论《农业机械运行安全技术条件》等标准存在的问题.pdf

第15卷 第4期 1999年12月 农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA E Vol 15 No 4 Dec 1999 论 农业机械运行安全技术条件 等标准存在的问题 杨福增 杜白石 杨 青 西北农林科技大学 摘 要 从解决生产实际中暴露的问题出发 利用手工计算和计算机编程计算 发现按国家标准 农业机械运行安全技术条件 谷物联合收割机 GB 16151112 1996 和机械行业标准 谷物联 合收割机产品质量分等 JB T 51190 1997 的要求拧紧螺纹紧固件时 会发生螺栓强度不足的 问题 表明这两个标准规定的扭紧力矩偏大 作者提出 螺纹紧固件扭紧力矩的大小不应与螺栓的 公称直径和螺栓材料的性能等级有关 其大小应根据能保证工作零部件正常 安全 可靠地工作来 决定 并建议有关部门尽快修订 关键词 农业机械 谷物联合收割机 国家标准 机械行业标准 螺纹紧固件 收稿日期 1999208219 修订日期 1999211203 杨福增 讲师 博士生 陕西杨凌 西北农林科技大学机电学院 712100 1 问题的提出 众所周知 国家标准和行业标准具有相当的权威性 科学性和指导性 是相关企业 生产及 教学科研部门在产品设计 质量检验等活动中必须遵守的规范 它对提高产品质量 缩短我国 与发达国家间的差距有着举足轻重的作用 国家标准 农业机械运行安全技术条件 谷物联合 收割机 GB 16151112 1996 1 和机械行业标准 谷物联合收割机产品质量分等 JB T 51190 1997 2 无疑对我国谷物联合收割机质量性能的提高 曾起过并正在起着特别的作 用 但是 在实际应用期间 按照标准中规定的扭紧力矩扭紧谷物联合收割机的螺栓联接 例 如 用 90 20 N m的力矩拧紧脱粒滚筒与纹杆间M 12的螺栓联接 时 会出现螺栓产生较 大塑性变形等现象 致使联合收割机不能正常工作 然而 我国农业机械行业最权威的报纸 中 国农机化报 1999年2月6日 上题为 联合收割机不合格产品 三分天下有其一 1998年联合收割机全国统检质量分析综述 3 一文明确指出 未使用 818级高强度螺栓 或 扭紧力矩不符合标准规定的企业占不合格企业总数的5318 这更加表明了执行该标准的 重要性和迫切性 很显然 一个极为现实的问题摆在了每一位实际操作者的面前 依标准 必须 按规定的扭紧力矩扭紧螺栓联接 否则产品将肯定被质检部门判定为不合格产品 但扭紧时 很可能会出现螺栓产生较大塑性变形或更严重的现象 我国是世界上联合收割机拥有量最大 的国家之一 这意味着该问题已成为成千上万农机设计 制造 质检 使用等环节人士都迫切希 望能早日解决的大问题 再者 我国即将加入世界贸易组织 W TO 增强国家标准和行业标准 的严谨性 使其更加完善是非常必要的 下面我们主要通过阐述螺纹联接件的强度校核计算 对上述两个标准中扭紧力矩制定的 依据及合理性等问题进行探讨 32 2 螺纹联接件的强度校核计算 螺纹联接件 也称紧固件 的强度校核计算 首先依据一定的标准或规范 计算预紧力和屈 服紧固轴向力 然后用安全系数法校核其强度 211 校核依据 校 核依据主要是国家标准 螺纹紧固件应力截面积和承载面积 GB T 1682311 1997 4 螺纹紧固件紧固通则 GB T 1682312 1997 5 212 校核过程 下面以公称直径为M 12 螺栓材料性能等级为818级的钢制普通螺纹联接为例 具体说 明校核过程 1 计算预紧力Ff 弹性区内预紧力与紧固力矩 在GB 16151112 1996和JB T 51190 1997中称扭紧力 矩 的关系 依GB T 1682312 1997式 1 Tf K Ffd 1 式中 Tf 紧固力矩 查GB 16151112 1996的1012款 应取Tf 90 20 N m 又查 JB T 51190 1997的311118款表14 应取Tf 90 18 N m 这里先按Tf 90 20 N m进行手工计算 K 扭矩系数 依GB T 1682312 1997式 1 K 1 2 P sd2sec wDw 2 式中 P 螺纹的螺距 查GB193 81 P 1175 mm d2 螺纹的中径 查GB196 81 d2 101863 mm 螺纹牙侧角 查文献 6 第59 60页 30 s 螺纹摩擦系数 查文 献 6 第66页 对于钢制普通螺纹紧固件 无润滑时 s 011 012 这里取011 0115 012三值 分别计算 w 支承面摩擦系数 查文献 6 第66页 对于钢对钢接触 无润滑时 w 0115 Dw 支承面摩擦扭矩的等效直径 依GB T 1682312 1997式 5 表1 不同螺纹摩擦系数 s时的扭矩系数K Tab11 Torque coefficient K of friction coefficient s between different threads 螺纹摩擦系数 s0110115 012 扭矩系数K 计算值 011720119801224 扭矩系数K 查表值 3011730119901226 注 3 查GB T 1682312 1997附录A表A1 表2 不同紧固力矩Tf及扭矩系数K时的预紧力Ff Tab12 Clamping force Ff of different tightening torque Tf and torque coefficient K 紧固力矩Tf N m 预紧力Ff N 扭矩系数K 011730119901226 70Ffm in331729132518 90Ff431437173312 110Ffmax531046114016 Dw 2 3 d 3 w d 3 h d 2 w d 2 h 3 dw 六角垫圈支承面直径 查GB T 1682311 1997表4 dw 17110 mm dh 螺栓通孔直径 查GB T 1682311 1997表4 dh 1315 mm Ff 预紧力 d 螺纹公称直径 d 12mm 代入以上数据 求得Dw 15137 mm K Ff值分别见表1和表2 2 计算屈服紧固轴向力Ff y 屈服紧固轴向力Ff y可按GB T 1682312 1997式 7 计算 Ff y yAS 1 3 2 dA P sd2sec 2 4 42农业工程学报1999年 表3 不同螺纹摩擦系数 s时的屈服紧固轴向力Ff y Tab13 Yield clamping force Ff y of different friction coefficient s between threadskN 螺纹摩擦系数 s011 0115012 屈服紧固轴向力Ff y 计算值 461141183717 屈服紧固轴向力Ff y 查表值 3461141183717 注 3 查GB T 1682312 1997附录B表B1 表4 屈服紧固力矩Tf y Tab14 Yield tightening torque Tf y 支承面摩擦系数 w 0115 螺纹摩擦系数 s011 0115012 扭矩系数K011730119901226 屈服紧固力矩Tf y 计算值 N m95179818102 屈服紧固力矩Tf y 查表值 3 N m102 注 3 查GB T 1682312 1997附录B表B1 此表中的屈服紧固力矩Tf y是 按 s 012计算的 式中 y 螺栓的屈服极限 依据 GB T 1682312 1997查GB 309811 82 螺栓材料性能等级为818的螺栓 y 640M Pa AS 螺纹公称应力截面 积 查GB T 1682311 1997的表1 AS 8413mm 2 dA 螺纹公称应力截面 积的等效直径 dA 4AS 其它符号 的意义同前 代入相应数值 计算出 s分别为 0110 0115和0120时 Ff y的值 见表3 3 计算屈服紧固力矩Tf y 屈 服 紧 固 力 矩Tf y可 按GB T 1682312 1997的式 8 计算 Tf y K Ff yd 5 计算结果见表4 4 计算安全系数S 安全系数S可依据公式S Ff y Ff或S Tf y Tf计算 计算结果见表5 表5 安全系数S Tab15 Safe coefficient S 支承面 摩擦系数 w 螺纹 摩擦系数 s 屈服紧固 轴向力 Ff y N 屈服紧 固力矩 Tf y N m 扭紧力矩 Tf N m 预紧力 Ff kN 安全系数 S Ff y Ff S Tf y Tf 安全否 T1OR1F 7033171137 11 37 T 0114611951490 209043141106 11 06 F 11053100188 01 87 F 7029131143 11 43 T 011501154118991890 209037171111 11 11 F 11046110191 01 91 F 7025181146 11 46 T 012371710290 209033121114 11 13 F 11040160193 01 93 F 从表5中很明显地看到 S大于或等于11 2 即安全 的仅有三种情况 也就是仅当用70 N m的扭紧力矩拧紧螺栓联接时 螺栓才是安全的 而用90 N m和110 N m的扭紧力矩 拧紧时 螺栓很有可能发生较大的塑性变形或断裂等现象 3 校核结果 笔者对 谷物联合收割机产品质量分等 JB T 51190 1997 的311118款表4中的全部 数据 见表6 利用FORTRAN语言编写的 普通螺纹紧固件强度校核程序 7 进行了校核 其中公称直径为M12 螺栓性能等级为818级的普通螺纹紧固件强度校核结果 见表7 52 第4期杨福增等 论 农业机械运行安全技术条件 等标准存在的问题 表6 普通螺纹紧固件扭紧力矩 Tab16 T ightening torque of common threaded fasteners 公称直径 扭紧力矩 N m 818级1019级1219级 扭紧力矩公差值 M 10 507085 M 12 90125150 20 M 16 225310375 M 20 435610735 表7 M 12 818级普通螺纹紧固件强度校核结果 Tab17 Checking results ofM 12 8182level common threaded fasteners 螺栓公称直 径及其材料 的性能等级 支承面 摩擦系数 w 螺纹摩 擦系数 s 屈服紧固 轴向力 Ff y N 扭紧力矩 Tfm in Tf Tfmax N m 预紧力 Ff kN 安全系数 S Ff y Ff 安全否 T1OR1F 7243101107F 011461190 189053180186F 10864150172F 7236121115F 0110115411890 189045130192F 10854130177F 7231131120T 012371790 189039110196F 10846190180F 7235101132T 011461190 189043171106F 10852150188F M 12 7230141138T 01150115411890 189037191110F 818级 10845150192F 7226181141T 012371790 189033151112F 10840120194F 7229151157T 011461190 189036181125T 10844121104F 7226111160T 0120115411890 189032171128T 10839121107F 7223151161T 012371790 189029131129T 10835121107F 注 T 安全 F 不安全 由表7可知 螺栓不安全的平均比率为63 17 27 0163 即当分别用Tfm in 72 N m Tf 90N m 和Tfmax 108N m 的力矩扭紧时 不安全的比率依次为22 2 9 62农业工程学报1999年 01 22 67 6 9 01 67 和100 9 9 1 表8 不同条件下螺栓不安全的比率 Tab18 U nsafe ratios of bolt under different conditions 公称直径扭紧条件 螺栓材料的性能等级 818级1019级1219级 用Tfm in扭紧226733 M 10用Tf扭紧 67100100 用Tfmax扭紧100100100 用Tfm in扭紧22674414 M 12用Tf扭紧 67100100 用Tfmax扭紧100100100 用Tfm in扭紧22674414 M 16用Tf扭紧 67100100 用Tfmax扭紧100100100 用Tfm in扭紧22674414 M 20用Tf扭紧 67100100 用Tfmax扭紧100100100 对表6中其它各公称直径及性能 等级的螺纹紧固件的校核结果与表7 所列M 12 818级 的结果类似 对上 述所有结果加以统计 得到不同条件 下螺栓不安全的比率如表8所示 4 结 论 1 国 家 标 准 GB 16151112 1996 1012款和机械行业标准 JB T 51190 1997 311118款中规定的螺 纹联接件的扭紧力矩偏大 对于螺栓 材料性能等级为818级 1019级和 1219级的螺纹联接件 用标准中规定 的扭紧力矩的上限Tfmax拧紧时 均出 现不安全的问题 10 19级的更严重 对于螺栓材料性能等级为1019级和 1219级的螺纹联接件 用标准中规定的扭紧力矩的中值Tf拧紧时 也均出现不安全的问题 10 19级的更严重 2 螺纹联接件的扭紧力矩的大小不应与螺栓的公称直径和螺栓材料的性能等级有关 其 大小应根据能保证工作零部件正常 安全 可靠工作来决定 3 建议尽快修订国家标准 农业机械运行安全技术条件 谷物联合收割机 GB 16151112 1996 的1012款和机械行业标准 谷物联合收割机产品质量分等 JB T 51190 1997 的311118款 致谢 西北农林科技大学 飞龙谷物联合收割机 课题组的祝永昌教授 邵维民教授 穆浩民教 授和陈铮高级工程师为本论文的撰写提供了许多可贵的资料 并做了许多非常有益的工作 在 此深表谢意 参 考 文 献 1 国家技术监督局批准 农业机械运行安全技术条件 谷物联合收割机 GB 16151 12 1996 1996 36 2 中国机械工业部发布 谷物联合收割机产品质量分等 JB T 51190 1997 1997 5 3 晓 鲁 联合收割机不合格产品 三分天下有其一 1998年联合收割机全国统检质量分析综 述 中国农机化报 1999202206 4 国家技术监督局批准 螺纹紧固件应力截面积和承载面积 GB T 16823 1 1997 1997 2 6 5 国家技术监督局批准 螺纹紧固件紧固通则 GB T 16823 2 1997 1997 1 12 6 濮良贵 纪名刚 机械设计 第六版 北京 高等教育出版社 1996 65 85 72 第4期杨福增等 论 农业机械运行安全技术条件 等标准存在的问题 Studies on the Problem Existing in the Standard of Safe Techn ical Requirements for AgriculturalMachinery Operating Yang Fuzeng Du Ba ishi Yang Q ing N orthw est A g ricultural and Forestry U niversity of S cience and T echnology Yang ling712100 Abstract To solve the problem s revealed from the process of the production calculation by hand and computer w as conducted to find out that w hen the threaded fasteners are tightened according to the requirements of the national standard i e the standard of Safe Technical Requirements ForA