佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

0 引言

在大型凸极电动机运行过程中，经常会出现如电动机磁极螺栓松动导致磁极与定子相擦、电动机机座与底架螺栓松动造成电机振动增大等等，可见螺纹连接时拧紧力矩和预紧力的计算相当重要，螺纹连接的拧紧力矩和预紧力过小，会给电机运行埋下很大的安全隐患。

在大型电机设计和制造过程中，经常会采用螺纹连接方式，如:电动机机座与底架之间，电机底架与基础之间，凸极同步电动机磁极的安装、同步电动机定子冲片装压时双头螺杆的固定等［1］。当连接的螺纹尺寸较小时可以按照经验进行手动紧固，但当连接螺纹较大，且属于关键部位连接时，无法手动紧固或手动紧固已不能保证可靠安装，此时就需要采用专业的扭力扳手，扭力扳手值需根据拧紧力矩和预紧力计算设定。本文就螺纹连接的基本类型，以及螺纹连接的拧紧力矩和预紧力的计算做如下分析。

1 螺纹连接的基本类型［2］

在机械制造过程中，物件与物件常采用螺纹紧固连接，常用的螺纹连接有以下几种方式

(1)螺栓连接，常用于通孔，损坏后容易更换。根据载荷的不同，螺纹余留长度l1也不同，一般情况下，静载荷下:l1≥(0.3 ～0.5)d(d 为直径，下同);变载荷下:l1≥0.75d;冲击载荷或弯曲载荷下:l1≥d。

(2)双头螺柱连接，多用于盲孔，被连接件需经常拆卸时。当被连接件的材质不同时，拧入深度H 也不同，一般情况下，被连接件为钢或青铜材质时H≈d;铸铁材质时H=(1.25 ～1.5)d;铝合金材质时H=(1.5 ～2.5)d［3］。螺纹余留长度同螺栓连接。

(3)螺钉连接，多用于盲孔，被连接件很少拆卸时。螺纹余留长度同螺栓连接，拧入深度同螺柱连接。

(4)紧定螺钉连接，用以固定两个零件的相对位置，可传递不大的力和转矩。

2 螺纹紧固件的应力截面积［4］

在计算螺纹预紧力大小时常需用到螺纹紧固件的应力截面积，根据GB/T 16823.1—1997《螺纹紧固件应力截面积和承载面积》，现将常用螺纹的应力截面积摘录如下

2.1 应力截面积计算公式

应力截面积的计算，见下式。如无特殊要求，取3 位有效数字。

2.2 应力截面积值

M12 ～M64 常用粗牙螺纹(GB 193)的应力截面积(As)值，如表1 所示。

表1 常用粗牙螺纹应力截面积值

3 螺纹连接的拧紧力矩及预紧力计算［2］

3.1 预紧力计算

预紧力的大小根据螺栓组受力和连接的工作要求决定。设计时首先保证所需的预紧力，又不应使连接的结构尺寸过大。一般规定拧紧后螺纹连接件的预紧应力不得大于其材料屈服极限的80%。对于一般连接用的钢制螺栓，荐用预紧力限值如下

式中，σs—材料的屈服极限，MPa;As—螺纹公称应力截面积，mm2，具体值参照表1。

3.2 拧紧力矩

绝大多数螺纹连接在装配时都要预紧，目的在于增强连接的刚性、紧密性、防松能力及防止受横向载荷的螺栓连接的滑动。拧紧时，扳手力矩T 是用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1及螺母与被连接件(或垫圈)支承面间的端面摩擦力矩T2。

式中，K—拧紧力矩系数，具体值选取参考表2;d—螺纹公称直径，m。

表2 拧紧力矩系数K

4 计算实例

以TZYW/TAW 7800-18/3250 同步电动机机座与底架之间的连接为例，具体计算过程如下

已知条件，电动机机座与底架的连接螺栓为:GB/T 5783 螺栓M48×140-DZn 8.8 级 材质:45 钢碳素钢［5］

4.1 预紧力的计算

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

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

4.2 拧紧力矩的计算

拧紧力矩系数k 值选取:采用润滑油采用德莱赛兰公司推荐的Dow corning G-n 润滑剂，拧紧力矩系数k 值取0.13。

5 试验结果

此电机在生产现场整机装配时，采用扭力扳手对电机的底脚螺栓进行连接，同时对计算出的拧紧力矩值进行验证:首先，扭力扳手显示盘上的拧紧力矩值按计算出的范围平均值约3800N·m设定;然后，采用扭力扳手不断旋紧底脚螺栓，拧紧力矩逐渐增大，直到达到设定值时，扭力扳手“啪”的一声，表明旋紧结束;最后，检查电机机座与底架之间已牢固连接，试验完成。

此试验证明，按上述过程计算出的螺纹连接的拧紧力矩值是符合现场安装要求的。具体设定值如图1 所示。

图1 拧紧力矩和预紧力现场试验时扭力扳手的设定值

6 结语

本文对螺纹连接的基本类型、螺纹连接的拧紧力矩和预紧力计算的计算过程进行了分析举例，并对计算值进行了现场试验验证，以便在电机设计、制造以及用户现场安装、维护维修时，给出准确的螺纹拧紧力矩和预紧力，为电机设计人员和相关人员提供参考。

［1］ 杨万青，陈兴卫.电机实用设计技术［M］.北京:机械工业出版社，2014.

［2］ 闻邦椿.机械设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2010.

［3］ 交流电机设计手册［M］.湖南:湖南人民出版社，1978.

［4］ GB/T 16823.1-1997.螺纹紧固件应力截面积和承载面积［S］.

［5］ GB/T 5783-2000.六角头螺栓 全螺纹［S］.

［6］ 徐德淦.电机学［M］.北京:机械工业出版社，2004.

［7］ 周顺荣.电机学［M］.北京:科学出版社，2002.

［8］ 许实章.电机学下册［M］.北京:机械工业出版社，1981.1.