CN103487195A - 一种阀门力矩量化确定方法 - Google Patents

Abstract

一种阀门力矩量化确定方法，1）根据螺栓的许用轴向拉应力确定最大预紧力Q₁；2）根据螺牙弯曲应力计算得到最大轴向预紧力Q₂；3）比较Q₁和Q₂的大小，并根据力矩计算公式得到最大力矩；4）采用有限元计算螺栓达到屈服应力时的最大力矩M₂；5）比较M₁和M₂的大小，取小值作为阀门内无密封要求和有密封要的紧固连接的最大力矩；6）根据阀门内有密封要求的紧固连接材料的最小密封比压，获得最小轴向密封力F；7）根据密封结构的工作环境，获得最小预紧力为Q₄；8）根据力矩计算公式得到最小力矩M₃；9）采用有限元计算最小力矩M₄；10）比较M₃和M₄的大小，取小值作为阀门内有密封要求的紧固连接的最小力矩。本发明解决了阀门紧固力矩依靠经验施加而导致误差偏大的弊端。

Description

一种阀门力矩量化确定方法

技术领域

本发明涉及一种力矩量化确定方法，该量化方法可用于火箭及导弹增压输送系统阀门内部紧固力矩的确定。

背景技术

阀门作为运载火箭增压输送系统中的主要单机产品，对其可靠性提出越来越高的要求，随着定力矩工作的开展，阀门内部紧固力矩的量化确定已经成为提高阀门可靠性的重要途径。阀门内部紧固连接的特点如下：1）阀门零组件较多，内部紧固连接多，包括螺纹连接和法兰连接；2）阀门内部紧固连接多数属于有密封要求的连接，并且密封材料、密封结构个体差异较大；3）加工质量差异对拧紧力矩影响较大。目前阀门内部紧固力矩主要由操作人员凭经验进行，缺乏阀门内部紧固力矩定量的分析手段，造成阀门力矩量化控制工作进展缓慢。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种阀门力矩量化确定方法，实现了阀门内部紧固力矩的量化控制，解决了阀门紧固力矩主要由操作人员凭经验施加而导致误差偏大的弊端。

本发明的技术方案是：一种阀门力矩量化确定方法，步骤如下：

1）根据螺栓的许用轴向拉应力确定最大预紧力Q₁=[σ_L]A_y，式中[σ_L]为许用轴向拉应力，A_y为螺栓的有效截面积；

2）根据螺牙弯曲应力计算得到最大轴向预紧力

式中σ_w为螺牙弯曲应力，n为螺纹圈数，W为单牙螺纹断面系数，X_L为螺纹力臂；

3）比较Q₁和Q₂的大小，取小值记为Q₃，根据力矩计算公式得到最大力矩M₁=kdQ₃；式中k为螺纹扭拉系数，范围为0.1-0.3；d为螺纹公称直径；

4）采用有限元计算螺栓达到屈服应力时的最大力矩M₂；

5）比较M₁和M₂的大小，取小值作为阀门内无密封要求和有密封要的紧固连接的最大力矩；

6）根据阀门内有密封要求的紧固连接材料的最小密封比压，获得最小轴向密封力F=πD·b·q_min；式中D为密封垫片内径，b为密封垫片宽度，q_min为最小密封比压；

7）根据密封结构的工作环境，获得最小预紧力为Q₄=F+F′；式中F′为气体压力、弹簧力和过载等产生的对螺纹的拉力；

8）根据力矩计算公式M₃=kdQ₄得到最小力矩M₃；式中k为螺纹扭拉系数，范围为0.1-0.3；d为螺纹公称直径；

9）采用有限元计算最小力矩M₄；

10）比较M₃和M₄的大小，取小值作为阀门内有密封要求的紧固连接的最小力矩。

所述步骤3）和步骤8）中螺纹扭拉系数k的值均取0.2。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

（1）首次提出按密封要求对阀门紧固连接进行分类的思路，对阀门紧固力矩计算流程进行设计。

（2）首次采用有限单元法和理论公式相结合的计算方法确定结构刚度的最大力矩或保证密封的最小力矩，给出各紧固连接部位理论力矩范围及公差。通过本方法得到的阀门紧固力矩值与生产单位反馈实测值一致性较好，有效解决了阀门紧固力矩主要由操作人员凭经验进行的弊端。

（3）首次提出阀门紧固力矩有限元计算准则，根据阀门内部紧固连接特点建立有限元模型，选择适当的单元类型，并定义合理接触形式，有效的提高紧固力矩计算精度。通过阀门内部紧固力矩分析方法，给出各紧固连接部位理论力矩范围及公差，最后结合工厂实测值完成阀门内部紧固力矩的确定。

附图说明

图1为本发明无密封要求的紧固力矩计算流程图。

图2为本发明有密封要求的紧固力矩计算流程图。

具体实施方式

如图1、图2所示，对本发明进行详细描述：

1）根据螺栓的许用轴向拉应力确定最大预紧力

螺栓紧固件可按理论公式计算最大轴向预紧力为：

Q₁=[σ_L]A_y

其中[σ_L]为许用轴向拉应力，A_y为螺栓的有效截面积。当螺栓无螺纹部分直径大于螺纹小径时，A_y=0.25π(d-0.937p)²，否则取直径最小处的最小截面积。

d为螺纹公称直径，mm；

p为螺距，mm；

2）根据螺牙弯曲应力计算得到最大轴向预紧力：

计算公式为：

$Q_2=\frac{{\mathrm{\σ}}_w\mathrm{nW}}{X_L}$

式中，σ_w为螺牙弯曲应力，n为螺纹圈数，W为单牙螺纹断面系数，X_L为螺纹力臂。

3）比较Q₁和Q₂的大小，取小值记为Q₃，根据力矩计算公式得到最大力矩M₁=kdQ₃。

式中：k为螺纹扭拉系数，范围0.1-0.3，一般取0.2；d为螺纹公称直径。

4）采用有限元计算螺栓达到屈服应力时的最大力矩M₂；

5）比较M₁和M₂的大小，取小值作为阀门内无密封要求和有密封要的紧固连接的最大力矩；

6）根据阀门内有密封要求的紧固连接材料的最小密封比压，获得最小轴向密封力为

F=πD·b·q_min

式中：D为密封垫片内径，b为密封垫片宽度，q_min为最小密封比压。

7）考虑密封结构的工作环境，需要考虑气体压力、弹簧力和过载等产生的对螺纹的拉力，将减小螺纹预紧力，因此满足密封所需的最小预紧力为

Q_min=F+F′

F为最小轴向密封力，F′考虑气体压力、弹簧力和过载等产生的对螺纹的拉力

8)根据力矩计算公式得到最小力矩M₃=kdQ₄；

式中：k为螺纹扭拉系数，范围0.1-0.3，一般取0.2；d为螺纹公称直径。

9）有限元计算最小力矩

根据密封件密封面的接触应力，当大部分的密封面的接触应力均已达到或超过材料最小密封比压时，认为此时轴向力可以达到密封目的，以此得到的力矩，即为最小安装力矩M₄。

10）比较M₃和M₄的大小，取小值作为阀门内有密封要求的紧固连接的最小力矩。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种阀门力矩量化确定方法，其特征在于步骤如下：

1）根据螺栓的许用轴向拉应力确定最大预紧力Q₁=[σ_L]A_y，式中[σ_L]为许用轴向拉应力，A_y为螺栓的有效截面积；

2）根据螺牙弯曲应力计算得到最大轴向预紧力

式中σ_w为螺牙弯曲应力，n为螺纹圈数，W为单牙螺纹断面系数，X_L为螺纹力臂；

3）比较Q₁和Q₂的大小，取小值记为Q₃，根据力矩计算公式得到最大力矩M₁=kdQ₃；式中k为螺纹扭拉系数，范围为0.1-0.3；d为螺纹公称直径；

4）采用有限元计算螺栓达到屈服应力时的最大力矩M₂；

5）比较M₁和M₂的大小，取小值作为阀门内无密封要求和有密封要的紧固连接的最大力矩；

6）根据阀门内有密封要求的紧固连接材料的最小密封比压，获得最小轴向密封力F=πD·b·q_min；式中D为密封垫片内径，b为密封垫片宽度，q_min为最小密封比压；

7）根据密封结构的工作环境，获得最小预紧力为Q₄=F+F′；式中F′为气体压力、弹簧力和过载等产生的对螺纹的拉力；

8）根据力矩计算公式M₃=kdQ₄得到最小力矩M₃；

9）采用有限元计算最小力矩M₄；

10）比较M₃和M₄的大小，取小值作为阀门内有密封要求的紧固连接的最小力矩。

2.根据权利要求1所述的一种阀门力矩量化确定方法，其特征在于：所述步骤3）和步骤8）中螺纹扭拉系数k的值均取0.2。