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高職《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》螺紋連接與螺旋傳動(dòng)-、教案****職業(yè)技術(shù)學(xué)院教案第10次課教學(xué)課型:理論課√實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□實(shí)踐課□技能課□其它□主要教學(xué)內(nèi)容7.1螺紋連接的基本知識(shí)7.2螺紋連接的預(yù)緊與防松重點(diǎn)、難點(diǎn)螺紋及螺紋聯(lián)接及其零件的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型螺紋連接的預(yù)緊和防松教學(xué)目的要求:了解螺紋聯(lián)接的基本類(lèi)型以及其間的區(qū)別;掌握螺紋聯(lián)接、預(yù)緊和防松措施教學(xué)方法和教學(xué)手段:多媒體講授討論、思考題、作業(yè):常用螺紋的種類(lèi)有哪些?各用于什么場(chǎng)合?螺紋的導(dǎo)程和螺距有何區(qū)別?3.螺紋連接的基本形式有哪幾種?參考資料:多媒體材料,網(wǎng)絡(luò)資料講稿內(nèi)容備注7.1螺紋聯(lián)接1.螺紋的分類(lèi)螺紋主要尺寸的不同,其性能、用途也不同。常用的螺紋牙型有普通螺紋、管螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋和矩形螺紋(其中除矩形螺紋外都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化)。2.螺紋的主要幾何尺寸在機(jī)械制圖中,我們已經(jīng)接觸過(guò)螺紋和螺紋聯(lián)接件?,F(xiàn)在我們就以圖7-1來(lái)說(shuō)明螺紋的主要幾何參數(shù),該圖是GB192-81標(biāo)準(zhǔn)化的螺紋牙型圖。圖7-1(1)大徑d(D):螺紋的最大直徑,在標(biāo)準(zhǔn)中也作公稱(chēng)直徑。圖7-1(2)中徑():通過(guò)螺紋軸向剖面內(nèi)牙型上的溝槽和凸起寬度相等處的假想圓柱面的直徑,近似等于螺紋的平均直徑,是確定螺紋幾何參數(shù)的直徑。(3)小徑():即螺紋的最小直徑,在強(qiáng)度計(jì)算中常作為危險(xiǎn)剖面的計(jì)算直徑。(4)螺距:螺紋相鄰兩牙在中徑上對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)的軸向距離。(5)線數(shù)n:螺紋的螺旋線數(shù)量,也稱(chēng)螺紋頭數(shù)。(6)導(dǎo)程s:同一螺旋線上的相鄰兩牙在中徑線上對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間的軸向距離。對(duì)于單線螺紋s=p;對(duì)于多線螺紋s=np。(7)升角:中徑圓柱上,螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角。(8)牙型角:螺紋牙型兩側(cè)邊的夾角。(9)螺紋的工作高度h:表示內(nèi)外螺紋沿徑向的接觸高度。對(duì)于這些幾何參數(shù)值的規(guī)定,國(guó)際上和國(guó)內(nèi)都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。規(guī)定的值不同,就會(huì)形成不同的螺紋,需要時(shí)可以查閱相關(guān)的手冊(cè)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。3.常用螺紋的特點(diǎn)和應(yīng)用1)三角形螺紋(普通螺紋)牙型角為60o,可以分為粗牙和細(xì)牙,粗牙用于一般聯(lián)接;與粗牙螺紋相比,細(xì)牙由于在相同公稱(chēng)直徑時(shí),螺距小,螺紋深度淺,導(dǎo)程和升角也小,自鎖性能好,宜用于薄壁零件和微調(diào)裝置。2)管螺紋多用于有緊密性要求的管件聯(lián)接,牙型角為55o,公稱(chēng)直徑近似于管子內(nèi)徑,屬于細(xì)牙三角螺紋。3)梯形螺紋牙型角為30o,是應(yīng)用最為廣泛的傳動(dòng)螺紋。圖7-2圖7-24)鋸齒型螺紋兩側(cè)牙型角分別為3o和30o,3o的一側(cè)用來(lái)承受載荷,可得到較高效率;30o一側(cè)用來(lái)增加牙根強(qiáng)度。適用于單向受載的傳動(dòng)螺紋。5)矩形螺紋牙型角為0o,適于作傳動(dòng)螺紋。以上5種常見(jiàn)螺紋牙型如圖7-2所示。另外,螺紋可以根據(jù)需要制成左旋或右旋(通常螺紋為右旋)。圖7-3沿螺紋軸線方向看,螺旋線自下而上向右傾斜為右旋(如圖a),向左傾斜為左旋(如圖b)。左旋螺紋的標(biāo)準(zhǔn)緊固件通常制有左旋標(biāo)記。按制訂的螺紋標(biāo)準(zhǔn)不同,現(xiàn)在常見(jiàn)的有米制和英制兩大類(lèi)。我國(guó)除管螺紋外,一般采用米制。要注意:在實(shí)際工作中,特別是從事維修行業(yè)時(shí)要注意一些進(jìn)口機(jī)器中螺紋的單位制。凡是牙型、大徑和螺距符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的螺紋都稱(chēng)為標(biāo)準(zhǔn)螺紋。除機(jī)械制造中常用的標(biāo)準(zhǔn)螺紋外,還有適用于某些特殊行業(yè)的專(zhuān)用螺紋標(biāo)準(zhǔn),在需要的時(shí)候可以查閱有關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)。圖7-3雖說(shuō)螺紋并不陌生,但為了從理論的高度來(lái)理解和研究螺紋聯(lián)接,接下來(lái)我們就需要對(duì)螺紋聯(lián)接的基本類(lèi)型和螺紋常用緊固件進(jìn)行了解。圖7-34.螺紋聯(lián)接的基本類(lèi)型和螺紋緊固件螺紋緊固件如圖所示為典型的螺紋聯(lián)接方式之一。從圖中可以看出,聯(lián)接必須存在至少兩個(gè)被聯(lián)接件。同時(shí)具有螺栓、墊片、螺母等零件組成了一個(gè)聯(lián)接。那么,螺紋緊固件的種類(lèi)到底有那些呢?聯(lián)接實(shí)際上是和人類(lèi)的發(fā)展緊密相連的。隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展,隨著專(zhuān)業(yè)化分工的出現(xiàn),為了提高零件的互換性,標(biāo)準(zhǔn)化勢(shì)在必行。作為各個(gè)行業(yè)都不可或缺的重要部分:聯(lián)接,特別是螺紋聯(lián)接、螺紋緊固件的類(lèi)型、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化顯得更具重要性。就目前來(lái)講,螺紋緊固件的品種很多,但是從結(jié)構(gòu)等方面來(lái)說(shuō),常用的有以下幾種。(1)螺栓圖8-12螺栓是工程上、日常生活中應(yīng)用最為普遍、廣泛的緊固件之一,其形狀如圖7-4所示。圖8-12圖7-4螺栓的頭部有各種不同形狀,但是我們最常見(jiàn)的是六角頭,為了滿(mǎn)足工程上的不同需要,六角頭又有標(biāo)準(zhǔn)六角頭和小六角頭。一般情況下我們使用標(biāo)準(zhǔn)六角頭,在空間尺寸受到限制的地方使用小六角頭螺栓。但是,小六角頭螺栓的支承面積較小,如果用于經(jīng)常拆卸的場(chǎng)合時(shí),螺栓頭的棱角也易于磨圓。圖7-4(2)雙頭螺栓如圖所示。雙頭螺栓的兩端都制有螺紋,兩端的螺紋可以相同,也可以不同。其安裝方式是一端旋入被聯(lián)接件的螺紋孔中,另一端用來(lái)安裝螺母。(3)螺釘螺釘?shù)念^部有各種形狀,如圖7-5所示。為了明確表示螺釘?shù)奶攸c(diǎn),所以通常以其頭部的形狀來(lái)命名,如:半圓頭螺釘、圓柱頭螺釘、沉頭螺釘和內(nèi)六角圓柱螺釘?shù)鹊?。螺釘?shù)某休d力一般較小。但是注意:在許多情況下,螺栓也可以用作螺釘。圖7-5圖7-6(4)緊定螺釘圖7-5圖7-6常用緊定螺釘如圖7-6所示。緊定螺釘主要用于小載荷的情況下。例如,以傳遞圓周力為主的情況下,防止傳動(dòng)零件的軸向串動(dòng)等。可以看出:緊定螺釘?shù)墓ぷ髅媸窃谀┒?,所以?duì)于重要的緊定螺釘需要淬火硬化后才能滿(mǎn)足要求。(5)螺母圖7-7螺母是和螺栓相配套的標(biāo)準(zhǔn)零件,其外形有:六角形、圓形、方形及其它特殊的形狀。如圖7-7所示。圖7-7其厚度有厚的、標(biāo)準(zhǔn)的和扁的,其中以標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用最廣。(6)墊圈墊圈也是標(biāo)準(zhǔn)件,品種也最多,如圖7-8所示。圖7-8但是,應(yīng)用最多、最常見(jiàn)的有平墊和彈簧墊兩種。平墊的目的主要是為了增加支承面積,同時(shí)對(duì)支承面起保護(hù)作用。彈簧墊主要是用于防止螺母和其它緊固件的自動(dòng)松脫。所以凡是有振動(dòng)的地方又未采取其它防松措施時(shí),原則上都應(yīng)該加裝彈簧墊。圖7-8除了以上兩類(lèi)墊圈外,還有一些特殊的墊圈,如方斜墊圈、止動(dòng)墊圈等等。在需要的時(shí)候可查閱設(shè)計(jì)手冊(cè)。在選用標(biāo)準(zhǔn)件緊固件時(shí),我們應(yīng)該視具體情況,對(duì)連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較后合理選擇。另外,我們需要注意:螺紋緊固件一般分精制和粗制兩種,在機(jī)械工業(yè)中主要選擇使用精制螺紋。5.螺紋聯(lián)接的基本類(lèi)型根據(jù)所用緊固件和聯(lián)接方式的不同,螺紋聯(lián)接可以分為四種基本類(lèi)型。1)螺栓聯(lián)接如圖7-9所示的螺栓連接。其主要特點(diǎn)是被聯(lián)接件上制有通孔,孔與螺栓桿之間可以留有間隙(普通螺栓連接),也可以將螺栓桿上的沒(méi)有螺紋部分作成與孔的過(guò)渡配合聯(lián)接形式。7-9普通螺栓聯(lián)接:由于孔和桿之間留有間隙,可以補(bǔ)償各孔之間的位置誤差,且加工簡(jiǎn)單,裝拆方便,所以得到廣泛的應(yīng)用。通孔的大小不能隨意,應(yīng)該根據(jù)裝配精度查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)確定。7-9鉸制孔螺栓聯(lián)接:多采用基孔制過(guò)渡配合,如H7/m6,H7/n6等,螺桿與通孔加工精度高。由于孔與桿之間是過(guò)渡配合,具有定位作用,可以承受橫向載荷,但是加工成本高。在選擇螺栓時(shí),需要考慮聯(lián)接的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行。圖7-102)雙頭螺栓聯(lián)接圖7-10如圖7-10所示。從圖上可以看出,其主要特點(diǎn)為一個(gè)被聯(lián)接件上制有螺紋孔,其它被聯(lián)接件上則有通孔。這種聯(lián)接主要用于被聯(lián)接件較厚或受到空間位置尺寸限制,而又需要經(jīng)常拆卸的情況下使用。這種聯(lián)接拆卸時(shí),只需要把螺母擰下即可,而螺柱留在原位,以免因多次拆卸使內(nèi)螺紋損壞(磨損失效)。其螺柱的擰入深度的取值與被聯(lián)接件的材料、螺柱的直徑有關(guān)。3)螺釘聯(lián)接如圖7-11所示,為以典型的工程螺釘聯(lián)接形式,其特點(diǎn)是:在一個(gè)被聯(lián)接件上加工有螺紋孔,裝配時(shí)螺釘直接擰入螺紋孔中,不需要螺母。圖7-11這種聯(lián)接主要用在空間位置受到限制,而且聯(lián)接不需要經(jīng)常拆卸的地方。圖7-11比較上面三種聯(lián)接方式可以看出,一般情況使用螺栓聯(lián)接,在空間位置尺寸受到限制時(shí),可以使用雙頭螺栓聯(lián)接,也可以使用螺釘聯(lián)接,其選擇取決于拆卸的頻繁程度。4)緊定螺釘聯(lián)接圖7-12如圖7-12所示,這種聯(lián)接主要用來(lái)固定被聯(lián)接件的相對(duì)位置的。如圖中,主要傳遞扭矩,為了防止軸向串動(dòng)加設(shè)緊定螺釘。當(dāng)然,也可以傳遞較小的力或扭矩。圖7-127.2螺紋聯(lián)接的預(yù)緊與防松7.2.1螺紋聯(lián)接的預(yù)緊在日常生活中,我們大多數(shù)同學(xué)都應(yīng)該擰過(guò)螺栓。根據(jù)個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)知道:當(dāng)利用螺栓聯(lián)接時(shí),需要將螺母擰緊,為什么呢?下面我們就從科學(xué)的理論與方法來(lái)探討研究這方面的問(wèn)題。我們根據(jù)日常的生活經(jīng)驗(yàn)和前面學(xué)過(guò)的材料力學(xué)有關(guān)知識(shí)知道,任何材料在受到外力作用時(shí),都會(huì)產(chǎn)生或多或少的形變,螺栓也不例外。當(dāng)聯(lián)接螺栓承受外在拉力時(shí),將會(huì)伸長(zhǎng)。如果我們?cè)诔跏紩r(shí)僅將螺母擰上使各個(gè)接合面貼合,那么在受到外力作用時(shí),接合面之間將會(huì)產(chǎn)生間隙。所以為了防止這種情況的出現(xiàn),我們都知道在零件未受工作載荷前需要將螺母擰緊,使組成聯(lián)接的所有零件都產(chǎn)生一定的彈性變形(螺栓伸長(zhǎng)、被聯(lián)接件壓縮),從而可以有效地保證聯(lián)接的可靠。這樣,各零件在承受工作載荷前就受到了力的作用,這種方式就稱(chēng)為預(yù)緊,這個(gè)預(yù)加的作用力就稱(chēng)為預(yù)緊力。顯然,預(yù)緊的目的就是:增強(qiáng)聯(lián)接的緊密性、可靠性,防止受載后被聯(lián)接件之間出現(xiàn)間隙或發(fā)生相對(duì)滑移。經(jīng)驗(yàn)證明:選用適當(dāng)較大的的預(yù)緊力,對(duì)螺栓聯(lián)接的可靠性及螺栓的疲勞強(qiáng)度都是有利的。但過(guò)大的預(yù)緊力會(huì)使緊固件在裝配或偶爾過(guò)載時(shí)斷裂。因此,對(duì)于重要的螺栓聯(lián)接,在裝配時(shí)需要控制預(yù)緊力。對(duì)于一般聯(lián)接用的鋼制螺栓,其聯(lián)接預(yù)緊力不超過(guò)其材料屈服極限的80%。可以按下面的推薦的關(guān)系式確定:碳素鋼螺栓:合金鋼螺栓:圖7-13式中:A1——圖7-13預(yù)緊力的具體數(shù)值應(yīng)該根據(jù)載荷性質(zhì)、聯(lián)接剛度(后面要講)等具體的工作條件來(lái)確定。對(duì)于重要的螺栓聯(lián)接,應(yīng)在圖紙上作為技術(shù)條件注明預(yù)緊力矩,以便在裝配時(shí)保證。圖7-141.預(yù)緊力控制方法圖7-14在裝配時(shí),預(yù)緊力是借助于測(cè)力矩扳手或定力矩扳手控制的,如圖7-13、7-14所示,通過(guò)控制擰緊力矩來(lái)間接保證預(yù)緊力的。預(yù)緊力矩有兩部分組成:1)螺紋副的摩擦力矩T1;2)螺母和釘頭與支承面間的摩擦力矩T2。預(yù)緊力矩的計(jì)算公式為:其中:——預(yù)緊力 ——螺紋升角——螺旋副的當(dāng)量摩擦角——支承面環(huán)形帶的外徑、內(nèi)徑——螺紋中徑——支承面間的摩擦系數(shù)對(duì)于d為10~64mm的常用粗牙普通鋼制螺栓,上式可近似簡(jiǎn)化為:對(duì)于只靠經(jīng)驗(yàn)而不加嚴(yán)格控制預(yù)緊力的重要螺栓,例如壓力容器、輸氣、輸油管道等聯(lián)接螺栓,不宜采用小于M12~M16的緊固件。2.預(yù)緊應(yīng)力預(yù)緊應(yīng)力的計(jì)算應(yīng)綜合考慮產(chǎn)生的拉應(yīng)力和摩擦力矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力,故對(duì)采用塑性鋼材制造的普通緊固件,應(yīng)該采用第四強(qiáng)度理論來(lái)計(jì)算其。()因?yàn)椋裕阂布矗嚎梢詫㈩A(yù)緊力增加30%,以考慮扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的影響。****職業(yè)技術(shù)學(xué)院教案第11次課教學(xué)課型:理論課√實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□實(shí)踐課□技能課□其它□主要教學(xué)內(nèi)容7.2螺紋聯(lián)接的預(yù)緊和防松7.3螺栓組聯(lián)接設(shè)計(jì)7.4螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算7.5提高螺栓強(qiáng)度的措施重點(diǎn)、難點(diǎn)1.防松的必要性、基本原理和具體措施2.提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施教學(xué)目的要求:1.了解螺紋聯(lián)接擰緊的目的2.了解螺紋聯(lián)接防松的必要性以及防松的基本原理3.掌握提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施教學(xué)方法和教學(xué)手段:多媒體講授討論、思考題、作業(yè):為什么螺紋連接通常要采用防松措施?常用的放松方法和裝置有哪些?常見(jiàn)螺紋失效有哪幾種形式?失效發(fā)生的部位通常在何處?參考資料:多媒體材料,網(wǎng)絡(luò)資料講稿內(nèi)容備注7.2螺紋連接的預(yù)緊與防松7.2.2螺紋聯(lián)接的防松機(jī)械中聯(lián)接的失效(松脫),輕者會(huì)造成工作不正常,重者要引起嚴(yán)重事故。因此,螺紋聯(lián)接的防松是工程工作中必須考慮的問(wèn)題之一。一般來(lái)說(shuō),聯(lián)接螺紋具有一定的自鎖性,在靜載荷條件下并不會(huì)自動(dòng)松脫。但是,由于聯(lián)接的工作條件是千變?nèi)f化、各不相同的具體實(shí)際場(chǎng)合,都不可避免地存在沖擊、振動(dòng)、變載荷作用。在這些工況條件下,螺紋副之間的摩擦力會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)消失或減小的現(xiàn)象;同時(shí)在高溫或溫度變化比較大的場(chǎng)合,材料會(huì)發(fā)生蠕變和應(yīng)力松弛,也會(huì)使摩擦力減小。在多次的作用下,就會(huì)造成聯(lián)接的逐漸松脫。防松的本質(zhì):就是防止螺紋副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),也就是螺栓與螺母間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)(內(nèi)螺紋與外螺紋之間)。常用的防松方法有三種:摩擦防松、機(jī)械防松和永久防松。機(jī)械防松和摩擦防松稱(chēng)為可拆卸防松,而永久防松稱(chēng)為不可拆卸防松。常用的永久防松有:點(diǎn)焊、鉚接、粘合等。這種方法在拆卸時(shí)大多要破壞螺紋緊固件,無(wú)法重復(fù)使用。常見(jiàn)摩擦防松有:利用墊片、自鎖螺母及雙螺母等。常見(jiàn)的機(jī)械防松方法:利用開(kāi)口銷(xiāo)、止動(dòng)墊片及串鋼絲繩等。機(jī)械防松的方法比較可靠,對(duì)于重要的聯(lián)接要使用機(jī)械防松的方法。下面我們分述如下:1、摩擦防松1)彈簧墊片防松彈簧墊圈材料為彈簧鋼,裝配后墊圈被壓平,其反彈力能使螺紋間保持壓緊力和摩擦力,從而實(shí)現(xiàn)防松。2)對(duì)頂螺母防松利用螺母對(duì)頂作用使螺栓式中受到附加的拉力和附加的摩擦力。由于多用一個(gè)螺母,并且工作不十分可靠,目前已經(jīng)和少使用了。3)彈性圈螺母防松螺紋旋入處嵌入纖維或尼龍來(lái)增加摩擦力。該彈性圈還起防止液體泄漏的作用。4)自鎖螺母防松螺母一端制成非圓形收口或開(kāi)縫后徑向收口。當(dāng)螺母擰緊后,收口脹開(kāi),利用收口的彈力使旋合螺紋間壓緊。這種防松結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、防松可靠,可多次拆裝而不降低防松性能。2、機(jī)械防松1)槽形螺母和開(kāi)口銷(xiāo)防松槽形螺母擰緊后,用開(kāi)口銷(xiāo)穿過(guò)螺栓尾部小孔和螺母的槽,也可以用普通螺母擰緊后進(jìn)行配鉆銷(xiāo)孔。2)圓螺母和止動(dòng)動(dòng)墊片使墊圈內(nèi)舌嵌入螺栓(軸)的槽內(nèi),擰緊螺母后將墊圈外舌之一褶嵌于螺母的一個(gè)槽內(nèi)。3)止動(dòng)墊片螺母擰緊后,將單耳或雙耳止動(dòng)墊圈分別向螺母和被聯(lián)接件的側(cè)面折彎貼緊,實(shí)現(xiàn)防松。如果兩個(gè)螺栓需要雙聯(lián)鎖緊時(shí),可采用雙聯(lián)止動(dòng)墊片。4)串聯(lián)鋼絲防松用低碳鋼鋼絲穿入各螺釘頭部的孔內(nèi),將各螺釘串聯(lián)起來(lái),使其相互制動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)需要注意鋼絲穿入的方向,如圖所示。3、沖邊法防松如圖所示。4、粘合防松通常采用厭氧膠粘結(jié)劑涂于螺紋旋合表面,擰緊螺母后粘結(jié)劑能夠自行固化,防松效果良好。7.6螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在工程上,我們可以看到,單獨(dú)利用一個(gè)螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)接的情況并不多見(jiàn),基本上都是由幾個(gè)螺栓按適當(dāng)?shù)囊?guī)律排列起來(lái),共同完成和實(shí)現(xiàn)一個(gè)聯(lián)接任務(wù)的,這些情況我們稱(chēng)為螺栓組。下面我們就來(lái)看一下螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則和應(yīng)該注意那些問(wèn)題。要注意:雖說(shuō)我們講的是螺栓組,但這些方法和原則對(duì)其它的螺紋聯(lián)接同樣適用。在長(zhǎng)期的工作實(shí)踐中,人們了解到,如何盡可能地使各個(gè)螺栓接近均勻地承擔(dān)外載,是設(shè)計(jì)、安裝螺栓組的主要問(wèn)題。合理布置同一組內(nèi)的螺栓的位置起著關(guān)鍵的作用。通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),在進(jìn)行螺栓組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮以下七個(gè)方面的問(wèn)題。1)螺栓(釘)孔的布置聯(lián)接接合面的幾何形狀通常都設(shè)計(jì)成軸對(duì)稱(chēng)的簡(jiǎn)單幾何形狀,同一螺栓組的螺栓布置應(yīng)力求對(duì)稱(chēng)、分布均勻,從設(shè)計(jì)上首先保證被聯(lián)接件接合面上受力均勻。如圖7-15所示。在布置螺栓時(shí),應(yīng)該注意:不要在平行于外力的方向成排地布置8個(gè)以上的螺栓,以免載荷分布過(guò)度不均(當(dāng)然也不是絕對(duì)的)。2)螺栓排列應(yīng)有合理的釘距、邊距在布置螺栓時(shí),螺栓中心線與機(jī)體壁、螺栓之間的距離,要依據(jù)扳手所需的活動(dòng)空間大小和聯(lián)接的額密封性要求來(lái)決定。最小扳手空間尺寸可查閱有關(guān)手冊(cè),也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。一般來(lái)講,螺栓中心線到機(jī)體外壁的距離為:mm(其中D為螺栓六角頭大徑)螺栓之間的距離一般按照經(jīng)驗(yàn)公式選擇:(用于一般聯(lián)接及壓力的壓力容器)(用于密封性要求高及壓力場(chǎng)合)(用于無(wú)密封要求的場(chǎng)合)3)螺栓數(shù)量的選擇分布在同一圓周上的額螺栓數(shù)應(yīng)取為3、4、6、8、12等易于分度的數(shù)目,以利于劃線鉆孔和加工。當(dāng)然,如果自動(dòng)化程度較高,也可以采用其它的分度方法。4)螺栓直徑的選擇圖7-15一般是先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)、或類(lèi)比的方法、或依據(jù)相關(guān)的規(guī)范進(jìn)行選取,然后在進(jìn)行強(qiáng)度的計(jì)算。圖7-15對(duì)于一般聯(lián)接,初選螺栓直徑d時(shí),約可取為被聯(lián)接件的厚度。5)螺栓規(guī)格的選擇在通用機(jī)械中,為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、制造,對(duì)同一螺栓組內(nèi)的螺栓及配套件而言,不管受力的大小差異,應(yīng)該選擇同樣材料、規(guī)格的同一標(biāo)準(zhǔn)的螺栓,便于采購(gòu)、管理和裝配。6)對(duì)聯(lián)接支承面的要求被聯(lián)接件上與螺母或螺栓頭接觸的支承面應(yīng)該平整,并且要求與螺栓軸線垂直,以免引起偏心載荷而削弱螺栓強(qiáng)度。為便于加工,經(jīng)常將支承面作成凸臺(tái)或沉頭(魚(yú)眼坑)。7)其它應(yīng)注意的問(wèn)題1.一般情況下,螺栓與釘孔之間應(yīng)留有間隙,由于螺栓是標(biāo)準(zhǔn)件,在螺栓選定之后螺栓的直徑就已經(jīng)確定。所以,必須依照螺栓直徑選擇其釘孔直徑(可以查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB5277-85)。2.?dāng)Q入螺紋深度、螺紋伸出長(zhǎng)度、螺孔加工深度、光孔深度等尺寸同樣也可以查閱相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)或手冊(cè),不能憑空想象。3.螺栓聯(lián)接的預(yù)緊及防松問(wèn)題的考慮(前面已有詳細(xì)的講述)。7.7螺紋緊固件的材料與許用應(yīng)力一.材料螺紋緊固件的材料是多種多樣的,以滿(mǎn)足不同行業(yè)不同用途的需要。常用的有:Q215、Q235、10、35和45鋼,對(duì)于承受沖擊、振動(dòng)的,可以采用高強(qiáng)度材料,如15Cr、40Cr、30CrMnSi等,用作其它特殊用途的可以采用特殊材料,例如不銹鋼等。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)材料的使用無(wú)硬性的規(guī)定,只有推薦材料。但是,規(guī)定了必須達(dá)到的性能等級(jí),見(jiàn)表(教材)。其性能等級(jí)有兩部分的數(shù)字所組成,利用小數(shù)點(diǎn)分開(kāi)。前面的數(shù)字表示公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度的;后面的數(shù)字表示屈服強(qiáng)度或與公稱(chēng)抗拉強(qiáng)度的比值的10倍。在機(jī)械設(shè)計(jì)中,一般要給出所選擇螺栓的性能等級(jí)國(guó)標(biāo)號(hào),列于明細(xì)表中,便于統(tǒng)計(jì)采購(gòu)。螺母的性能等級(jí)見(jiàn)表(教材)二.許用應(yīng)力1.鉸制孔螺栓聯(lián)接鉸制孔螺栓承受橫向載荷時(shí),許用應(yīng)力可按以下方法選擇。許用剪應(yīng)力:(靜載荷)或(變載荷)許用擠壓應(yīng)力:(靜載荷,被聯(lián)接件為鋼)或(靜載荷,被聯(lián)接件為鑄鐵)變載荷時(shí),要在以上結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以0.7~0.8。2.普通螺栓聯(lián)接對(duì)于普通螺栓聯(lián)接,受橫向載荷和軸向載荷時(shí)的許用應(yīng)力,當(dāng)控制預(yù)緊力時(shí)可取為;不控制預(yù)緊力時(shí),螺栓的許用應(yīng)力可以用下式求得:S為安全系數(shù),可以根據(jù)其公稱(chēng)直徑在(教材)中選擇。7.3螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算螺栓組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后,對(duì)于重要的螺栓連接都應(yīng)該進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。螺紋連接的主要失效形式有三類(lèi):1)拉斷;2)剪斷;3)對(duì)于鉸制孔聯(lián)接出現(xiàn)孔或螺栓擠壓變形。一般來(lái)說(shuō)這三類(lèi)失效形式是不會(huì)同時(shí)發(fā)生的。進(jìn)行螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算的第一步就是進(jìn)行載荷分析,確定其中受載最大的螺栓及載荷大小,然后根據(jù)失效可能的發(fā)生形式選擇不同的方法進(jìn)行計(jì)算。圖7-16在軸向載荷的作用下,螺栓的失效形式為螺栓拉斷。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,在靜載荷條件下,除少數(shù)由于嚴(yán)重過(guò)載失效外,螺栓聯(lián)接很少發(fā)生破壞,但在變載荷條件下,螺栓則易發(fā)生疲勞斷裂。如圖7-16所示顯示了疲勞斷裂常發(fā)生的部位及所占的比例。因此,螺栓聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算的目的,主要是依據(jù)載荷的性質(zhì)、聯(lián)接的類(lèi)型來(lái)確定螺栓所受的力,然后按相應(yīng)的強(qiáng)度條件計(jì)算螺紋小徑或校核其強(qiáng)度。圖7-16圖7-17圖7-17松螺栓聯(lián)接,螺母、螺栓和被聯(lián)接件不需要擰緊,在承受工作載荷前,聯(lián)接螺栓是不受力的,典型的結(jié)構(gòu)如圖7-17所示的起重機(jī)吊鉤。該螺栓聯(lián)接在外載荷F作用下其強(qiáng)度條件式為:或式中:d1——螺紋的小徑(mm)[]——許用拉應(yīng)力(MPa),且[]=——材料的屈服極限;S——安全系數(shù)安全系數(shù)需要根據(jù)具體情況,參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行。二.緊螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度計(jì)算這種裝配,螺栓將承受預(yù)緊力和工作載荷的雙重作用。而工作載荷的作用方式有:橫向載荷和軸向載荷兩種。1)承受橫向載荷作用時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算同樣的承受橫向載荷,螺栓聯(lián)接的方式又有兩類(lèi):普通螺栓聯(lián)接和鉸制螺栓聯(lián)接。圖7-18對(duì)于這兩類(lèi)聯(lián)接方式,其對(duì)應(yīng)的失效方式是不同的。對(duì)于普通螺栓聯(lián)接來(lái)說(shuō),如果兩聯(lián)接接合面間發(fā)生相對(duì)滑移即被視為失效;而鉸制孔聯(lián)接是依靠螺栓受擠壓的強(qiáng)度決定的。圖7-18對(duì)于普通螺紋聯(lián)接,如圖7-18所示,強(qiáng)度的計(jì)算準(zhǔn)則為:預(yù)緊力在接合面所產(chǎn)生的摩擦力必須足以阻止被聯(lián)接件間的相對(duì)滑移。設(shè)螺栓組中各螺栓所承擔(dān)的載荷是均等的,則強(qiáng)度關(guān)系式可以表示為:或螺栓桿的計(jì)算應(yīng)力為式中:——每個(gè)螺栓所受的預(yù)緊力;,——螺栓組中的螺栓數(shù)目及接合面數(shù);——接合面間的摩擦系數(shù)(根據(jù)材質(zhì)的不同而變化);——可靠性系數(shù),一般可取=1.1~1.3;圖7-18——外載總和。圖7-18我們知道,一般較小,遠(yuǎn)小于1,這時(shí)的需要很大才能滿(mǎn)足要求,勢(shì)必要增加螺栓直徑。為避免這種缺陷,可以采用如圖7-18所示的減載裝置結(jié)構(gòu),利用鍵、套筒或銷(xiāo)來(lái)承受橫向工作的載荷,使得螺栓只用來(lái)保證聯(lián)接,而不再承受工作載荷,因此預(yù)緊力不需要很大。圖7-19這種裝置的聯(lián)接強(qiáng)度是按減載零件(鍵、套筒或銷(xiāo))的剪切、擠壓強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。圖7-19此外為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),還可以采用鉸制孔用螺栓聯(lián)接,如圖7-19所示。因?yàn)槁菟U與孔壁之間沒(méi)有間隙,當(dāng)承受橫向載荷時(shí),接觸表面受擠壓,在聯(lián)接接合面處,螺栓桿則承受剪切。因此應(yīng)該對(duì)螺栓桿與孔壁配合面的擠壓強(qiáng)度和釘桿橫剖面的抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。強(qiáng)度驗(yàn)算式為:式中:d0——釘桿與孔壁配合部分的直徑;——為釘桿與被聯(lián)接件孔壁受擠壓面的最小高度,按具體要求選取,一般。2)承受軸向載荷時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算受軸向載荷的額緊螺栓聯(lián)接是工程上使用最多的一種聯(lián)接方式。這時(shí),必須同時(shí)考慮預(yù)緊力和外載力對(duì)聯(lián)接的綜和影響。如圖7-20所示為螺栓聯(lián)接的預(yù)緊和工作的全過(guò)程中螺栓與被聯(lián)接件受力變形過(guò)程的結(jié)構(gòu)示意圖(注意:為了說(shuō)明問(wèn)題,圖中的尺寸有些夸張)。當(dāng)螺栓未擰緊時(shí),螺栓和被聯(lián)接件都處于自然狀態(tài)。當(dāng)施加預(yù)緊力后,螺母擰緊,螺栓桿對(duì)應(yīng)于伸長(zhǎng),被聯(lián)接件在的作用下產(chǎn)生壓縮變形量為。當(dāng)聯(lián)接上作用有外載F時(shí),螺栓桿將繼續(xù)伸長(zhǎng),其增量為,被聯(lián)接件因壓力減小而產(chǎn)生部分彈性恢復(fù),其壓縮變形的恢復(fù)量也應(yīng)該等于,此時(shí)被聯(lián)接件上的殘余壓力稱(chēng)為殘余預(yù)緊力,用表示。由圖可以看出,螺栓桿上所受的總拉力Q可用下面的關(guān)系式表示:Q=+或Q=+F可以看出,螺栓桿和被聯(lián)接件的變形是彼此相關(guān)的,作用在螺栓上的總拉力Q并不等于預(yù)緊力和外載力之和,這一點(diǎn)計(jì)算中要特別注意。圖7-20外載荷我們可以通過(guò)對(duì)螺栓組的受力分析求得。對(duì)于殘余預(yù)緊力,一般按螺栓聯(lián)接要求或重要程度由經(jīng)驗(yàn)選取,都必須使>0。在沒(méi)有資料時(shí),可按下面推薦值選用:圖7-20=(0.2~0.6)F一般聯(lián)接,工作載荷穩(wěn)定;=(0.6~1.0)F一般載荷,工作載荷不穩(wěn)定;=(1.5~1.8)F要求由密封性的聯(lián)接;≥F地腳螺栓聯(lián)接由圖10-21的幾何關(guān)系得到關(guān)系式:;我們把、分別稱(chēng)為螺栓和被聯(lián)接件的剛度,即產(chǎn)生單位變形所需力的大小。一旦材料和結(jié)構(gòu)確定后,、可視為常數(shù)。同樣,由幾何關(guān)系可導(dǎo)出下面的關(guān)系式:所以得到:,故:從而可以得到:為保證有足夠的殘余預(yù)緊力,就要保證:其中:稱(chēng)作螺栓的相對(duì)剛度;稱(chēng)作被聯(lián)接件的相對(duì)剛度。常數(shù)的值是通過(guò)試驗(yàn)獲得的,可以參閱(教材)。由式可以看出,當(dāng)<<時(shí),外載施加在螺栓上的載荷將很小。在其它條件不變的情況下,Q、將減小。所以,在一般聯(lián)接件中采用較硬的金屬墊片以減小螺栓直徑。而密封性要求較高時(shí),采用軟金屬作墊片。我們知道,理論計(jì)算和工程實(shí)際是有差別的,為了保證可靠預(yù)緊,在求得Q以后,考慮到其它因素(如扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力等)的影響,應(yīng)將Q增加30%。圖7-20所以:圖7-207.9提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度的措施螺栓聯(lián)接的強(qiáng)度主要取決于螺栓強(qiáng)度,而影響螺栓強(qiáng)度的因素有許多。那么如何提高螺栓聯(lián)接強(qiáng)度呢?一.降低影響螺栓疲勞強(qiáng)度的應(yīng)力幅1)隨著外載在0~F之間的變化,螺栓總拉力將在Q和之間變化,其變動(dòng)幅度為,而,顯然隨著的增加,在不變的條件下,會(huì)下降,就可以使螺栓承受的變應(yīng)力相對(duì)減小,載荷趨于平穩(wěn)。所以,適當(dāng)增大預(yù)緊力可以減小變應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度的影響。圖7-212)由可知,與螺栓和被聯(lián)接件的剛度有關(guān),增大或減小都可以使減小,也可以減小變應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度的影響。為達(dá)此目的,可以:(1)改變螺栓的長(zhǎng)度或形狀,如圖8-31所示,以降低螺栓的剛度;(2)利用一定的方法提高,例如圖7-21所示,采用剛度較大的金屬墊片或采用密封圈進(jìn)行密封。圖7-21二.改善螺紋牙間的載荷分布不均現(xiàn)象圖7-23在聯(lián)接承受軸向載荷作用時(shí),在整個(gè)螺紋長(zhǎng)度上,其承受的載荷是不同的,而是逐圈遞減的。試驗(yàn)證明:約有三分之一的載荷集中在第一圈螺紋上,以后各圈遞減,在第八圈以后螺紋幾乎不承受載荷,如圖7-22和圖7-23圖7-23圖7-24改善載荷不均勻的措施,原則上是減小螺栓與螺母二者承受載荷時(shí)螺距的變化差,盡可能使螺紋各圈承受載荷接近均等。常用的方法有:1)將螺母設(shè)計(jì)成受拉伸的;2)在螺母的旋入端最初螺紋上制出倒角,如圖7-24;3)采用均載鋼絲套,利用鋼絲螺套的膨脹作用起到均載的作用。圖7-24圖7-22圖7-22圖7-25附加應(yīng)力是指由于制造、裝配或不正確設(shè)計(jì)而在螺栓中產(chǎn)生的額附加彎曲應(yīng)力。為此,聯(lián)接的支承面必須進(jìn)行加工,設(shè)計(jì)時(shí)常將支承面設(shè)計(jì)成單個(gè)凸臺(tái)锪(huo)平或采用沉頭座(又稱(chēng)魚(yú)眼坑),保證設(shè)計(jì)、制造、安裝時(shí)螺栓軸線與被聯(lián)接件的接合面垂直,如圖7-25。圖7-25四.減小應(yīng)力集中的影響我們已經(jīng)知道應(yīng)力集中是十分有害的。曾經(jīng)看到一根直徑大約600mm五.采用合理的制造工藝采用合理的制造工藝方法,也可以提高螺栓的疲勞強(qiáng)度,例如采用冷墩、滾壓或利用氮化和氰化的熱處理工藝,可以極大地提高螺栓的疲勞強(qiáng)度(滾壓大約可以提高30~40%,如果經(jīng)過(guò)熱處理再滾壓甚至可以提高大約70~100%)。至此,螺栓聯(lián)接的內(nèi)容我們就講解完畢,那么我們?cè)趯?shí)際工作中應(yīng)如何利用這些知識(shí)呢?下面我們就來(lái)看書(shū)上給我們提供的例題。例:(略)在聯(lián)接中,除了螺紋聯(lián)接外,還有一些無(wú)法利用螺栓來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)接的場(chǎng)合,例如安裝在軸上的零件(齒輪、鏈輪、帶輪等),這種聯(lián)接(輪轂與軸)統(tǒng)稱(chēng)為軸轂聯(lián)接,其主要方式有鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、無(wú)鍵聯(lián)接等等。接下來(lái)我們就開(kāi)始逐步進(jìn)行介紹。****職業(yè)技術(shù)學(xué)院教案第12次課教學(xué)課型:理論課√實(shí)驗(yàn)課□習(xí)題課□實(shí)踐課□技能課□其它□主要教學(xué)內(nèi)容7.6螺旋傳動(dòng)重點(diǎn)、難點(diǎn)1.掌握普通螺旋傳動(dòng)的分類(lèi)及旋進(jìn)方向的判定。教學(xué)目的要求:1、了解螺旋傳動(dòng)的分類(lèi);2、掌握普通螺旋傳動(dòng)的分類(lèi)及旋進(jìn)方向的判定;3、理解普通螺旋傳動(dòng)移動(dòng)距離的計(jì)算;4、了解螺旋傳動(dòng)的優(yōu)、缺點(diǎn);教學(xué)方法和教學(xué)手段:多媒體講授討論、思考題、作業(yè):參考資料:多媒體材料,網(wǎng)絡(luò)資料講稿內(nèi)容備注7.6.1螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)及分類(lèi)一螺旋傳動(dòng)的特點(diǎn)作用利用螺旋副來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力,將主動(dòng)件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭?dòng)件的直線運(yùn)動(dòng)。特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、平穩(wěn)、承載能力大、傳動(dòng)精度高,摩擦大、傳動(dòng)效率低。類(lèi)型普通螺旋傳動(dòng)差動(dòng)螺旋傳動(dòng)滾珠螺旋傳動(dòng)二分類(lèi)(一)按使用要求不同可分為1.傳力螺旋2.傳導(dǎo)螺旋3.調(diào)整螺旋圖7-26圖7-26(二)按螺桿與螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式分類(lèi)1.螺母固定不動(dòng),螺桿回轉(zhuǎn)并作直線運(yùn)動(dòng)(千斤頂)2.螺桿固定不動(dòng),螺母回轉(zhuǎn)并作直線運(yùn)動(dòng)(機(jī)床絲杠)3.螺桿回轉(zhuǎn),螺母作直線運(yùn)動(dòng)(很少應(yīng)用)4.螺母回轉(zhuǎn),螺桿作直線運(yùn)動(dòng)(很少應(yīng)用)(三)按摩擦性質(zhì)分類(lèi)滑動(dòng)螺旋、滾動(dòng)螺旋、靜壓螺旋圖7-27圖7-277.6.2螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)耐磨性計(jì)算

滑動(dòng)螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動(dòng)速度、螺紋表面粗糙度以及潤(rùn)滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋工作面上的壓力,壓力越大螺旋副間越容易形成過(guò)度磨損。因此,滑動(dòng)螺旋的耐磨性計(jì)算,主要是限制螺紋工作面上的壓力p,使其小于材料的許用壓力[p]。如圖5-46所示,假設(shè)作用于螺桿的軸向力為Q(N),螺紋的承壓面積(指螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積)為A(mm2),螺紋中徑為小(mm),螺紋工作高度為H(mm),螺紋螺距為P(mm),螺母高度為D(mm),螺紋工件圈數(shù)為u=H/P。則螺紋工作面上的耐磨性條件為

(7-1)

上式可作為校核計(jì)算用。為了導(dǎo)出設(shè)計(jì)計(jì)算式,令ф=H/d2,則H=фd2,,代入式(5-43)引整理后可得

(7-2)對(duì)于矩形和梯形螺紋,h=0.5P,則

(7-3)對(duì)于30o鋸齒形螺紋。h=0.75P,則

(7-4)螺母高度H=фd2式中:[P]為材料的許用壓力,MPa,見(jiàn)表5-13;ф值一般取1.2~3.5。對(duì)于整體螺母,由于磨損后不能凋整間隙,為使受力分布比較均勻,螺紋工作圈數(shù)不宜過(guò)多,故取ф=1.2~2.5對(duì)于剖分螺母和兼作支承的螺母,可取ф=2.5~3.5只有傳動(dòng)精度較高;載荷較大,要求壽命較長(zhǎng)時(shí),才允許取ф=4。

根據(jù)公式算得螺紋中徑d2后,應(yīng)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取相應(yīng)的公稱(chēng)直徑d及螺距P。螺紋工作圈數(shù)不宜超過(guò)10圈。表:滑動(dòng)螺旋副材料的許用壓力[P]螺桿—螺母的材料滑動(dòng)速度許用壓力鋼—青銅低速1825≤3.01118612710>1512淬火鋼—青銅6121013鋼—鑄鐵<2.4131861247注:表中數(shù)值適用于ф=2.5~4的情況。當(dāng)ф<2.5時(shí),[p]值可提高20%;若為剖分螺母時(shí)則[p]值應(yīng)降低15~20%。

螺紋幾何參數(shù)確定后、對(duì)于有自鎖性要求的螺旋副,還應(yīng)校校螺旋副是否滿(mǎn)足自鎖條件,即式中;為螺紋升角;fV為螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù);f為摩擦系數(shù).見(jiàn)下表。表:

滑動(dòng)螺旋副的摩擦系數(shù)f螺桿—螺母的材料摩擦系數(shù)f鋼—青銅0.08~0.10淬火鋼—青銅0.06~0.08鋼—鋼0.11~0.17鋼—鑄鐵0.12~0.15

注:起動(dòng)時(shí)取大值.運(yùn)轉(zhuǎn)中取小值。

螺桿的強(qiáng)度計(jì)算

受力較大的螺桿需進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。螺桿工作時(shí)承受軸向壓力(或拉力)Q和扭矩T的作用。螺桿危險(xiǎn)截面上既有壓縮(或拉伸)應(yīng)力;又有切應(yīng)力。因此;核核螺桿強(qiáng)度時(shí),應(yīng)根據(jù)第四強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)截面的計(jì)算應(yīng)力σca,其強(qiáng)度條件為或

(7-5)式中:A—

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