蓄能机组顶盖座环联接螺栓强度分析

2018-03-16熊欣李浩亮

中国设备工程 2018年5期

熊欣，李浩亮

（东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000）

顶盖座环螺栓联接是水泵水轮机最重要的螺栓联接之一，其可靠性是整个抽水蓄能机组长期安全稳定运行的重要保障。为满足机组联接螺栓的强度要求，对高强度联接螺栓的强度分析主要分为科学计算法和有限元仿真分析。目前，国内水泵水轮机行业螺栓科学计算法主要采用《机械设计手册》和《GB/T 15468水轮机基本技术条件》进行校核，也有少数采用《VDI2230高强度螺栓联接的系统计算》（以下简称《VDI2230》）进行校核。但科学计算法缺乏对螺纹非线性接触、螺牙应力集中、螺纹倒角等细节的精密分析，在螺栓强度校验需要进行以上分析时，则须采用有限元软件进行分析。

1 《VDI2230》

《VDI2230》经过40多年的发展，已经被国际上众多机械行业采纳使用，适用于钢制高强度螺栓的强度校核，该标准的分析流程如下。

1.1 螺栓的柔度分析

螺栓的回弹力不仅考虑了在夹紧长度范围内的弹性变形，也考虑了在此范围以外发生的任何弹性变形，还考虑了在连接点的变形影响。

螺栓的柔度δS包括螺栓头柔度δsk，螺栓公称段柔度δ1，螺栓缩颈段柔度δ2，螺栓未衔接螺纹段柔度δGew，螺栓螺纹回弹延伸柔度δG，螺母或螺纹孔回弹延伸柔度δM。

1.2 弹性变形体分析（图1）

在螺栓头和夹紧件之间的夹紧区域的计算，根据变形能相等原则，变形区域可等效为圆锥和圆柱区域。则弹性区域的柔度δP为：

图1 圆柱体螺栓带变形圆锥体和变形圆柱体的联接

对于与基体对称轴o−o距离为Ssym的偏心螺栓布置，以及与对称轴距离为a的载荷加载，被联接件出现了变形变化，对于大部分情况，根据式（3）说明工作载荷的偏心度对其弹性变形的影响。

式中：li为变形体高度，IBers为变形体的极惯性矩。

1.3 校核螺栓是否能提供足够的预紧力

若FMzul≥FMmax则满足校核要求，FMzul为安装预紧力，FMmax为螺栓的最大装配预紧力。

1.4 确定螺栓的工作应力

螺栓在拉伸和扭转共同作用下的等效应力为：

其中，σzmax为最大轴向拉伸应力，τmax为最大扭转应力，kτ为调整系数，推荐值为0．5。其值必须满足：σred,B＜Rp0.2min，Rp0.2min为螺栓的弹性极限应力。

1.5 确定螺栓的交变应力

螺栓的交变应力幅值决定了螺栓的疲劳寿命，螺栓的交变应力幅值σab为：

其中，σSAbo为螺栓弯曲拉伸应力最大值，σSAbu为螺栓弯曲拉伸应力最小值。

2 水泵水轮机顶盖座环螺栓强度分析

2.1 螺栓参数

以某水泵水轮机顶盖和座环联接螺栓为例，螺栓规格为M110×6，材质为锻钢34Cr2Ni2Mo，螺栓全长l=1065mm，螺栓夹紧长度lk=581mm，螺距p=6mm,

螺栓装配预紧力Fv=4276.5kN，工作载荷Fao=1833.493kN，螺纹升角αT=60o。

2.2 基于VDI2230的螺栓强度分析

根据VDI2230计算得出：

螺栓柔度δS= 3.84E−07mm/N

已知螺栓装配预紧力Fv=4276.5kN，由装配预紧力产生的装配应力为487．39MPa。

根据上述数据及式（4）,螺栓的工作应力为：

螺栓的交变应力幅值σab为：

综上所述，该机组顶盖和座环联接螺栓满足VDI标准强度校验。

2.3 基于国标的螺栓强度分析

采用国标进行螺栓强度校验时，其螺栓联接强度校核条件如下：

σs——螺栓屈服强度；F——螺栓所受总载荷；Fv——螺栓装配预紧力。

螺栓的交变应力幅值σa为：

2.4 基于有限元分析的螺栓强度分析

顶盖与座环联接螺栓结构模型如图2所示，由于整个联接结构圆周对称，只截取整体模型的1/20进行分析研究，螺栓结构为体模型，整个有限元模型的单元数目为3349767，节点数目为6110790，螺纹连接段网格局部密化。顶盖与座环之间设置非线性接触，螺帽与顶盖设置线性接触，螺纹与螺纹孔设置带螺纹的非线性接触，共计10个接触对。

图2 有限元模型

在座环底部施加固定约束，模型两切分面上施加切向位移约束，在螺栓光杆段施加预紧力，顶盖底部施加工作压力载荷。经过非线性接触的静态强度计算,顶盖与座环联接螺栓在工作状态下，光杆段应力较为平均，在450MPa左右，缩颈结束区域有一定的应力集中，螺栓的最大应力出现在缩颈结束区域与第一扣螺牙之间，为σmax=808.139MPa，前几扣螺牙上应力较高，后续螺牙上应力逐步降低。σmax＜Rp0.2min，顶盖与座环联接螺栓满足强度要求。

螺栓的交变应力峰峰值为63．9519MPa，即交变应力幅值σa为31．98MPa，交变应力幅值最大位置出现在螺纹连接上端，由于工作载荷的偏载，最大位置在螺栓分布圆内侧，光杆段交变应力幅值基本为零。

3 结语

综上，三种螺栓强度校验方法其结果如表1所示，其应力幅值基本相当，有限元仿真算出的应力幅值最大，计算出的使用寿命也最小。三者在计算工作应力时，区别较为明显，其主要表现如下。

国标方法在螺栓强度校验时，未充分考虑螺栓的偏心布置和偏心加载，其螺栓安全余量较大，在水泵水轮机螺栓联接设计初期可选用；VDI2230在螺栓的偏心布置和偏心加载方面加入了规范描述和计算，螺栓的受力也考虑了螺栓的拉伸和扭转共同作用，可以得到更加准确的受力分析；有限元仿真计算对螺牙的非线性接触，结构局部细节的应力集中，拉伸扭转的等效应力合成都能够进行分析，其结果基本可以真实反映螺栓上的应力集中和每一扣螺牙上的应力。根据有限元分析结果，螺栓螺牙受力基本集中在0．5D范围内，D为螺栓的公称直径，前几扣螺牙应力很高，螺牙越靠下，应力越低。这与螺牙的受力认识相符，也与螺栓疲劳断裂的产生，65%发生在螺纹联接的螺纹端面上这一结论一致。