遲成芳，劉利強，谷春華，路東輝

(長春機械科學研究院有限公司，吉林 長春 130103)

大載荷拉桿螺紋設(shè)計與研究

遲成芳，劉利強，谷春華，路東輝

(長春機械科學研究院有限公司，吉林 長春 130103)

摘要：以拉桿螺紋為研究對象，分析了拉桿受軸向拉力時螺紋的剪切強度、彎曲強度及抗拉強度。將理論分析與數(shù)值計算結(jié)果進行對比，區(qū)分理論分析與數(shù)值計算結(jié)果間的差異性。依照原模型應(yīng)力狀態(tài)設(shè)計了新型拉桿螺母，運用新型螺母能有效提高嚙合時螺紋牙受力圈數(shù)并改善拉桿受力狀態(tài)，同時得出了拉桿設(shè)計時安全系數(shù)ns=2.5～7的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：拉桿；螺紋聯(lián)接；理論分析；數(shù)值計算

螺紋聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便等特點，已被廣泛應(yīng)用于機械、航空、化工、石油和電力等領(lǐng)域。在大型工程設(shè)備中，往往需要使用非標螺紋進行聯(lián)接，而螺紋牙受力狀態(tài)會影響整套設(shè)備運轉(zhuǎn)[1]。目前，我國大型非標螺紋設(shè)計主要依據(jù)工程經(jīng)驗完成，致使螺紋牙過載斷裂、螺紋牙疲勞失效和拉桿氫脆斷裂等失效方式時有發(fā)生，出現(xiàn)這些失效形式不僅與機械加工精度、材質(zhì)有關(guān)，也與螺紋設(shè)計缺少理論依據(jù)密不可分[2-3]。歐美國家在進行非標螺紋設(shè)計時需要完成大量理論計算，因此非標螺紋失效較少發(fā)生[4]。設(shè)計標準螺紋僅滿足螺桿小徑截面抗拉強度即可，而設(shè)計非標螺紋不但要滿足螺桿拉伸強度，同時應(yīng)保證螺紋牙強度。在工程機械領(lǐng)域中研究非標螺紋設(shè)計具有重要意義[5-7]。

圖1　原模型拉桿螺　紋聯(lián)接形式

本文以設(shè)計拉桿非標螺紋M490×60 mm為研究對象，運用理論分析與數(shù)值計算相結(jié)合的方法，將2種方法對比驗證，建立準確求解模型，并提出新型螺母設(shè)計方向。原模型拉桿螺紋聯(lián)接形式如圖1所示，其中包括拉桿、螺母及墊片，工作時沿著拉桿軸線通過墊片對螺母施加3 150 t壓力。

1拉桿螺紋理論分析

拉桿與螺母材料都選擇24Cr2Ni4MoV,其具體物性參數(shù)見表1。由于拉桿與螺母材料相同，因螺母螺紋小徑大于拉桿螺紋小徑，螺母承載面積較大，僅需校核拉桿螺紋剪切強度、彎曲強度及拉伸強度[8-12]。

表1　24Cr2Ni4MoV的物性參數(shù)

1.1拉桿螺紋剪切強度分析

拉桿螺紋剪切應(yīng)力需滿足：

式中，F(xiàn)是軸向力，F(xiàn)=31 500 000 N；η是螺紋第1圈受力占總數(shù)的百分比，取η=0.4；D是拉桿螺紋小徑，D=425 mm；p是螺距，p=60 mm；b是螺紋牙底寬度，b與p的關(guān)系為b=0.75p=0.75×60=45 (mm)；z是螺紋受力圈數(shù)，校核時分析在最危險工況下螺紋的受力狀態(tài)，本文選取第1圈螺紋受力作為最危險工況，取z=1；[τ]是許用切應(yīng)力，[τ]=441 MPa。計算得出：

因此，拉桿螺紋剪切強度滿足要求。

1.2拉桿螺紋彎曲強度分析

拉桿螺紋彎曲應(yīng)力需滿足：

因此，拉桿螺紋彎曲強度滿足要求。

1.3拉桿螺紋抗拉強度分析

對于實心拉桿強度校核：

因此，拉桿螺紋抗拉強度滿足要求。

2拉桿螺紋數(shù)值計算

2.1建立數(shù)值模型

本文將求解螺紋牙應(yīng)力狀態(tài)作為主要分析對象，忽略螺母上的吊裝孔和墊片。運用庫侖摩擦法向接觸的形式確定螺旋副接觸區(qū)域，確保接觸區(qū)域應(yīng)力準確傳遞。將螺旋副形成面彈性應(yīng)力區(qū)域細化2層單元，全部采用六面體，共89 712個單元，106 247個節(jié)點，選取C3D8I作為單元類型。為保證螺母受力均勻，用113MPa壓力作用于螺母，固定遠離螺紋端拉桿，建立數(shù)值模型如圖2所示。

圖2　數(shù)值模型建立

2.2拉桿螺紋剪切強度數(shù)值計算

拉桿螺紋剪切應(yīng)力分布如圖3所示，數(shù)值計算結(jié)果為245.2 MPa，而理論分析結(jié)果為209.82 MPa，兩者相差不大。最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在第1圈，與理論分析結(jié)果一致，數(shù)值計算結(jié)果存在應(yīng)力集中，第1圈兩側(cè)剪切應(yīng)力方向相反。理論分析與數(shù)值計算都存在一定簡化，確定數(shù)值計算方法準確。

圖3　拉桿螺紋剪切應(yīng)力分布

2.3拉桿螺紋彎曲強度數(shù)值計算

拉桿螺紋彎曲應(yīng)力分布如圖4所示，數(shù)值計算結(jié)果為476.9 MPa，而理論分析結(jié)果為454.04 MPa，兩者相差22.86 MPa，數(shù)值計算結(jié)果準確，因數(shù)值計算存在應(yīng)力集中，致使應(yīng)力偏大。

圖4　拉桿螺紋彎曲應(yīng)力分布

2.4拉桿螺紋抗拉強度數(shù)值計算

拉桿螺紋抗拉應(yīng)力分布如圖5所示，數(shù)值計算結(jié)果最大應(yīng)力出現(xiàn)在第1圈螺紋牙處，值為533 MPa，在螺紋遠端最小應(yīng)力為0，而理論分析結(jié)果為231.5 MPa，兩者間存在一定的偏差，存在應(yīng)力集中時拉桿仍處于彈性階段。考慮理論計算得到拉桿抗拉應(yīng)力平均值，而數(shù)值計算得到應(yīng)力算術(shù)平均值266.5 MPa與理論計算值231.5 MPa相近，認定數(shù)值計算結(jié)果準確。數(shù)值計算得到最大應(yīng)力533 MPa，是理論分析值231.5 MPa的2.3倍，通過機械手冊可知設(shè)計大型拉桿時安全系數(shù)ns=2.5～7，以此為拉桿設(shè)計提供理論依據(jù)。

圖5　拉桿螺紋抗拉應(yīng)力分布

3新型螺母設(shè)計

放大50倍后拉桿和螺母應(yīng)力分布如圖6所示。由圖6a得出原模型螺母在嚙合受力過程中僅有螺母4圈受力，最大應(yīng)力出現(xiàn)在拉桿底部，考慮將螺母靠近墊片側(cè)，開φ600 mm、深度2 mm的孔。由圖6b得出新型螺母受力圈數(shù)為5圈，最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺母牙底處，此區(qū)域?qū)儆趹?yīng)力集中區(qū)域，拉桿牙底和螺母牙底大部分區(qū)域應(yīng)力≤400 MPa。同時，拉桿與螺母在淬火后屈服強度可達到735 MPa，兩者都處于彈性范圍內(nèi)，新型螺母力學性能優(yōu)于原模型螺母力學性能，新型螺母優(yōu)化設(shè)計方案可行。

圖6　拉桿和螺母應(yīng)力分布

拉桿應(yīng)力分布如圖7所示。新模型與原模型中拉桿最大應(yīng)力均分布在拉桿螺紋牙底，新模型中螺紋最大應(yīng)力≤478 MPa，原模型最大應(yīng)力為533 MPa。由于增加了螺紋受力圈數(shù)，新模型中拉桿受力更加均勻。

圖7　拉桿應(yīng)力分布

4結(jié)語

本文通過理論分析與數(shù)值計算對比分析的方式，驗證了拉桿螺紋牙數(shù)值計算方法的準確性，運用同樣的計算方法完成了新型螺母設(shè)計，得出如下結(jié)論。

1)采取理論分析的方法，分析螺紋牙剪切強度、彎曲強度和抗拉強度時，只能計算出螺紋牙平均應(yīng)力，而運用數(shù)值計算方法能夠得出螺紋牙應(yīng)力集中及應(yīng)力分布狀況。

2)運用數(shù)值計算方法求解拉桿抗拉強度時，得出最大應(yīng)力是理論分析結(jié)果的2.3倍，為機械手冊中拉桿設(shè)計安全系數(shù)ns=2.5～7提供理論依據(jù)。同時，完成大噸位拉桿設(shè)計時，僅依靠理論分析及工程經(jīng)驗已不能滿足現(xiàn)代大型機械設(shè)計要求。

3)在螺母承載側(cè)開淺槽，能有效增加拉桿和螺母嚙合過程中螺紋牙承載圈數(shù)，并使拉桿應(yīng)力分布更加均勻，同時也可考慮將螺母承載端面加工成錐型。

4)拉桿承載過程中第1圈螺紋牙承載占整個軸向載荷的40%，對于受力較大的拉桿應(yīng)確保第1圈螺紋強度，設(shè)計拉桿非標螺紋時僅考慮抗拉強度是不能滿足強度要求的。

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責任編輯鄭練

Design and Research of Threaded of Large Load Drawbars

CHI Chengfang, LIU Liqiang, GU Chunhua, LU Donghui

(Changchun Research Institute for Mechanical Science Co., Ltd., Changchun 130103, China)

Abstract：Threaded of drawbars is the main object of research, we analyze the thread shear strength, flexural strength and tensile strength when drawbars is subjected to axial tension. The theoretical analysis is compared with numerical results to get the difference between them. A new type of nuts is designed by stress state of original model. Application of new nut can increase the number of turns of thread force and improve the stress state of drawbars. Finally we find the safety factor ns=2.5～7 in theoretical of drawbars design.

Key words:drawbars, threaded connection, theoretical analysis, numerical calculation

收稿日期：2015-04-07

作者簡介：遲成芳(1967-)，男，高級工程師，主要從事大型結(jié)構(gòu)及專用試驗機設(shè)計等方面的研究。

中圖分類號：TH 16; TH 131.3

文獻標志碼:A