（机械设计及理论专业论文）轧机压下螺纹副微尺度理论与实验研究.pdf

摘要 摘要 压下螺纹副是现代高负荷中厚板轧机大行程辊缝调节所必需的机座组成部分之 一，其寿命和运行稳定性不仅直接关系着中厚板轧机的正常生产，而且成为轧机高 负荷快速化与时俱进的制约因素。 轧机压下螺纹副设计受普通联结螺纹副影响，只停留于按机械学和轧机设计书 籍中论述的静态设计范畴。因而压下螺纹副设计以静态理想压强作为满足强度、刚 度、耐磨性和稳定性要求的指标而告终。然而，在实际使用过程中，压下螺纹副磨 损异常快而短寿，甚至有的短短几周就铜螺母螺牙磨尽而报废。目前。2 8 0 0 m m 及 3 5 0 0 m m 中厚板轧机压下螺纹副，仍从外国进口维持生产。压下螺纹副异常快速磨 损及短寿是长期得不到解决的难题，其磨损机理至今未能得到揭示和阐明。 参与国家“十五”重点科技攻关项目- - 3 5 0 0 m m 中厚板轧机压下螺纹副短寿研 究课题，通过系列现场调研测试、定量数值解析、科学模拟实验和创新思维发现 和揭示了轧机压下螺纹副大间隙中径定位机构特征的微尺度失控行为机理，由此产 生的螺纹副面力超常增幅( 十几倍) ，成为螺纹副异常快速磨损短寿的主要原因。还 提出了行之有效的长寿稳定性压下螺纹副雏形。 全文共分六章。第1 章绪论纵观中厚板轧机的发展历史，指明电动压下螺纹副 使用过程中存在的难题，定位课题内容、意义及来源。第2 章论述压下螺纹副面力 场的三维弹性摩擦接触多极边界元解析，定量给出压下螺纹副三维压力分布进而 揭示了螺纹副微尺度行为与压力超偏分布的对应关系。第3 章开创1 3 螺纹副模型 电测模拟实验法，给出螺纹副全层螺牙的压力分布，揭示和证实了大间隙中径定位 特征螺纹副的微尺度行为给压力不均匀带来的巨大影昀。第4 章用现有静态设计理 论校核了3 5 0 0 m m 轧机压下螺纹副的强度、耐磨性指标然而解释不了螺纹副螺牙 异常快速磨损现象。用冲击载荷解析了螺牙齿顶鼓包的形成原因。第5 章论述压下 螺纹副的动态特性，计算整体螺母和主副螺母结构两种约束下压下螺丝的前几阶固 有频率和振型，并计算冲击载荷作用下的动态响应。用数值解析证明了主副螺母结 构的压下螺纹副可以减缓冲击载荷的产生，并用1 8 模型模拟实验作出验证。第6 章综合了现代压下螺纹副的最新技术成就，并给出3 5 0 0 m m 中厚板轧机的微尺度可 控长寿稳定性压下螺纹副雏形。 燕山大学工学博士学位论文 轧机压下螺纹副微尺度行为机理的发现和揭示，不仅解决了螺纹副异常快速磨 损短寿难题，还为创新开发具有自主知识产权的长寿稳定性压下螺纹副奠定理论和 实验基础。本文提出的轧机压下螺纹副微尺度理论必将成为继承压下螺纹副静态设 计理论的动态设计理论，具有重要的理论意义和工程经济价值。 关键词中厚板轧机；压下螺纹副；微尺度行为：多极边界元法；电测法；回松 主副螺母结构 i i a b s t r a c t t h ep r e s s u r es c r e wp a i r sa r ci m p o r t a n tp a r t so fm o d e m h i g hi n t e n s i t ym i l lt om e e t t h ed e m a n d i n go fl a r g es t r o k ea d j u s t i n g ，w h o s es e r v i c el i f ea n ds t a b i l i t yi sc l o s e l yr e l a t i v e w i t ht h en o r m a lr u n n i n go f m i l l a n dt h es h o r ts e r v i c el i v e sl i m i tt h em i l ld e v e l o p m e n t t h ep r e s s u r es c r e wp a i r sa r es i m i l a rw i t ht h r e a d e da n dc o u p l e di no u t l i n e p r e s e n t s t u d yo fp r e s s u r es c r e wp a i r ss t a y so ns t a t i cd e s i g ni nr e l a t i v eb o o k s t h ep r e s s u r es c r e w p a i r sn e e dt om e e tt h ed e m a n d i n go fi n t e n s i t y , r i g i d i t y , a b r a d a b i l i t ya n ds t a b i l i t y i n p r a c t i c e ，p r e s s u r es c r e wp a i r sa b r a d eh e a v i l y ，s o m ee v e nb r o k eu pi ns e v e r a lw e e k s n o w p r e s s u r es c r e wp a i r so f2 8 0 0 m ma n d3 5 0 0 r a mp l a t em i l la r eb r o u g h tf r o ma b r o a dt o m a i n t a i nt h en o r m a lr u n n i n go fm i l l i ti su r g e n tt ok n o ww h yt h ep r e s s u r es c r e wp a i r s a b r a d eh e a v i l y i ti sag r e a tc h a n c et oe n t e rt h es u b p r o j e c to f “t e n f i v e n a t i o n a ls c i e n c ea n d t e c h n o l o g yn a m e d “i m p r o v et h ec a p a b i l i t yo fb e n d i n gr o l la n dr e l i a b i l i t yo ft h ep r e s s d o w ns y s t e mf o r3 5 0 0p l a t em i l l ”a f t e rp r a c t i c a lt e s t i n g ，n u m e r i c a la n a l y s i s ，m o d e l e x p e r i m e n ta n dt h i n k i n g ，i ti sf o u n dt h em e d i u md i a m e t e ro r i e n t a t i o ni su n r e l i a b l e i ti s t h em i c r o s i z eb e h a v i o rm a k e st h ep r e s s u r es c r e wp a i r s 、玑t l ls h o r ts e r v i c el i f e i nt h ee n d o f p a p e r , an e ws c r e wp a i r sw i 山l o n gs e r v i c el i f ei sp r e s e n t e d t h ep a p e rh a ss i xc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e ri si n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n t h i s t o r yo fh e a v ya n dm e d i u mp l a t em i l la n dp r o b l e m se x i s t i n gi nt h ep r e s s u r es c r e wp a i r s o f p r e s e n tp l a t em i l l i nt h es e c o n dc h a p t e r , 3 - dt r a c t i o na n dd i s p l a c e m e n tf i e l dm u l t i p o l e b e ma n a l y s i sa r eg i v e no u t ，i n c l u d i n gt h ea x i a lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nb e t w e e nt h r e a d l a y e r s ，r a d i a lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na l o n gt e e t hs u r f a c ea n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n su n d e rt h e i n t e r f e r e n c eo fo u t e rc o u p l e t h et h i r dc h a p t e ri sa b o u tt h eo n e t l l i r dm o d e le x p e r i m e n t e l e c t r o m e t r i cm e t h o di sa d o p t e d i tc a nb es e e nf r o mt h et e s t i n gr e s u l t st h em i c r o - s i z e b e h a v i o ri st h em a i nr e a s o nf o r t h eu n e v e np r e s s u r ed i s t r i b u t i o n h at h ef o u r t hc h a p t e r , t h e p r e s s u r es c r e wp a i r sa r ec h e c k e dw i t ht r a d i t i o n a ld e s i g nt h e o r y t h et r a d i t i o n a lt h e o r yc a n n o te x p l a i nw h yt h ep r e s s u r es c r e wp a i r sa b r a d eh e a v i l y i m p a c tl o a di su s e dt oa n a l y z e t h ef o r m i n gr e a s o no ft h et e e t hb u l g e t h ef i f t hc h a p t e ri sf o c u so nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r c o m p u t i n go ft h ep r e s s u r es c r e wp a i r s ，i n c l u d i n gt h en a t u r a lm o d e sa n df r e q u e n c i e so f s c r c wu n d e rc o m p o u n da n dn o r m a ln u tc o n s t r a i n t s ，d y n a m i cr e s p o n s eu n d e ri m p a c tl o a d i i 燕山大学工学博士学位论文 o n e - e i g h t hm o d e le x p e r i m e n ti sd o n et ov e r i f yt h ea n a l y s i sr e s u l t s i nt h es i x t hc h a p t e r , a n o wp r e s s u l es c r e wp a i r si sg i v e no u t ， t h em i c r o s i z eb e h a v i o re x p l a i n sw h yt h ep r e s s u r es c r e wp a i r sa b r a d eh e a v i l ya n d l a y se x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lb a s e m e n tf o rt h ed e s i g no fn e wp r e s s u r es c r e wp a i r s w i t hl o n gs e r v i c e1 i f e 1 1 l er e s e a r c hr e s u l t sh a v eb o t ht h e o r e t i c a la n de c o n o m i cv a l u e k c y w o r d sh e a v ya n dm e d i u mp l a t em i l l ；p r e s s u r es c r e wp a i r s ；m i c r o s i z eb e h a v i o r ； m u l t i p o l e - b e m ；e l e c t r o m e t r i cm e t h o d ；l o o s e n i n g ；c o m p o u n dn u t i v 第1 章绪论 钢铁在2 1 世纪，仍是必选基干材料【l “。轧制加工是当今钢铁工业及有色会属 制品工业的主干工程。面对己进入w t o 经济全球化的新世纪，尤其铁矿石价格猛 涨的今天，钢铁工业要与时俱进。轧制设备的技术革新，迫在眉睫。 中厚板钢材是国民经济发展所依赖的重要材料，也是国家工业化不可缺少的“万 能”品种，既可当板材又可当型材使用。中厚板生产水平及材料性能水平，是衡量 国家钢铁工业及钢铁材料水平的标志1 6 - 1 0 l 。 目前，生产中厚板的主要机型是可逆式四辊轧机，普遍采用电动一液压压下装 置进行辊缝调节和板厚控制。其中，压下螺纹副是电动压下系统的核心机构，它的 寿命和可靠性直接关系中厚板板厚精度和轧机的正常生产。至今，压下螺纹副磨损 异常快、最佳平衡系数的确定和压下螺丝回松与辊缝增加是历史悠久的难解课题， 超出现有轧机设计理论和机械设计理论范畴未能得到解决，尚且没有具有自主知识 产权的大型压下螺纹副。2 8 0 0 m m 及3 5 0 0 m m 中厚板轧机的压下螺纹副，至今仍从 德国或韩国进口维持生产。压下螺纹副的理论和实验研究任重而道远。 1 - 1 中厚板轧机的发展及我国现状 中厚板材品种生产的发展，至今已有2 0 0 多年的历史。1 8 6 4 年美国创建了世界 上第一套三辊劳特式轧机生产中厚板，它不需要轧辊正反转而利用升降台进行可逆 轧制，推广于世界盛行一时。随着时间的推移，这种轧机不再适应提高板材厚度及 精度要求的需要，18 9 1 年美国建造了第一台四辊可逆式厚板轧机。到了2 0 世纪7 0 年代，加大了轧机级别，建造了5 0 0 0 m m 以上的特宽型中厚板轧机，以满足航母和 大直径长运输天然气管线用板材的需要。最近1 0 多年国外宽厚板轧机的生产，从扩 大产量型向提高尺寸精度及表面质量型转变，对板型控制( 平坦度及凸度) 、平面形 状控制提出了更高要求。自上世纪7 0 8 0 年代开始采用的厚板控制轧制技术和控制 冷却技术及热机控制t m c p ( t h e r m o m e c h a n i c a lc o n t r o lp r o c e s s ) 工艺，己成为当 今厚板生产的主要生产工艺。目前国外中厚板生产和轧机建设已进入一个稳定时期， 新建轧机廖廖可数，产量有减无增但品种增多，提高质量，降低了成本，提高了自 动化程度。 燕山大学工学博士学位论文 我国的第一套中板轧机是1 9 3 6 年在鞍钢建成的，其规格为2 3 0 0 m m 三辊劳特 式轧机。之后，中厚板轧机虽有所发展，但进展很慢。解放后，相继建成了重钢 2 4 0 0 m m 中板、鞍钢的半连轧和武钢的2 8 0 0 m m 中板等三辊劳特式轧机。随着国外 中厚板轧机的快速发展，我国也逐渐淘汰y _ - 辊劳特式轧机或对其改造，采用四辊 轧机。增加了轧机的轧制能力和提高了行业竞争力。 我国现有中厚板轧机以及专门生产中厚板的炉卷轧机约2 9 套，总的生产能力 在2 0 0 0 万吨左右。2 0 0 5 年，随着宝钢5 米轧机的投产和一批改造和新建设备的投 产，产量将有一定增长。其中上海蒲钢厚板厂3 5 0 0 m m 四辊精轧机和热矫直机为国 产8 0 年代末水平。鞍钢4 3 0 0 m m 轧机、上海蒲钢4 2 0 0 r a m 粗轧机、济钢3 2 0 0 m m 粗轧机、首钢3 3 0 0 r m n 轧机、邯钢3 0 0 0 m m 轧机和秦皇岛3 5 0 0 m m 轧机为国外引进 的五、六十年代旧设备。舞钢4 2 0 0 m m 轧机为国产6 0 年代水平。2 0 0 2 年8 月，国 产3 5 0 0 m m 中厚板精轧机在济钢投产( 如图l l 、图l - 2 所示) ，设备总重5 8 0 0 吨， 机架单重3 0 0 吨，总轧制压力达7 0 0 0 吨，轧制精度较高，主要技术性能见表1 1 。 表i - 1 四辊轧机主要技术性能 t a b l e1 - lm m nt e c h n i c a ld a t ao ff o u r - h i 曲m i l l 项目蒲铜3 5 0 0 轧机济钢3 5 0 0 轧机 工作辊尺寸( m m x m m ) 枣1 0 2 0 3 5 0 0中1 0 3 0 x 3 5 0 0 支撑辊尺寸( n m m ) 士2 0 0 0 3 4 0 0中2 1 0 0 x 3 4 0 0 量大轧制力( k n ) 6 0 0 0 07 0 0 0 0 主电机功率伥u 0 d c 2 5 7 5 0 a c 2 7 0 0 0 最大轧制力矩( k n - m ) 2 8 0 0 02 8 0 0 0 a g c 型式 s e r 忸s 干油弓l 进 a g e 缸规格( r a m x m m ) + 1 0 0 0 3 0巾1 4 0 0 4 0 机桨单重( d ”52 9 5 机架刚性( k n m m ) 1 0 0 0 01 0 0 0 0 除辩水压力( m p a ) 2 0 2 5 快抉辊型式 电动电动 投产年份 1 9 9 1 笠2 0 0 1 年 济钢3 5 0 0 m m 精轧机主体设备由中国二重公司设计制造，控制系统采用靠模型 自动化轧制等智能控制技术，电控及配套设旌分别由德国西门子公司、西马克公司、 g p 公司及日本、英国、瑞典等国际知名公司设计制造。首钢3 5 0 0 m m 四辊精轧机 于2 0 0 3 年底投产。主体设备也是由中国二重公司设计制造【1 1 】。如上所述，国内中 2 第1 章绪论 厚板轧机仍处于结构调整中，如轧机技术改造、后部的精整工序完善或准备淘汰新 建轧机等。 图1 - 1 济钢3 5 0 0 m m 精轧机 f i g 1 - l3 5 0 0 m mf i n i s hm i l lo f ap l a n t 一 图1 23 5 0 0 m m 精轧机主视图 f i g i 一2f r o n tv i e wo f 3 5 0 0 m mf i n i s hm i 1 2 中厚板轧机电动压下系统及课题 中厚板轧制的特点：一来料品种多，温度变化大，加热后板坯有横向水印；二 是坯料短，咬钢及抛钢时产生较大的轧制力冲击与突变；三是轧制道次多，压下量 大、快节奏的可逆轧制。因此，轧制过程中，既要有大行程的快速调整，又要有精 确的厚度控制。采用电动一液压压下及其厚度自动控制系统，是满足上述要求的最 佳形式。新建厚板轧机的四辊可逆式工作机座都采用电动一液压双压下装最，老轧 机的改造都是在原有电动压下装置上增加短行程的液压压下油缸。 压下螺纹副是电动压下装置的核心构件。它的寿命及可靠性关系整个轧机的稳 定生产。然而在实际使用过程中，压下螺纹副磨损严重寿命短，回松大，增加停机 更换时间，严重影响生产过程，带来巨大的经济损失。 某中板厂的2 8 0 0 m m 中板轧机投产初期出现了轧机两侧压下螺丝、螺母磨损严 重问题，当螺纹副开动以调整辊缝时有铜屑从压下螺母上排出，压下电机工作电流 燕山大学工学博士学位论文 常超过设计正常值。停机后，拆卸压下螺丝、螺母检查发现，铜合金螺母磨损严重。 锯齿形牙型上已出现环形局部凹沟、根部磨损更加严重，而合金钢的压下螺丝牙型 局部表面粘结铜屑及烧伤痕迹。压下止推轴承的凸形球面副严重损伤，轴承的滚动 体边端局部压裂或脱皮。检查螺母牙型接触面原角度变化量约为0 5 。，螺丝表面粗 糙，除粘结铜屑外，牙形尺寸误差也超差，倒角尖锐。经检查处理后，尽管下调压 下装置平衡缸和加大润滑油量等，但未过多久再度出现类似问题【1 2 】。 济钢中厚板厂3 5 0 0 m m 四辊精轧机于2 0 0 1 年9 月开始设备安装，2 0 0 2 年1 月 2 2 日开始试轧，运转一切均正常，但自2 月l o 日开始，随着平衡系统压力由1 9 2 2 m p a 升至2 1 5 7 m p a ，压下电机电流逐渐增高。到2 0 0 2 年2 月1 4 日，压下系统出现电动 机电流过高。压下不到位甚至压下停转的现象，导致精轧机无法正常生产。经解体 压下螺纹副，发现压下螺母严重磨损。接触面和牙顶部出现很多细长条片状铜屑， 压下螺丝接触面留有中度点蚀。经修复压下螺丝，更换新铜螺母后，于3 月2 8 日开 始投入使用恢复轧制生产【”l 。 2 0 0 3 年8 月份，适逢厂子大修。更换了3 2 0 0 m m 粗轧机和3 5 0 0 r n m 精轧机的压 下螺纹副，我们做了磨损状况的测量，发现压下螺纹副铜螺母磨损严重。3 2 0 0 m m 中厚板四辊轧机是从荷兰购进的旧轧机，其压下螺丝的磨损发生在上端的方头平面 ( 与蜗轮方孔接触) ，纵向划痕明显，最大约2 m m 深，如图1 - 3 所示。 图i - 3 粗轧机方头平面的磨损图1 - 4 螺母磨损前后的牙型 f i g 1 - 3w e a rc o n d i t i o no f r o u g hm i l ls c r e w s f i g 1 - 4t h r e a dp r o f i l eo f n u tt o o t hb e f o r ea n d s q u a r eh e a d a i d e ru s e 压下螺丝螺牙虽有磨损但相对螺母显得很小，修补方头可以继续使用。压下螺 母螺牙接触面的顶端，局部突出高约l m m 、宽2 - 3 r a m 的鼓包，如图1 - 4 所示。螺 母上下两端螺纹层的鼓包较大，鼓包坚硬，不是被磨削粘连的铜屑薄片而是塑性压 4 第1 章绪论 缩横向宽展形成。 精轧机压下螺丝螺纹部分磨损量相对很小，仍可以继续使用，与蜗轮花键联接 部分磨损严重，有一明显的光亮带。压下螺母磨损严重，平均磨损量达l m m 左右， 整个齿面凸凹不平，明显可见三个区域，齿根处牙面上有大量的碎铜屑翘起，粘接 于齿面上，形成麻点区，靠近齿顶处齿面相对光滑，螺牙根部l m m 顶隙处有明显 凸台，如图l 一5 、图1 - 6 所示。 图i 5 精轧机齿面的磨损情况 f i g i - 5w e a rc o n d i t i o no f f i n i s h i n gm i l ln u tt o o t h 图1 - 6 精轧机齿面的凸台 f i g 1 6b o s so f f i n i s h i n gm i l ln u tt o o t h 秦皇岛中板厂四辊可逆式中板轧机，系西班牙进口的5 0 年代轧机。由于市场需 求该中板轧机每日超额生产，轧制力由3 0 0 0 吨增至4 0 0 0 吨。其中，压下螺母损 坏事故极为突出，其平均寿命不足三个月，最短的几天就报废。据厂方有关记载， 压下螺母随机备件的使用寿命达八个月之久。现在备件用完后，压下螺母由国内厂 家生产，尺寸等均无变化，只是材质略有不同，但使用寿命急剧下降。据现场调查 及厂方记录，压下螺母的主要损坏形式为螺牙磨损严重，铜屑大面积剥落，最坏时 螺牙齿顶厚度由7 m m 磨损至l m m 。从损坏的螺母可以清楚地看到，大量剥落的铜 屑粘连于螺牙上。各螺牙磨损情况全高度内相同。压下螺丝上只存在少量径向裂纹， 但并不影响正常工作。 在轧机实际生产中，压下螺丝自动旋回的现象称为回松。电动压下系统回松也 是困挠厂方的一个难题。太钢从日本日新吴厂引进的1 5 4 9 m m 带钢热连轧机二手设 备投入试生产后发现，当轧制力大时，精轧机压下机构不能可靠的自锁，因此在咬 钢冲击载荷的作用下，压下螺丝被动回升，造成辊缝增大、出口厚度变厚、负荷分 配破坏、秒流量失衡。该现象在精轧机组六架轧机上均不同程度的存在。最严重的 回升可达数百微米【1 。 马钢热轧板厂的2 3 0 0 m m 可逆式二辊轧机采用电动压下系统。二辊轧机也在轧 燕山大学工学博士学位论文 制过程中发生“压下螺丝回松”，导致轧机辊缝值交大。特别是在冬季，轧钢过程中 常出现辊缝值变大现象，产生废品，给二辊轧机压下操作带来一定难度。一般情况 下，在皎钢开始瞬间，辊缝突然增大o 】 o 5 m m ，严重时辊缝增大到1 i m m 左右。 从辊缝的变化情况观察，变化值没有明显的规律。轧辊辊缝变化，严重影响产品尺 寸精度1 1 5 1 。 1 1 5 0 m m 初轧机压下系统的工作制度为“非带钢”压下，即轧机的轧辊位置调 整是在轧机间歇状态下完成的，因而在轧辊位置调整场合作用于单侧压下螺丝上的 力，按下式确定： 舅= ( q g ) 2 ( 1 - 1 ) 其中，只为单侧压下螺丝上的作用力，q 为上轧辊平衡力，g 为被平衡各部件的总 重量。其中q = k g ，k 为过平衡系数，一般情况下取k = 1 2 1 4 ，即 只= ( 0 1 o 2 ) g 。 回松时作用于压下螺丝上的力为轧制力，远大于轧辊位置调整时的平衡力。就 某厂1 1 5 0 m m 初轧机而言，轧辊位置调整时作用于单侧压下螺丝的力约为7 0 k n ， 而在回松时为高达7 0 0 0 k n 左右，二者相差约1 0 0 倍。因此回松现象的存在，与作 用力大小没有因果关系u 6 1 。 1 3 压下螺纹副双向受压特征和轴向载荷分布 揭示螺纹副各层螺牙的真实承载工况是设计新型长寿螺纹副的关键。目前，已 有的螺纹副承载特性解析，有初等解析法、有限元法、边界元法和测试法等。 1 3 1 初等解析法 在一般的机构中螺丝和螺母的受力均是单向拉伸或压缩，其受力工况和作用 在螺纹上的压力分布如图1 7 所示。 r ，广i 防黝 f y 荔 心心浏n 沁浏 隧豹 厂硒 图1 - 7 螺纹联接时接触压力q ( z ) 轴向分布 f i g 1 7q ( z ) c o m p u t i n gd i a g r a mo f s c r e wc o u p l e 6 第1 章绪论 轧机的压下螺丝和螺母，其受力工况不同于图1 7 所示的工况。由于承受朝上 的轧制力及机架镗孔止推凸台的约束，螺母螺纹双向受压，其接触压力q ( z ) 的轴向 分布如图1 - 8 所示，两端部承载大，中间处小，整体呈u 型分布。 图l - 8 压下螺纹副接触压力q ( z ) 轴向分布 f i g ，1 - 8q ( z ) c o m p u t i n g d i a g r a mo f p r e s s u r es c l e wp a i r s 现行滑动螺旋传动的螺牙强度及耐磨性计算中，没有考虑各圈螺牙载荷分配不 均的因素，以平均螺牙载荷作为计算载荷。文献1 1 8 中提出了一种对各种旋合圈数 都适用的螺牙载荷分配计算公式，以各圈螺牙承载的百分率来反映各层螺牙的承载 情况。其最终公式表述如下： 口：上+ j 二( 1 - 2 ) e 1 4e 2 a 2 6 ：且+ 旦( 1 - 3 ) r i d e ir i d e 2 ：!一4tc ! 墨型墨垒 ( 1 4 ) = 一。二2 2 3 ll - 斗j b d 届+ 履e l e 2 l 1 + e l a 】e 2 a 2 f = 1 i - 1 只= c 只+ f 一。( f = 2 ，3 ，n ) i = l r 。= 只 i = 1 口，= e r 。( i = 1 ，2 ，行) 7 ( 1 5 ) ( 1 6 ) 燕山大学工学博士学位论文 q = 而 s i = 1 s ，= e c m q e ( i - 2 3 行) 口。= s , q ( i = 1 ，2 ，n ) ( 1 7 ) 式中f 螺纹螺距 d 螺杆中径 e 、e ，螺杆和螺母材料的弹性模量 属、履螺杆和螺母螺牙的挠度牙形系数 c t 、b 螺距综合柔度和螺牙综合柔度 c 、m 变形协调系数和载荷分析系数 式( 1 - 6 ) 为反向变形( 螺杆螺母轴向拉压变形性质相反) 时的螺牙载荷分配公 式。其中，l 为旋合圈数，只为当取曩= 1 时的各圈螺牙轴向载荷，显。为总载荷。岱，为 各圈螺牙载荷百分率，其中最大受载圈螺牙载荷百分率为口。= e 尺。，最小受载圈 螺牙载荷百分率为= e r 。 式( 1 7 ) 为同向变形( 螺杆螺母轴向拉压变形性质相同) 时的螺牙载荷分配计 算公式。以式( 卜6 ) 的计算结果为前提。式中s 为当取s 。= 1 时各圈螺牙轴向载荷， q 为总载荷，口，为各圈螺牙载荷的百分率，其中最大受载圈螺牙载荷百分率为 嘶= s q ( 当m o 5 时) 或口。= s n q ( 当m o 5 时) 。最小受载圈在中部。 另外，m i l l e r 用有限差分法分析了螺栓联接中的载荷分布情况。 s o p w i t h 通过分析承载螺栓和螺母的应变，给出了载荷在轴向的分布情况及螺 母径向扩展的解析解，表明载荷沿轴向并不是均匀分布。 y a z a w a 和h o n g o 给出了轴向力，切向力及弯矩作用下，螺纹副内载荷分布的 解析解。计算结果和实验结果较吻合。 h e y w o o d 在前人的基础上，给出了螺丝齿根过渡处的应力、接合效率及螺纹副 承载的计算方法。他在螺纹联接的疲劳寿命计算也做了很多工作，发现螺纹副的疲 劳损坏与载荷分布密切相关。 w w a n g 和k m m a r s h e k 提出了一种以修正的弹簧模型计算螺栓联接中的载荷 分布n 9 - 2 ”。 第1 苹绪论 1 3 2 数值解法 大多工程问题由于形状和工况复杂，一般都难以求得解析解。在得不到解析解 的时候，人们常采用差分法，按差分格式离散以获得数值解。或者，按问题的特点 选取试函数，采用里兹法或伽辽金法等近似方法求得近似解。这些近似法烦杂费时， 然而计算机的应用和发展给工程数值计算方法提供了有力的工具。 螺纹联接及压下螺纹副的接触压力分布解析计算是复杂的接触问题，属于典型 的边界条件非线性问题。接触问题的提出与研究，经历了三个发展阶段。第一阶段， 接触问题的研究对象限制在刚体或规则弹形体之间，考虑接触的整体现象。其问最 重要的两项成果有牛顿第三定律和库仑摩擦定律的提出。第二阶段，以德国学者 h e r t z 在1 8 8 2 年发表的经典论文论弹性固体的接触为代表，研究了透镜在接触 力作用下产生的弹性变形对干涉条纹的显著影响，提出了椭圆接触面假设，计算了 弹性位移。然而，实际工程问题的复杂性，使得接触理论很难直接应用于实际。由 此，采用解析法研究工程领域的接触问题，受到极大的限制。计算机的出现使工程 接触问题的数值计算方法成为可能。其中的有限元法( f e m ) 和边界元法( b e m ) 非常有效，并成为被广泛应用的数值分析方法，从而使接触问题的研究进入了第三 阶段。此时，接触体的几何形状和材料特性更加复杂，研究领域从线弹性问题扩展 到几何、物理多重非线性问题，逐步建立了以数值分析为主的求解接触问题理论体 系 2 2 - 2 9 。 近年，有限元法用于求解螺栓联接中载荷的分布。o h a r a 采用了二维的轴对称 模型进行计算，模型只取了螺旋线的螺纹咬合部分，并将计算结果和h e y w o o d 的结 果相比较，除了根部外，基本吻合。根部的计算结果不准确，载荷大，是因为采用 了点载荷而不是分布载荷的结果。r e t a l 和c o o k 提出了一种用于螺纹联接的有限元 模型，用一系列正交各项异性的单元代替单个螺牙，主方向由螺纹的几何特征及载 荷的方向决定，成功计算标准及非标准牙型的螺栓联接载荷分布，计算结果与实验 结果和解析解一致。t a n a k a 引入了一种修正的有限元方法，分析了承受轴向载荷和 水平载荷的螺纹联接的承载特性。f u k u o k a 采用轴对称有限元模型计算了螺栓联接 载荷分布，并考虑了螺牙面间的摩擦i l 。 如今许多大型的有限元商业软件应运而生，如m a r e 、a n s y s 等国际通用软件已 经在许多工程领域得到了广泛应用 3 0 - 3 1 】。对于螺纹副，国内外学者己运用有限元进 行了详尽的分析 3 2 - 3 8 】，j w h o b b s ，r l b u r g u e t e 和e a p a t t e r s o n 运用a n s y s 建立了 燕山大学工学博士学位论文 三角形螺纹副的二维和三维模型，并给出了各层螺纹牙的承载分布1 3 9 j 。尹益辉用 l n 龇 c 建立螺栓三维有限元模型，给出了螺栓的变形和应力分布。李润方、林腾蛟、 唐倩等用a n s y s 建立了钻铤螺纹联接的二维模型，给出了联接处的载荷分布1 4 0 m 】。 文献 1 7 1 采用二维轴对称有限元模型计算了载荷在轧机压下螺纹副各层螺牙上 的分配情况，并和力学解相比较，如图1 - 9 所示。图中纵坐标为各螺纹上承受的载 荷占总负荷的百分比率。同时计算了螺母圈数不同时压下螺母各螺纹上的压力分布 情况，如图1 1 0 所示。但是，该解析未能给出螺牙沿圆周上的载荷分布。 图1 - 9 各层螺纹上的载荷分布 f i g 1 - 9s t r e s sd i s t r i b u t i o n 图1 1 0 圈数不同时各螺纹的压力分布 f i g ，1 - 1 0s t r e s sd i s t r i b u t i o no f d i f f e r e n tn u tl a y e r s 上世纪7 0 年代末，英国南安普敦大学b r e b b i ac a 等研究组的边界元法的基 础和应用一书问世以来，边界元法跻身于有限元法等现代计算力学数值解析理论 与工具之林，广泛应用于土木建筑、机械工程、海洋、化工、航天、环境和强、弱 电工程领域，为推动各工程领域理论解析和创新技术的发展发挥了巨大作用 4 圳。 近l o 年，边界元法随着计算机的发展广泛应用于大型和非线性科学工程领域的 数值解析，成功地解决了如内燃机曲轴强度分析、大型轧钢机机架强度及网h 度分析、 海洋石油钻井台柱防腐蚀优化设计等复杂工程问题。与此同时，发展非协调元的开 发应用、域积分项的边界积分项转换和多极展开法等数值技术，还同计算机功能模 块和离散网格生成器相联结强化了自身特色。近些年，边界元法的应用领域进一步 扩大。在结构静力学、裂纹的生成及扩展、流体运动、骨骼生长、轧制工程、接触 问题等研究领域有了迅速的发展，使之成为一种强有力的数值计算方法【4 7 50 1 。 多极展开法是对fz 求和项的近似计算方法。将多极展开法应用于积分方程 1 0 哪啪湖伽詈i枷啪 川引_ 一 一兰 一解 亨，、0一 学 、 一 防一卜一 埔h n m 。： 第l 章绪论 的远距离影响系数计算，可显著减少计算量。多极展开法适用于三维边值问题，只 有解题规模超过n = 0 0 03 1 0 4 ) 时才有意义。国外关于多极展开法的研究大多是其 在物理学领域的应用 5 1 0 5 2 】。在我国，2 0 0 2 年，清华大学姚振汉教授课题组率先将泰 勒级数展开式适用于二维弹性问题边界元法中，成功地模拟了复合材料不同粒子变 形一应力场。与此同时，作者所在的燕山大学申光宪教授课题组将静电多极展开式 适用于三维弹性问题的边界积分方程中，完成大规模轧辊辊型模拟计算 5 3 - 5 4 】。 文献 5 5 1 应用边界元法对轴对称模型下压下螺母螺牙载荷进行了分析，分析中 采用点对接触模型。有关文献均表明，螺纹副单向受拉情况下，螺母承载端螺牙压 力很大，另一端几乎不承载；在双向受压情况下，螺纹轴向载荷成u 形分布，即两 端大中间小【5 6 5 7 1 。 1 3 3 测试法 g o o d i e r 通过变形测定器测量螺母的外部变形，获得了螺纹副的承载及变形状 况。h e t e n y i 采用三维应力冻结光弹法测量了一系列不同设计参数的螺纹副，发现采 用锥螺纹即螺母外形呈锥形，能提高3 0 的预紧力。采用相似的三维应力冻结光弹 法，a l l i s o n 测量了采用偏锯齿牙形的螺栓联接的载荷分布。 s t o e c k l y 和m a c k e 研制了一套测量承载螺纹副螺牙的轴向位移装覆。螺牙的轴 向位移通过乘上相应的系数，可转换为螺牙所承受的载荷。同时s t o e c k l y 和m a c k e 还修正了s o p w i t h 的公式，适应于锥形的螺纹副。同时他们发现，螺纹副间的摩擦 系数对载荷的轴向分布影响很小，在给定载荷下通过合理选择螺丝的牙形角度，可 减少螺丝中的最大应力值。 k e n n y 和p a t t e r s o n 借助于旋光镜和微量光密度计，通过光弹法测量了一组螺纹 副中的载荷分布情况，测量结果和s o p w i t h 的解析解及b r e t l 、c o o k 的有限元计算 结果相吻合 1 9 - 2 1 】。 国内也有很多学者，用光弹法验证了螺纹联接的压力分布。合肥工业大学的王 炯华通过光弹性分析验证了将螺纹联接的螺栓前部车成倒角，可明显降低座体内螺 纹的应力峰值【5 8 1 。燕山大学的白象忠教授也用光弹法测量了螺纹联接内各螺牙的承 载特性。 燕山大学工学博士学位论文 1 4 螺纹副均载和防松的研究进展 针对螺纹副轴向的压力分布不均匀特性，研究者提出了许多螺纹副轴向压力分 布均匀化的具体方法及结构。如改变螺纹副的螺母形状或采用变螺距螺纹等1 5 9 1 。螺 纹副的螺母，有悬置结构、钢丝螺套方法或螺母螺纹单侧面增大螺旋升角等。对于 轧机的压下螺母轴载荷分布特点，提出了刚性协调方法即通过有限元优化的方法改 变结构局部形状，协调某些部分的单元刚度。如增加螺母中部的刚度，或在端部钻 孔、车削环形槽等以减小螺母端部的刚度0 7 , 5 6 , 5 7 ，6 0 1 。 螺纹副的防松，根据螺纹副的工作原理可分为摩擦力矩防松、直接锁住防松和 破坏运动副防松三种方法。对于螺纹联接，有多种方法可以实现直接锁住或破坏运 动副实现防松。如加大螺栓和螺帽的端面接触尺寸，用开口销与开槽螺帽等 5 9 , 6 1 - 7 4 1 。 但对于轧机电动压下螺纹副，因在线不断地调整辊缝，现有研究只是通过减小轧制 力的波动以减小回松量【7 5 6 1 。最近，采用液压压下装置在线补偿压下螺丝回松量。 保持辊缝恒定。 1 5 选题来源、内容和意义 本课题来源于国家重大技术装备十五攻关子项目“提高3 5 0 0 m m 中厚板轧机弯 辊能力和压下系统可靠性的研究( z z 0 1 1 3 a 0 2 0 2 0 3 ) ”。 回顾轧机压下螺纹副发展史和动向，对于压下螺纹副的异常快速磨损的困扰难 题，除了强化润滑外没有其它有效方法。尤其是，现有轧机设计理论，无法阐明压 下螺纹副快速磨损的机理。轧机设计理论中的压下缧纹副部分，适用于静态设计。 压下螺纹副的特征是大问隙、中径定位的螺旋滑动机构，轧制工况下的螺丝杆微尺 度行为一直是被忽略和模糊的研究领域。揭示轧机压下螺纹副的动态微尺度行为机 理是本课题的研究任务，为设计新型长寿压下螺纹副奠定理论和实验基础。 本课题研究内容有： ( 1 ) 用三维弹性摩擦接触多极边界元法揭示3 5 0 0 m m 中厚板轧机压下螺纹副 各层螺牙的承载特性。螺纹副异常磨损的关键参量是螺牙面上作用的实际压强。因 此，必须在动态运转工况下，定量分析大间隙中径定位压下螺纹副结构的微尺度行 为及其异常偏载机理。 ( 2 ) 按照相似理论，制作1 3 实验模型，研制双向受压螺纹副的电测装置。定 量测定螺纹副分别在轧制力和过平衡力作用下的螺牙层间接触压力分布，验证数值 1 2 第1 章绪论 模拟结果的有效性。 ( 3 ) 分析压下螺纹副在咬钢及甩钢冲击载荷下的动态特性。通过模拟实验，测 定压下螺纹副在“咬钢”等冲击载荷作用下的动态响应。阐明螺纹副损坏严重的动 态机理。 ( 4 ) 以许用压强为容限，优化螺牙面形状和刚度匹配。使压强均匀分斫i 。 ( 5 ) 按照轧机微尺度理论。开发中厚板轧机的长寿可靠的压下螺纹副。该机构 压下螺丝具有几何定位和自平衡特性，螺牙接触面压强在许用值以下。 纵观国内外轧机的压下螺纹副现状，由于结构简单且类似于常用螺钉螺帽而不 被人们所重视。对于高负荷复杂工况下运行的中厚板轧机压下螺纹副，尽管磨损异 常快、寿命短而成为轧机的薄弱环节，只停留在采取单一的强化润滑措施以延长寿 命外，从不研究揭示磨损异常快的机理。因此，轧机压下螺纹副以微尺度行为为核 心的动特性机理及其控制研究，解决磨损异常快和回松难题，不仅具有巨大的工程 经济意义，更具有重型机械学科的理论意义。 燕山大学工学博士学位论文 第2 章压下螺纹副面力