基于VDI2230的螺纹有效旋合长度计算方法解析

基于VDI2230的螺纹有效旋合长度计算方法解析

陈骢    熊研究

中车株洲电力机车有限公司   湖南 株洲  412001

摘 要：螺栓连接是一种可拆卸的固定连接,除了具有结构简单、连接可靠、装拆方便、类型多样、利于检修等优点以外,还具有良好的受力性能及抗震能力。本论文介绍了螺栓连接计算标准国内外研究现状，并基于VDI2230，对螺纹有效旋合长度的计算方法进行详细解析，足够的有效旋合长度能最大限度的防止螺栓连接的脱扣，对螺栓设计长度尺寸的选择提供了理论参考。

关键词：螺栓；计算标准； VDI2230；有效旋合长度；

0  引言

螺栓连接结构包括螺栓、螺母、紧固元件（如垫圈、长轴套等）和若干被连接件。螺栓连接作为重要的机械紧固连接，在设计和校核过程中必须充分考虑这些问题，一旦发生因连接刚度或强度不匹配等原因而使连接失效的问题，可能造成不堪设想的后果。 2007 年 2 月 23 日，一列始发于英国伦敦的列车发生脱轨事故，造成 1 人遇难，77人受伤。事故原因是：事故发生路段的某个轨枕因其扣件压紧螺栓松脱，致使列车行经该路段时，无法贴紧轨面。

为了解决对螺栓的计算设计与校核问题,各国学者纷纷提出了螺栓设计校核方法。

 1  螺栓连接计算标准国内外研究现状

国内外主要有四种主流的螺栓计算方法：

1）NF-FD-E25-030《紧固件螺栓连接设计、计算和安装条件》是法国1984年发布的关于螺栓紧固件的计算标准,该标准给出了螺栓连接的计算步骤,并指出,在螺栓连接受到轴向外力作用时,该外力一部分被螺栓吸收,另一部分被连接件吸收,吸收比例主要取决于螺栓的拉压的硬度和连接件的硬度。

2）德国的工程师协会于1998年出版了VDI2230高强度螺栓系统计算指南,该指南指明在螺栓连接受到的轴向外力和弯矩,一部分被螺栓吸收,另一部分被连接件吸收,吸收比例主要取决于螺栓和被连接件的柔度。该指南重点考虑了螺栓连接系统中被连接件的材料、连接件的尺寸以及力的作用点对载荷的分配比例的影响。

3）美国螺栓栓计算标准，美国学者shigley也在《Mechanical Engineering Design》手册里面给出了螺栓的计算方法,其计算方法与步骤和VDI2230的方法基本一致,特别是在力的分配系数上的计算方法基本一致。

4）我国学者濮良贵在《机械设计》指出,对于具体的螺栓而言,其受载荷的形式为轴向力或横向力。在轴向力(包括预紧力)的作用下,螺栓杆的螺纹部分可能发生塑性变形或断裂;在横向力的作用下,当采用铰制孔用螺栓时,螺栓杆和孔壁的贴合面上可能发生压溃或螺栓杆被剪断等。

   四种标准最大的区别在于对力分配系数的计算方法不同,但力分配系数的精确度会直接影响对螺栓的计算校核结果。而在分配系数的计算方面，VDI2230更加的精细，现在已得到超过 20 年实际应用，得到了行业内的一致认可。本文主要是基于VDI2230标准，选取螺栓连接中重要参数之一的螺旋有效旋合长度来进行详细解析。

2 螺纹旋合长度

     螺纹旋合长度指的是螺纹连接中螺纹与螺纹之间的实际接合长度，是螺栓连接的重要参数之一。螺纹有效旋合长度在连接中起着重要作用，通过合理计算和选择螺纹有效旋合长度，可以保证螺纹连接的牢固性、稳定性和承载能力；从而选择合适长度的螺栓尺寸，可以使得结构轻量化；同时节省制造成本。

螺纹旋合长度过短，可能导致连接强度不足，容易滑脱或松动；螺纹旋合长度过长则可能导致应力集中，加速疲劳寿命的降低。

那么应该如何确认螺纹旋合长度能够满足设计需要呢？

2.1在法国标准：NF-FD-E25-030《紧固件螺栓连接设计、计算和安装条件》中针对螺纹长度进行了要求,具体如下：

图1 NF-FD-E25-030：螺纹长度

也就是在法国的螺栓计算标准里，螺母支承侧应留有6P长度的螺纹，而螺栓应出扣两扣。另对于盲孔螺纹连接的旋合长度并未做要求和建议。

2.2 我国学者濮良贵在《机械设计》中对于螺栓旋合长度的选择，也未做详细要求，但是针对螺母螺牙或内螺纹的螺牙的强度做了要求，并给出了计算方法。

2.3目前比较主流的是通过建立不同螺旋旋合长度的连接模型，再使用有限元进行接触分析计算，从而得到不同螺旋旋合长度的应力分布，再依据载荷设计情况确认所需的螺纹旋合长度。该方法需要进行建模计算，过程较为复杂，一般适用于特殊部件的螺栓连接。

2.4另一种方法是使用VDI2230-1:2015版本5.5.5章节提到的最小有效螺纹旋合长度计算方法；其对于螺母连接和内螺纹连接的旋合长度的选择均进行了较为详细的规定和要求，详见第三章节。

3 VDI2230中的螺纹旋合长度计算

    由VDI2230的5.5.5章节可知，当螺纹配合的承载能力与自由加载的螺栓螺纹或杆部的承载能力相等时，达到临界旋合长度或螺母高度 mkr（包括不完全承载部分的螺栓和螺母或内螺纹的完全旋合螺纹圈数的长度）（见图

2，以M10的螺栓配合为例）。

图2 螺纹旋合长度和内螺纹脱扣力（VDI2230）

使用标准螺母的螺栓连接，当螺母的强度等级至少与螺栓相等时，能够承受完全载荷。如，10.9 级螺栓使用 10 级螺母。该种情况只要螺栓螺纹出扣，螺纹旋合长度完全足够，可以省略螺纹旋合长度的计算。

当螺栓拧入由相对低强度材料制成的螺母或内螺纹时，在低于临界长度的螺栓螺纹圈数时，会在过载的情况下脱扣螺母螺纹。在这种情况下，螺栓连接的承载能力取决于剪切面积，其由螺栓螺纹的外径和螺母材料的剪切强度确定。

强度比：

3.1螺纹最小有效旋合长度的粗略估计法

   当强度比 RS < 1，意味着螺母或内螺纹临界，有脱扣风险。此时可以采用VDI2230中的图36中关于有效螺纹旋合长度估算指导值曲线图来进行粗略估算。

图3 内螺纹临界情况所需具体有效旋合长度的指导值（VDI2230）

该连接结构的强度比小于1，同时其内螺纹材料剪切强度在图3的曲线范围内；按照图3曲线可以估算得到其;

3.2螺纹最小有效旋合长度的详细计算法

由3.1章节可知，当使用碳钢螺栓连接时，且在内螺纹材料剪切强度在曲线横坐标范围内，才能使用图3纹旋合长度指导值的方式进行快速粗略的估算法。但是在实际应用过程中，可能使用不锈钢螺栓，内螺纹材料的剪切强度不在图3的曲线范围内。对于不能使用图3进行估算的，可以采用更精确的计算方法:

3.2.1内螺纹临界时有效旋合长度计算方法

当RS < 1,意味着螺母或内螺纹临界，螺纹连接承载能力最不利的情况是：当螺栓螺纹外径 d 处于公差下限和螺母螺纹中径 D2 处于公差上限时。引入修正系数C1和C3,可得螺纹所需旋合总长度计算公式：

3.2.2螺栓螺纹临界时有效旋合长度计算方法

当RS ≥ 1,意味着螺母或内螺纹临界当螺栓拧入相对高强度材料制成的螺母时，在过载的情况下，低于临界旋合长度时，螺母螺纹会脱扣螺栓螺纹。

在这种情况下，螺栓连接的承载能力取决于由螺母或内螺纹内径确定的剪切面积和螺栓材料的剪切强度。计算过程与内螺纹临界类似，但应使用修正系数 C2，而不是 C3。可得螺纹所需旋合总长度计算公式：

由3.1和3.2章节可知，VDI2230对于螺纹旋合长度的计算和要求最为全面，即可使用估算法，也可使用精确计算法，得到所需旋合总长度。  

4.结束语

     该论文以VDI 2230-1为主线，总结螺栓螺纹最小有效旋合长度的计算方法，对估算法的前提条件和具体使用方法做了详细介绍；重点讲述了VDI2230-1:2015版本新增的关于螺旋有效旋合长度的详细计算部分。希望可以给螺栓设计和选型提供参考。

参考文献

[1] 向福腾 螺栓连接件等效压缩刚度计算方法研究【D】西南交通大学

[2] 柯 新  单螺栓连接设计与校核关键参数研究【D】西南交通大学

[3] VDI 2230 Blatt 1-2015 Systematic calculation of highly stressed bolted joints

Joints with one cylindrical bolt【S】

[4] 齐芃芃 螺纹旋合长度和自攻螺套对铝合金螺纹连接的影响【J】铝加工

[5] 李 响  螺纹旋合长度对钢轨接头螺栓强度的影响分析【N】天津科技大学学报

作者简介：

陈骢，男，工学学士，工程师，2013年毕业于西南交通大学车辆工程专业，现从事机车车辆设计认证工作