第28卷第5期
2007年 5月
煤 矿 机 械
Vol 128No 15May. 2007
斜梯形锥螺纹联接强度计算方法探讨
徐子平, 孙玉萍, 曹年宝
(煤炭科学研究总院南京研究所, 南京210018)
摘要:介绍了螺纹的种类和分类方法以及斜梯形锥螺纹的主要应用场合, 并着重介绍了斜梯形锥螺纹联接强度的计算方法、斜梯形锥螺纹与三角形锥螺纹的受力强度比较。分析了斜梯形锥螺纹牙形承受轴向拉力的能力要比三角形锥螺纹要强的原因。
关键词:斜梯形螺纹; 锥螺纹; 三角形锥螺纹; 强度
中图分类号:TH13 文献标志码:A 文章编号:1003-0794(2007) 05-0014-02
Discussion on Calculation Method of Connecting Strength of
Taper Screw with Buttress Thread
XU Zi -ping , SUN Yu -ping , CAO Nian -bao
(General Coal M ining Research Insti tute, Nanjing Research Insti tute, Nanjing 210018, Chi na)
Abstract :Introduces the kinds and the classification metheds of threads, and the main application of taper scre w with buttress thread. Especially introduces a calculation method of connecting strength of taper screw with buttress thread and a c omparison between taper scre w with buttress thread and taper screw with triangle thread in strength of supporting power. The reason that taper scre w with buttress thread stands greater axial pulling power than taper screw with triangle thread is analysed.
Key words :buttress thread; taper scre w; taper screw with triangle thread; strength 0 引言
螺纹的分类按牙形大致可分为三角形螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹以及斜梯形螺纹(或锯齿形螺纹) 等, 按轴向外形又可分为直螺纹和锥螺纹2种。目前, 我国大多数小型探矿用的地质钻机钻杆螺纹基本采用矩形螺纹, 而诸如石油钻机及反井钻机等大型钻机钻杆螺纹均采用锥形三角螺纹, 采用最多的是API 石油正规扣锥三角螺纹, 其特点是传递扭矩大, 且能承受较大的轴向推力。在承受轴向拉力较小时, 反井钻机也基本采用API 石油正规扣螺纹。而当轴向拉力较大时, 如采用API 石油正规扣锥三角螺纹, 螺纹强度就显得较弱了, 大型反井钻机在施工较深的反井时经常发生钻杆螺纹断裂事故。在国外许多大型反井钻机的钻杆螺纹基本都采用了斜梯形锥螺纹(或称为锯齿形锥螺纹) , 且制定了相关的企业标准) DI 标准。
1 斜梯形螺纹的研究
煤炭科学研究总院南京研究所在对国外反井钻机的研究过程中, 对国外反井钻机钻具所采用的联接螺纹进行了专门的研究, 发现国外反井钻机钻杆等钻具中使用的联接螺纹牙形形式与我国反井钻机中所采用的API 正规扣锥三角螺纹或贯眼扣锥三角螺纹均不同, 其牙形为斜梯形扣牙形(或称为锯齿形牙形) , 锥螺纹的锥度也小于API 正规扣锥三角螺纹, 锥度为1:8, 而API 正规扣锥三角螺纹或贯眼扣
图2 斜梯形锥螺纹公接头牙形形式示意图图1
斜梯形锥螺纹公接头的外形示意图
锥三角螺纹中大多采用1B 4或1B 6的锥度。斜梯形锥螺纹公接头的外形示意如图1所示, 牙形形式如图2
所示。
通过对斜梯形锥螺纹牙形的分析研究和受力分析, 发现斜梯形锥螺纹牙形承受轴向拉力的能力要比三角螺纹要强得多, 因而对反井钻机这种往下钻小孔, 钻具所受的压力较小, 往上反扩孔径大, 钻具承受较大拉力的工况特别适用。因此, 在国外大多数承受较大轴向拉力的设备中都采用了该种螺纹联接。
2 斜梯形锥螺纹强度计算的方法和公式
斜梯形锥螺纹强度计算可参照普通三角螺纹的
强度计算方法进行计算, 计算螺纹牙形的剪切、弯曲、挤压强度是螺纹直径可取梯形锥螺纹基面处大径进行计算。
(1)斜梯形锥螺纹螺杆部分的整体拉伸强度计算
斜梯形锥螺纹公接头部分的外径d 可按公接头根部外径d 2进行计算, 对于钻机用钻杆而言, 接头内部还有中心孔d 3, 其整体拉伸强度
R =式中
[[R ]P (d 2-d 3) 力;
[R ]) ) ) 接头材料的许用拉应力。 (2) 斜梯形锥螺纹牙形的剪切强度计算
如图3所示, 作用于每圈螺纹上的轴向载荷P 1
由螺纹牙沿周向悬臂梁根部断面的剪切所平衡, 假设剪应力平均分布在牙根端面上, 斜梯形锥螺纹公接头所承受的轴向拉力为F , 螺纹有效作用牙数为n , 斜梯形锥螺纹牙形的螺纹牙根宽度为L 1, 则P 1=F P n , 斜梯形锥螺纹牙形的剪切强度条件为
S =式中
P 1
[[S ]4L 1
(2)
图4 螺纹牙展开图
R w =
M max P 1t P 23P 1t
==[[R ]w W P d 1L 1P 6P d 1L 1
(3)
式中 [R ]w ) ) ) 接头材料的许用弯曲应力。
由此可以看出斜梯形锥螺纹牙形的弯曲强度要高于三角形(锥)
螺纹。
(1)
F ) ) ) 斜梯形锥螺纹公接头所承受的轴向拉
(4) 斜梯形锥螺纹牙形的挤压强度计算
同样, 每圈螺纹所受的作用力P 1对螺纹牙型的平均挤压应力
P 14P 1
R j ==[[R ]j P (d -d 4) P 4P (d -d 4) 式中 [R ]j ) ) ) 接头材料的许用挤压应力。可以看出, 对于具有同样牙高和内外径的斜梯
形锥螺纹和三角形(锥) 螺纹, 由于大小径尺寸相同, 从而斜梯形锥螺纹牙形的挤压强度与三角形(锥) 螺纹也相同。
在计算斜梯形锥螺纹牙形的强度时, 必须同时满足式(2) 、式(3) 、式(4) 3个条件, 如内螺纹的材料与外螺纹相同, 可不必计算内螺纹的弯曲和剪切应力, 因为内螺纹的受弯和受剪断面积比外螺纹大, 相应的应力值肯定小于外螺纹, 但当内外螺纹所采用的材料不同时, 其牙形强度必须分别进行计算。3 结语
通过对斜梯形锥螺纹牙形的分析研究和强度计算比较, 发现斜梯形锥螺纹牙形承受轴向拉力的能力要比三角螺纹强得多, 因而对反井钻机钻具等承受较大拉力的工况设备特别适用。因此, 建议在反井钻机的钻具中应大力推广使用斜梯形锥螺纹牙形。
参考文献:
[1]杨文州. 普通螺纹强度计算公式的简化[J]. 机电工程, 1989(2) :13-14.
[2]5机械设计手册6联合编写组. 机械设计手册[K]. 北京:化学工业
出版社, 1987. 作者简介:徐子平(1964-) , 江苏扬中人, 煤炭科学研究总院南京研究所高级工程师, 1985年毕业于原中国矿业学院煤矿机械设计专业, 现从事科研及科技经营工作, 完成科研项目20余项, 发表论文10余篇, 电话:025-83608831, 电子信箱:xzp1230@126. com.
(4)
d 4) ) ) 对斜梯形锥螺纹而言可取基面处螺纹
小径尺寸; [S ]) ) ) 接头材料的许用剪应力。
由图4可以看出, 对于具有同样牙高和内外径的斜梯形锥螺纹和三角形(锥) 螺纹, 由于斜梯形锥螺纹牙形的外螺纹大径处牙宽大于三角形(锥) 螺纹, 当二者牙形夹角相同时, 斜梯形锥螺纹牙形的螺纹牙根宽度L 1大于三角形(锥) 螺纹的牙根宽度a , 从而斜梯形锥螺纹牙形的剪切强度要高于三角形(锥)
螺纹。
图3 普通三角螺纹受力简图
(3) 斜梯形锥螺纹牙形的弯曲强度计算计算斜梯形锥螺纹牙形的弯曲强度时, 同样应把螺纹牙展开, 把螺纹牙看作是在螺纹牙高度中点处受到平均分布力P 1作用下的悬臂梁, 如图4所示, 其最大弯曲应力
收稿日期:2007-02-07