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        基于ANSYS的螺紋受力分析

        2018-07-26 01:47:08成陽陳妍
        機(jī)電信息 2018年21期
        關(guān)鍵詞:環(huán)槽螺母螺桿

        成陽陳妍

        (北京電力設(shè)備總廠有限公司,北京102401)

        0 引言

        我公司產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中發(fā)生螺桿螺牙受損情況,螺桿經(jīng)過一次擰緊后再松開螺牙變形并伴有金屬碎屑產(chǎn)生。現(xiàn)通過ANSYS Workbench軟件[1],對緊固結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行仿真分析,進(jìn)而尋找螺牙受損原因及解決方案。

        1 有限元建模

        經(jīng)調(diào)查,現(xiàn)階段產(chǎn)品使用的拉緊螺桿規(guī)格為M30,使用的材質(zhì)為50Mn18Cr4V[2],M30螺母材質(zhì)為Q235,支撐板為Q235。相關(guān)材料建模輸入?yún)?shù)如表1所示。

        表1 材料建模輸入?yún)?shù)表

        由螺桿、螺母、支撐板組成的拉緊結(jié)構(gòu)兩端對稱,受到拉力約為166 kN,緊固結(jié)構(gòu)通過液壓裝置施加載荷并由人工讀表確定,人為因素考慮拉力不均勻系數(shù)5%,取單根螺桿受到的最大拉力約為175 kN。查詢緊固件手冊[3]可知,標(biāo)準(zhǔn)M30螺紋的尺寸,螺距3.5 mm,螺紋中徑27.727 mm,小徑26.211 mm。通過查看機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)手冊,確定螺紋間摩擦系數(shù)為0.15。二維模型建立如圖1所示,包括項(xiàng)1螺母、項(xiàng)2螺桿、項(xiàng)3支撐板,組裝拉緊后支撐板產(chǎn)生支撐螺母的反力,支撐板采用固定約束,即X、Y方向無位移,螺桿受拉伸會發(fā)生豎直方向的變形并產(chǎn)生位移,對螺桿進(jìn)行了位移約束,X方向固定、Y方向可移動。螺母與支撐板的接觸類型設(shè)定為粗糙接觸,此設(shè)定可實(shí)現(xiàn)切向無滑移、法向可移動。

        圖1 有限元二維模型

        2 結(jié)果分析

        經(jīng)仿真計(jì)算,零件應(yīng)力分布如圖2所示,螺桿、螺母第一扣螺牙應(yīng)力較高,且螺桿應(yīng)力高于螺母[4]。提取各個(gè)零件的最大應(yīng)力值如表2所示,螺桿、螺母的最大應(yīng)力均高于材料的屈服應(yīng)力且小于許用應(yīng)力,接觸螺紋其他幾扣的應(yīng)力普遍很小。通過受力情況可以判斷螺牙在擰緊后前幾扣發(fā)生不可逆的形變,再次擰松時(shí)因摩擦、切削產(chǎn)生金屬碎屑,致使零件報(bào)廢。

        圖2 零件應(yīng)力分布云圖

        表2 零件最大應(yīng)力值

        3 改進(jìn)方案

        經(jīng)研究,改進(jìn)方法是將螺母底部加工一圈凹槽,凹槽寬度2 mm、深度4 mm,即環(huán)槽螺母。采用環(huán)槽螺母時(shí),其內(nèi)螺紋懸置段與螺栓外螺紋發(fā)生拉伸形變,在拉伸軸力作用下,螺母與栓桿的螺矩應(yīng)變減小,從而使載荷在整個(gè)螺紋牙上分布均勻[5]。螺紋牙旋合圈上的載荷從下向上轉(zhuǎn)移,增加了整個(gè)螺母受載能力,預(yù)緊效果及疲勞強(qiáng)度要明顯優(yōu)于普通螺母。同時(shí),環(huán)槽螺母在載荷作用下,會發(fā)生微量彈性形變,在螺母體上增加的彈性形變能夠吸收部分沖擊能量,避免被連接體的支撐面壓塌導(dǎo)致的永久預(yù)緊力損失,既保持了較高的剩余預(yù)緊力,又提高了螺紋連接的防松效果。

        結(jié)合改進(jìn)后的零件應(yīng)力分布云圖,如圖3所示,螺桿、螺母第一扣螺牙應(yīng)力依然較高,接觸螺紋其他幾扣形變增強(qiáng),載荷分布均勻性有所提升。提取各個(gè)零件的最大應(yīng)力值如表3所示,螺桿、螺母的最大應(yīng)力均小于材料的屈服應(yīng)力。滿足鎖緊要求的同時(shí),接觸螺紋鎖緊時(shí)產(chǎn)生彈性形變,不再發(fā)生不可逆的形變。

        圖3 改進(jìn)后零件應(yīng)力分布云圖

        表3 改進(jìn)后零件最大應(yīng)力值

        4 結(jié)語

        通過對比改進(jìn)螺母前后的各個(gè)零件受力情況,最大應(yīng)力水平相差四成有余。使用環(huán)槽螺母后螺桿、螺母第一扣螺牙根部應(yīng)力明顯下降,均小于材料屈服強(qiáng)度,無變形風(fēng)險(xiǎn),安全系數(shù)較大,環(huán)槽螺母在均勻螺牙受力方面有顯著效果,改進(jìn)方法理論上有效、可行。

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