霍 光，商 迪

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

基于有限元分析的壓機(jī)用螺紋的比較

霍 光，商 迪

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

通過有限元軟件對壓機(jī)用鋸齒形螺紋和潘克螺紋的齒面應(yīng)力和齒根應(yīng)力進(jìn)行分析比較，闡明了潘克螺紋較鋸齒形螺紋具有明顯的優(yōu)勢，表現(xiàn)為應(yīng)力在每一牙上分布的均勻程度高，齒根應(yīng)力高應(yīng)力分布范圍窄。鋸齒形螺紋已經(jīng)阻礙了現(xiàn)代壓機(jī)的技術(shù)進(jìn)步，急需一種新型螺紋來代替。期望本文對壓機(jī)用螺紋技術(shù)進(jìn)步起到積極的推進(jìn)作用。

壓力機(jī)；螺紋；有限元；應(yīng)力；鋸齒形螺紋；潘克螺紋

現(xiàn)代壓機(jī)已經(jīng)廣泛采用預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架結(jié)構(gòu)，全預(yù)緊組合機(jī)架較普通三梁四柱局部預(yù)緊結(jié)構(gòu)可有效提高機(jī)架剛度[1]。組合機(jī)架是通過螺母拉桿系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)接的，這種聯(lián)接方式結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、形式多樣、裝拆方便，但是由于有較大的應(yīng)力集中，在交變載荷下容易發(fā)生疲勞斷裂[2]。尤其在大型液壓機(jī)上，機(jī)架本身為預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，工作時(shí)承受工作載荷，螺紋的工況十分惡劣?，F(xiàn)在常用的壓機(jī)用螺紋標(biāo)準(zhǔn)為JB/T2001.73-1999《水系統(tǒng)45°鋸齒形螺紋牙型與基本尺寸》。而我公司在與潘克公司進(jìn)行合作設(shè)計(jì)中，采用的是潘克螺紋標(biāo)準(zhǔn)N188，這兩種螺紋究竟有多大區(qū)別，這是本文所探討的。

1 壓機(jī)用螺紋牙型簡介

螺紋牙型包括很多類，主要有普通螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋、圓弧螺紋和管螺紋等[3]。鋸齒形螺紋多用于單向受力的傳力螺紋，由于已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)的壓機(jī)多選用此螺紋牙型，如圖1所示。我公司曾與德國潘克公司合作生產(chǎn)35MN壓機(jī)，其螺紋標(biāo)準(zhǔn)采用的是潘克螺紋標(biāo)準(zhǔn)N188，如圖2所示。

圖1 45°鋸齒形螺紋牙型

圖2 潘克螺紋牙型

鋸齒形螺紋牙型的特點(diǎn)是，在承力面的背側(cè)壓根很厚，壓根的受力狀態(tài)較好，但是這種螺紋牙型也具有普通螺紋受力的通病，具有較大的應(yīng)力集中。潘克螺紋的特征是在內(nèi)螺紋的根部開有應(yīng)力緩解槽，且每一牙上的槽深不一，槽底圓公切線為1:12的斜線。同時(shí)，開有兩級應(yīng)力緩解槽，這樣改變了每一牙的局部剛度?？捎行Ь徑饴菁y頭3牙的應(yīng)力集中狀態(tài)，屬于變徑螺紋副[4]的范疇，采用變徑螺紋副的聯(lián)接比傳統(tǒng)方式的強(qiáng)度提高2倍[5]。

2 有限元分析

為了更好地比較分析這兩種螺紋的受力狀態(tài)，筆者嘗試采用大型通用有限元分析平臺 Ansys Workbench 11.0來進(jìn)行。首先采用Solidworks進(jìn)行三維建模，為了貼近實(shí)際，筆者把一臺已投產(chǎn)的35MN自由鍛造液壓機(jī)的螺紋副直接拿來，同時(shí)建立了同規(guī)格的鋸齒形螺紋副三維模型，兩者進(jìn)行比較。潘克螺紋采用M280×12.7，鋸齒形螺紋采用280×10螺紋。螺母采用42CrMo，拉桿采用30Cr2Ni2Mo。為了降低計(jì)算量，采用1/4模型，對稱面上施加對稱約束，工作載荷為3.0625MN。

圖3為鋸齒形螺紋副Mises應(yīng)力云圖，圖4為潘克螺紋副Mises應(yīng)力云圖。從這兩張圖可明顯看到兩者應(yīng)力分布上的不同，前者應(yīng)力在前10牙上分布極不均勻，而后者明顯有應(yīng)力勻化作用。

圖3 鋸齒形螺紋副Mises應(yīng)力云圖

圖4 潘克螺紋副Mises應(yīng)力云圖

圖5、圖6為兩種螺紋在拉桿上的應(yīng)力狀態(tài)，從圖6也能看出每牙基本都受力。另外，在此種螺紋副當(dāng)中，拉桿的材料一定要優(yōu)于螺母的材料，例如該模型中拉桿的δs≥700MPa，螺母的δs≥585MPa，所以危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)該出現(xiàn)在螺母上。

圖7中紅色區(qū)域基本覆蓋了頭2牙，說明此區(qū)域已經(jīng)進(jìn)入局部塑形狀態(tài)，實(shí)際中不可能出現(xiàn)如此高的應(yīng)力，當(dāng)出現(xiàn)局部塑形流動時(shí)，應(yīng)力會降低，10牙后應(yīng)力基本不變了。圖6的受力狀態(tài)理想，受力均勻。圖9、10反映了最大拉應(yīng)力狀態(tài)。圖7中，牙根處產(chǎn)生了很大的拉應(yīng)力，受力情況惡劣。圖9中，在承力側(cè)牙根處產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，而背對承力側(cè)牙根處產(chǎn)生較大壓應(yīng)力。

圖5 鋸齒形螺紋_拉桿Mises應(yīng)力云圖

圖6 潘克螺紋_拉桿Mises應(yīng)力云圖

圖7 鋸齒形螺紋_螺母Mises應(yīng)力云圖

圖8 潘克螺紋_螺母Mises應(yīng)力云圖

圖9 鋸齒形螺紋_螺母第一主應(yīng)力云圖

圖10 潘克螺紋_螺母第一主應(yīng)力云圖

3 牙型比較

這里為了便于比較，規(guī)定了螺紋受力側(cè)第一牙為序號1，依次排序到第10牙。通過圖 11、12可以定量地看出，在拉桿上齒面和齒根部的應(yīng)力狀態(tài)，潘克螺紋具有很好的應(yīng)力勻化作用。由于此螺紋副，薄弱環(huán)節(jié)在螺母上而不是在拉桿上，這里重點(diǎn)分析螺母的受力狀態(tài)。由圖13可知，鋸齒形螺紋的第10牙應(yīng)力只是第1牙應(yīng)力的11%，差值明顯，第一牙局部其實(shí)已經(jīng)進(jìn)入塑形狀態(tài)，在重載荷下，會嚴(yán)重?fù)p毀螺紋[6]。頭3牙承擔(dān)了大部分載荷，力在10牙上分布極不均勻；而潘克螺紋出現(xiàn)了顛覆性的變化，第10牙螺紋應(yīng)力高于第1牙，從第1牙到第10牙應(yīng)力分布在200～400MPa之間，說明每一牙上受力均勻。從圖14中可以看出齒根部應(yīng)力，應(yīng)力峰值兩者相差不大，但是在潘克螺紋上，高應(yīng)力范圍明顯縮小。

圖11 最大齒面應(yīng)力_拉桿

圖12 最大齒根應(yīng)力_拉桿

圖13 最大齒面應(yīng)力_螺母

4 結(jié)論

圖14 最大齒根應(yīng)力_螺母

潘克螺紋較鋸齒形螺紋有著明顯的優(yōu)勢。潘克螺紋具有很好的應(yīng)力勻化作用，每一牙上受力均勻，且第10牙應(yīng)力高于第1牙應(yīng)力；鋸齒形螺紋每一牙上的受力極不均勻，且在第1牙上出現(xiàn)局部塑形變形。在牙根處兩者應(yīng)力峰值差異不大，但潘克螺紋高應(yīng)力區(qū)分布范圍明顯縮小。由此，筆者認(rèn)為有必要對壓機(jī)用螺紋標(biāo)準(zhǔn)JB/T2001.73-1999進(jìn)行修訂或者制定新標(biāo)準(zhǔn)來替代此標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)明一種新型壓機(jī)用螺母很有必要，這種螺紋具有很好的應(yīng)力勻化作用，同時(shí)降低牙根處的應(yīng)力峰值和縮小高應(yīng)力區(qū)域。壓機(jī)用螺紋的技術(shù)進(jìn)步對整個(gè)鍛壓設(shè)備行業(yè)的進(jìn)步具有重要的推進(jìn)作用。

[1]吳生富.150MN鍛造液壓機(jī)本體組合結(jié)構(gòu)研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2006.

[2]劉峻亦.重型螺紋連接承載能力與修形技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2013.

[3]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊-聯(lián)接與緊固[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[4]巴 鵬，付中和.變徑螺旋副研制.機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2005（4）：23-25.

[5]唐仁剛.新型等承載螺母研究[D].青島：青島科技大學(xué)，2007.

[6]王秀彥，安國平.液壓機(jī)機(jī)架聯(lián)接大螺母的螺紋修正[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，1999，34（1）：54-55.

Comparison of screw for press based on finite element analysis

HUO Guang,SHANG Di
（Northern Heavy Industries Group Co.,Ltd.,Shenyang 110141,Liaoning China）

The tooth surface and root stress of sawtooth thread and pahnke thread in press have been analyzed and compared by use of finite element software.The pahnke thread has obvious more advanced than sawtooth thread for higher uniformitydegree of stress distributionin each tooth and narrowrange of high root stress distribution.It is proved that sawtooth thread has hindered the technical progress of the modern press and a new type of thread has been badly in need.The text has obviously promoted the technical progress of the thread in press.

Press;Thread;Finite Element;Stress

TG315

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.018

1672-0121（2016）01-0065-03

2015－06－10；

2015－07－27

霍 光（1982-），男，工程師，從事鍛壓設(shè)備設(shè)計(jì)研發(fā)。E-mail：13998838437@163.com