锻造液压机高强度特殊螺纹拉杆有限元仿真分析.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 0 l 2 1 2 01 5 o 3 0 0 4 0 0 4 锻 造液压 机高强度特殊螺 纹拉杆有 限元仿真分析 毛 春 燕 。解 文 科 ，吴 瀚 峻 1 ． 太 原 重工股 份 有 限公 司 技 术 中心 ， 山西太原 0 3 0 0 2 4； 2 ． 哈 尔 滨 工 业 大 学 威 海 ， 山 东威 海2 6 4 2 0 0 摘 要 目前 锻 造 液 压 机 的 拉 杆 较 多采 用 4 5 。 锯 齿 型 螺 纹 。随 着 设 备 大 型 化 、 高 强 度 的 要 求 ， 仅 通 过 不 断 加 大拉 杆 螺纹直 径 解决 问题 十分 有 限 ， 因此本 文提 出一种 新 型高 强度 特殊 螺纹 型 式拉杆 ， 推 导 出该特 殊 螺纹 牙 型 参数 的具体 计 算公 式。 基 于三维 有 限元软 件 I - DE AS建 立 真 实工况 的力 学模 型 ， 运 用 接 触分 析 方 法 ， 并结 合 设 计 实 例 比较 了 两 种 螺 纹 型 式 拉 杆 的 受 力 状 况 及 应 力 云 图 。 工 程 应 用 实 践 证 明该 设 计 降低 拉 杆 螺 纹 应 力 4 5 ％， 消 除 了 高 应 力 集 中现 象 。 关键 词 机械 设 计 ； 锻 造液 压机 ； 高 强度 螺纹 拉杆 ； 锯 齿螺纹 ； 有 限元分 析 中 图分类 号 T G31 5 ． 4 文 献标 识码 A DO1 1 0 ． 1 6 3 1 6 ／ j ． i s S H ． 1 6 7 2 01 2 1 ． 2 01 5 ． 0 3 ． 01 1 锻 造 液 压 机 是 金 属 压 力 加 工 制 造 业 中广 泛 应 用 的关 键 设 备 ， 圆形 拉 杆 又称 “ 张 力柱 ” 是 液 压 机 中 最 重 要 的 零 件 。 工 作 中 ，拉 杆 承 受 满 吨 位 的 轴 向拉 力 ， 长期 处 于大 幅值 的单 向交变 拉应 力状 态 ； 承 受 由 收稿 日期 2 0 1 4 1 2 0 9 作者简介 毛春燕 1 9 7 8 一 ， 女 ， 工程师， 从事锻 压产品设计研 究 【 参 考文 献 】 [ 1 ] 邢 伟荣． 卷板 机的现状与 发展【 J 1 ． 锻压装备 与制造技术 ， 2 0 1 0 ， 4 5 2 ． [ 2 ] 邢 伟荣 ， 等_ 7 K 平 下调式结构在大型三辊卷板机 上的应 用【 J ] ． 锻压 装 备与制造技术 ， 2 0 0 6 ， 4 1 5 ． 于上 、下 横梁 变形 而作 用 于 固定 螺 母处 的角弯 矩 载 荷作 用 ； 同时 ， 拉 杆 还 作 为 活动 横 梁 的导 向体 ， 在 偏 心锻 造 时 ， 承 受活 动横 梁 的横 向推 力和 弯矩 。因 而 ， 拉杆 成 为液压 机 机架 中最 易破 坏 的关键 零 件 ，发 生 断 裂 的 例 子 屡 见 不 鲜 。 断 裂 和 损 坏 的 部 位 大 多 处 于 拉 杆 在 下 横 梁 上 平 面 与 固 定 螺 母 结 合 部 位 的 螺 纹 根 部 ， 断 口具 有 疲 劳 破 坏 特 征 。 [ 3 ] 任育红．水平下调式 辊卷板工艺及设备研究[ D ] ． 天津 天津大 学 ， 2 0 0 6 ． f 4 】 龚发云． 非对称 式 三 辊弯板机卷板数学模 型的研 究【 c 】 ． 中网机械 丁程学会年会论 文集 ．北京 中国机械工程学会 ， 2 0 0 5 ． [ 5 】 邓凡平． A N S Y S I O ． 0有限元分析[ M】 ． 北京 人民邮电出版社 ， 2 0 0 7 ． F i n i t e e l e me n t a n a l y s i s o f b a s e f o r o v e r s i z e h o r i z o n t a l b o t t o m r o l l s a d j u s t a b l e t h r e e -r o l l be nd i n g ma c h i n e GUO Yo n g p i n g ．_ ． GU L i c h e n ． ZHEN Ch e n g 1 ． D e s i g n i n g i n s t i t u t e ， C h a n g g a n g G r o u p Me t a l f n r mi n g Ma c h i n e r y Ma n u f a c t u r e C o ． ， L t d ． ， Ch a n g z h i 0 46 0 1 1 ， S ha n x i Chi n a ； 2． Me c ha n i c a l a nd El e c t ric a l En g i n e e r i n g Co l l e g e ， Xi a n Uni v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e a nd Te c hn o l o g y ， l e t h r e e ml l b e n d i n g ma c h i n e h a s b e e n l o a d i n g s i mu l a t i o n h a v e b e e n c o n d u c t e d t o s o f t wa r e ANS YS． The o p t i mi z e d de s i g n ha s ，t h e r e l i a b i l i t y o f o v e r s i z e b e n d i n g ma c h i n e ma c h i ne ； Fi n i t e e l e me n t ；Opt i mi z e d d e s i g n 现 有 的液压 机 拉杆 普 遍采 用 顶 角 为 4 5 。 锯 齿 螺 纹 ， 如 图 1所示 ， 齿 根 圆角 半 径 很小 ， 计算 机 三 维 有 限元 分 析结 果 表 明I 一】 ， 齿 根 圆 角应 力 集 中现象 非 常 严 重 ， 甚 至超 过 了材料 的屈 服强 度 ， 导 致 拉杆 的抗 疲 劳强 度大 大 降低 ，成 为拉杆 频 繁断裂 的主要 原 因之 一 。而且 ， 随着装 备制 造业 逐 步大型 化 的发 展 ， 超万 吨 的压机 越来 越 多 ， 拉 杆螺 纹承 受 的力也 不 断增 大 ， 仅通 过不 断 加大拉 杆 螺纹 直径 效果 十分 有 限 。 因此 ， 急需 设计 一 种低应 力 螺纹拉 杆 ，以解 决 锻造 液 压机 拉 杆频 繁 断裂 问题 ， 延长拉 杆 使用 寿命 。 图 l 4 5 。 锯齿 螺纹牙 型 本 文 提 出一种 低应 力高 强度 螺纹 型式 ，用于 消 除现有 锻 造液 压机 拉杆 螺纹 的应 力集 中现象 ，延 长 拉杆 的使 用 寿命 。 1 传 统拉 杆 螺纹 牙 强度计 算 方法 目前 ， 对 螺 纹 牙 强度 的计 算 ， 一 般 仍 沿 用将 螺 纹 牙展 开 当作一 个悬 臂 梁 、并 假设 载荷 在 螺纹 牙表 面 平 均分 布，用 作 用在 螺纹 牙 高 度 中点 的一 个 集 中 力 来代 替 的方 法， 求其 根部 危 险断面 上 的应力 值 。 现 将 一 般工 程 上 螺 纹强 度 计算 方 法说 明如 下 。 作用 在 每一 罔螺 纹上 的力 1 式 中 p 厂立 柱所 受 总拉力 ； n 立 柱 数 目 ； 卜T作螺纹圈数 ， 堡 。 T 作螺 纹 圈数 z并 不好 确定 ，根 据使 用 经验 一 般 只能 保守 假设 前 3、 5扣 受力 。后文 的有 限元 计 算 证 实 这 种 假 设 可 行 ， 同 时 可 清 楚 看 到 螺 纹 牙 受 力 呈 逐 渐 递 减 趋 势 。 螺 纹所 受 的剪切 应力 ≤[ 丁 】 2 挤 压 应 力 挤 ≤ [ J 挤 3 弯 曲应 力 弯 ≤ [ 】 弯 4 式 中 口 一 螺纹 牙根 部 宽度 ； 一 螺 纹牙 高 ， 1 D D ； D一 螺纹 外径 ； D 一 螺纹 内径 。 用 以上 方法 计 算 的螺纹 强 度 因为有 很 多 假 设 ， 很 难真 实反 映螺 纹 的应力 水平 。 2新 型 拉 杆 高 强 度 螺 纹 牙 型 新 型拉 杆采 用 高强度 螺 纹 ，拉 杆 与螺母 的螺 纹 配合 一致 使用 同一 台机 床加 工 。多种 规格 的拉 杆 已 在 工 程 实 际 中应 用 ，在 经 过 多 次 优 化 设 计 后 得 出 基 本参 数 的公式 。 如 图 2、图 3所示 为锻 造液 压 机设 计 的新 型螺 纹牙 型 。 拉 杆 的外螺 纹 与 内螺 纹具 有如 下特 征 与传 统 的 4 5 。 锯 齿 形 螺 纹 不 同 ，拉 杆 的 外 螺 纹 与 内 螺 纹 的 原 始 三 角 形 顶 角 的 角 度 0相 对 较 大 ， 远 大 于 4 5 。 ， 该 角度 0可 以选 取在 5 5 ～ 6 5 。 之 间 ， 且 以 6 0 。 为优 选 ； 外 螺纹及 内螺纹 的螺 距 P相 对较 大 。 此外 ， 外螺 纹 与 内螺纹 的根 部均 为 一圆弧 。外 螺纹 的根 部 圆弧 半径 R 大 于 内螺 纹 的 根 部 圆弧 半 径 r 。 图 2 新型拉杆螺纹牙型 图 3 新型螺母螺纹牙型 如 图 2所 示 对 拉 杆 的螺 纹 进 行 分 析 ，外 螺 纹 的 基本 参数 包 括 螺 距 尸， 原始 三角 形 的顶 角 0 ， 外螺 纹 根 部 圆弧 的 半径 ， 以及外 螺 纹 的大 径 d， 外螺 纹 根 部 圆 弧 相 切 于 1- 螺 纹 的 原 始 三 角 形 的 两 腰 。 结 合 图 图 1 1 新型螺纹螺母 应力图 充 分证 明新 型螺 纹拉 杆 的优势 。 由图 8可 看 到 ， 4 5 。 锯齿 螺 纹 的拉杆 上 第一 扣 应 力 最 高 5 3 8 MP a ，第 二 扣 约 为 4 5 0 MP a ，第 三 扣 约 为 3 6 5 MP a ， 第 四扣约 为 2 8 1 MP a ， 由此 可 见应 力 高 值 主 要 集 中在 前 面 3 ～ 5扣 这 也 验 证 了前 面 4 5 7 锯 齿 螺 纹强 度计 算 中假设 3 ～ 5扣受力 的合 理性 ， 随后应 力 值迅 速递 减 ， 大约 到 整个 啮合 螺 纹 长度 的 一半 时 ， 应 力值 就递 减 到约 1 2 7 MP a ， 直至 啮合 终 了应力 值递 减 为 2 4 ． 7 MP a 。 由图 9可 以看到 新 型螺纹 的拉 杆在 前 6扣 应力 值 从 2 9 4 MP a递 减 到 1 6 8 MP a，应 力 值 递 减 缓 慢 ， 应 力 高值 占了整个 啮合 螺纹 长度 大 约一半 ，直至 啮合 终 了应 力值 缓慢 递减 为 6 1 ． 8 MP a 。 图 l 0、 1 1的螺母 应力 图也 显著 表示 出二者 之 问 受 力 的差异 。说 明由于新 型螺 纹 特殊 的牙 型使 得拉 杆 啮合 部位 的螺纹牙 受 力趋 于均 匀 ，大大 改善 了普 通 螺 纹 南最 初 啮 合 3 - 5扣 齿 受 力 状 况 ， 降 低 拉 杆 螺 纹 应 力 4 5 ％， 消除 了高应 力集 中现象 。 4结 论 本 文 给 了新 型螺 纹 牙 型 的 详 细 参 数 设 计 方 法 ， 然 后 采 用 有 限 元 的 接 触 算 法 ， 结 合 实 际 工 况 ， 避 免 传统 计算 方 法 的假 设 过多状 况 ，通 过细 化 螺纹 部 位 网格 ，计 算并 比较 了两 种不 同螺 纹 时拉杆 和 螺母 的应力 ， 真 实且 直观 地反 映 了各 自受力 状况 。 说 明新 型 螺 纹 的 拉 杆 通 过 增 大 螺 纹 的 螺 距 及 原 始 三 角 形 的 顶 角 ， 以及 螺杆 螺纹 的根 部 圆弧半 径 ， 能有 效 降低 螺 纹应力 ， 使 螺纹 的受 力更 均衡 ， 提 高 了拉杆 的 承载 能 力 和可靠 性 。从而 使拉 杆螺 纹不 会发 生研 死粘 合 现 象 ， 便 于安 装且 使用 寿命 长 。 【 参考 文献 】 【 1 ] 钱学毅 ， 吴双． 锯齿型螺纹牙根应力有限元分析[ J l _起重运输机 械 ． 2 0 0 8 ， 9 7 4 7 6 ． 【 2 ] 自卫卫，等． 螺母外形结构对螺栓疲劳强度的影响[ J ] ． 机械研究与 应用， 2 0 0 4 ， 1 7 6 2 7 2 8 ， 3 0 ． [ 3 】 方栋， 陈继志． 高强度螺栓螺纹 根部应力集中的有限元分析『 J I ． 材料开发与应用 ， 2 0 0 7 ， 2 2 2 3 7 3 9 ． [ 4 ] 何彦忠， 黄建民， 仲君， 等．压力机闭式组合机身有限元分析及补 强拉杆预紧 设计新方 法l J J ． 锻压装备 与制造 技术 ， 2 0 1 2 ， 4 7 5 2 9 -3 2 ． [ 5 ] 中国重 型机械工业协会 ． 重型机 械标 准 第 2卷 [ M] ． 昆明 云南 科技出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 刘红梅， 李永堂， 齐会萍， 等螺 纹冷滚 压参数化造型与有限元分析 『 J 1 ．锻压装备与制造技术 ， 2 0 1 l ， 4 6 2 7 8 8 1 ． 【 7 】 公 制 、 美制和英 制螺纹标准 手册编委会编 著． 公制 、 美制 和英制 螺纹标准手册【 M 】 ．北京 中国标准出版社， 2 0 0 4 ． [ 8 】 薛强，苗德华． 钢轨接头螺栓的有限元应力集中分析[ J I ．铁道标 准设计， 2 0 04， 4 7 0 7 2 ． 刘芳辉 ，袁 剑雄． 锯齿形螺纹作用 中径计算团． 哈尔滨电工学 院学 报。 1 9 9 6 ， 1 9 3 3 5 8 3 6 1 ． [ 1 0 ] 李 明民， 译 ．螺纹结构强度设计规范． 高压技术， 1 9 8 4 ，2 1 1 ． [ 1 1 ] 张德驺． 螺纹牙强度研究【J J _ 哈尔滨船舶工程学院学报 ， 1 9 8 6 ，7 4 8 0 93 ． Fi n i t e e l e me n t s i mu l a t i o n a na l y s i s o f hi g h s t r e ng t h s pe c i a l t hr e a d r o d f o r f o r g i ng hy d r a u l i c pr e s s MAO Ch u n ya n ， XI E W e n k e ，W U Ha n l i n g 1 ． T e c h n o l o g y C e n t e r ， T a i y u a n He a v y I n d u s t r y C o ． ， L t d ． ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4 ， S h a n x i C h i n a ； ● - 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