锻造液压机高强度特殊螺纹拉杆有限元仿真分析

文章编号16720L212015O3004004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030024；2哈尔滨工业大学威海，山东威海264200摘要目前锻造液压机的拉杆较多采用45。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IDEAS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45，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TG3154文献标识码ADO11016316JISSH16720121201503011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20141209作者简介毛春燕1978一，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【J1锻压装备与制造技术，2010，4522邢伟荣，等_7K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，2006，415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，2006F4】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，20055】邓凡平ANSYSIO0有限元分析M】北京人民邮电出版社，2007FINITEELEMENTANALYSISOFBASEFOROVERSIZEHORIZONTALBOTTOMROLLSADJUSTABLETHREEROLLBENDINGMACHINEGUOYONGPING_GULICHENZHENCHENG1DESIGNINGINSTITUTE，CHANGGANGGROUPMETALFNRMINGMACHINERYMANUFACTURECO，LTD，CHANGZHI046011，SHANXICHINA；2MECHANICALANDELECTRICALENGINEERINGCOLLEGE，XIANUNIVERSITYOFARCHITECTUREANDTECHNOLOGY，LETHREEMLLBENDINGMACHINEHASBEENLOADINGSIMULATIONHAVEBEENCONDUCTEDTOSOFTWAREANSYSTHEOPTIMIZEDDESIGNHAS，THERELIABILITYOFOVERSIZEBENDINGMACHINEMACHINE；FINITEELEMENT；OPTIMIZEDDESIGN现有的液压机拉杆普遍采用顶角为45。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L45。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，1DD；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45。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45。，该角度0可以选取在5565。之间，且以60。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11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，45。锯齿螺纹的拉杆上第一扣应力最高538MPA，第二扣约为450MPA，第三扣约为365MPA，第四扣约为281MPA，由此可见应力高值主要集中在前面35扣这也验证了前面457锯齿螺纹强度计算中假设35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127MPA，直至啮合终了应力值递减为247MPA。由图9可以看到新型螺纹的拉杆在前6扣应力值从294MPA递减到168MPA，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618MPA。图L0、11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35扣齿受力状况，降低拉杆螺纹应力45，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JL_起重运输机械2008，97476【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，2004，1762728，303】方栋，陈继志高强度螺栓螺纹根部应力集中的有限元分析JI材料开发与应用，2007，22237394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LJJ锻压装备与制造技术，2012，47529325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，20086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J1锻压装备与制造技术，201L，4627881【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，20048】薛强，苗德华钢轨接头螺栓的有限元应力集中分析JI铁道标准设计，2004，47072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。1996，19335836110李明民，译螺纹结构强度设计规范高压技术，1984，21111张德驺螺纹牙强度研究【JJ_哈尔滨船舶工程学院学报，1986，748093FINITEELEMENTSIMULAT