新型楔緊螺紋副應(yīng)力分布的有限元分析

王歡　王紅霞　張偉

摘要：新型楔緊螺紋副的創(chuàng)新構(gòu)想是改變螺紋的結(jié)構(gòu)，使得外螺紋的牙型角變小，內(nèi)螺紋的牙型角變大，提高了防松能力、加工難度降低、且裝拆方便。通過理論分析螺紋牙受力，并利用ANSYS有限元分析軟件研究螺紋牙的應(yīng)力分布，根據(jù)與普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋副比較顯現(xiàn)它防松方面的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：牙型角；防松；螺紋牙；應(yīng)力；振動試驗

中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.35.089

1前言

20世紀(jì)70代出現(xiàn)一種利用楔緊螺紋副防松的先進(jìn)技術(shù)，即由美國底特律工具公司發(fā)明的施必牢自鎖螺母。將普通螺母改用施必牢自鎖螺母后，不僅能保證螺紋連接在劇烈振動的工況下具有可靠的防松作用，并且由于其螺紋牙載荷分布趨于均勻還可延長使用壽命，其防松緊固效果很好。但國內(nèi)廠家的生產(chǎn)實踐表明，這種鎖緊螺母加工難度大，廢品率高，導(dǎo)致制造成本高。其技術(shù)難點是特殊牙型的絲錐刀具和檢驗用量規(guī)的制造工藝復(fù)雜、難度大，若從美國進(jìn)口，則價格昂貴。

學(xué)者們通過研究發(fā)現(xiàn)解決螺紋緊固件自行松脫的關(guān)鍵在于其螺紋結(jié)構(gòu)形狀改變。為此，需研究緊固件螺紋的結(jié)構(gòu)及受力情況，重新設(shè)計螺紋的幾何形狀，發(fā)明新型高鎖緊連接螺紋技術(shù)，從根本上來解決緊固件的松脫問題。

2新型楔緊螺紋副

針對上述難點，結(jié)合我國緊固件制造工藝水平的實際情況提出一種新型楔緊螺紋副的創(chuàng)新構(gòu)想，主要設(shè)計思路是改變螺紋的牙型角，外螺紋的牙型角變小，內(nèi)螺紋的牙型角變大。外螺紋的牙型角變小，外螺紋螺紋牙變的“瘦高”，在受同等力矩時，第一牙螺紋就容易變形，使其余牙承受載荷并產(chǎn)生鎖緊力，脫離“浮游”狀態(tài)，使螺紋牙載荷分配均勻。內(nèi)螺紋牙型角變大，外螺紋牙底形成楔形平面，當(dāng)螺紋擰緊時，螺栓的牙頂螺紋線全長度緊緊頂著螺母斜面，其上形成巨大的防松摩擦力。這樣，就能使螺紋緊固件緊緊地將連接部件連接起來而不松脫。同時，使施加于斜面上所產(chǎn)生的法向作用力與螺栓的軸的角度大于30而不是普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋那樣的30

SymbolpB@ ，前者所產(chǎn)生的法向作用力遠(yuǎn)大于后者，還有就摩擦力矩也將增大，這樣一來其所產(chǎn)生的防松摩擦力也就必然極大的增加。

在加工方面只需要改變加工刀具的角度便可，大大降低了加工難度。這樣一來，加工成本與其它具有同樣防松效果的螺紋相比，必然大大降低。另外還能克服施必牢自鎖螺母只能單向工作，為防止裝錯而要制成帶法螺栓蘭面的缺點。新型楔緊螺紋副具有裝拆方便、緊固性能可靠、使用壽命長、容易制造的優(yōu)點。

3螺紋副受力分析

通過對螺紋副受力分析的通用模型的研究可得到其螺紋牙受力的計算公式：

FGiCGCB+2+CGCM=FG（i-1）+FG（i+1）

上式對i=2-（n-1）都是可用的，對于i=1和 i=n時，

FG1CGCB+1+CGCM=FCGCB+CGCM+FG2

FGnCGCB+1+CGCM=FG（n-1）

CB為螺栓剛度，CM為螺母剛度，CG為螺紋結(jié)合部分的剛度， FGi第i號螺紋牙受力大小，F(xiàn)Bi第i號螺栓受力大小，F(xiàn)Mi第i號螺母受力大小。

CG=F1δ總=F1δb+δn

CM≈CB≈Fpπd22E

上式中F為螺栓所受的軸向力，F(xiàn)1為螺紋副所受的軸向力，外螺紋件螺紋面的總變形為δb，內(nèi)螺紋件螺紋面的總變形為δn，d2為螺紋中徑，E為彈性模量，P為螺距。

以M24的普通粗牙螺紋為例，通過以上計算公式和文獻(xiàn)1可得不同牙型角組合的螺紋副受力分布情況，見表1。

從表1可以看出新型楔緊螺紋副比普通螺紋副螺紋牙的載荷分布均勻。當(dāng)外螺紋牙型角越小，內(nèi)螺紋的牙型角越大，螺紋牙的載荷分布越均勻，防松效果越好。

4螺紋副應(yīng)力分布的有限元分析

4.1螺紋副的有限元模型

螺栓螺母三維模型可近似簡化二維軸對稱模型（如圖1）。螺栓和螺母牙之間要施加接觸，屬于非線性問題。在有限元軟件ANSYS中采用二維四邊形單元。彈性模量E=2.09×1011 Pa，泊松比μ=0.27。密度7800g/m3 。

4.2普通螺紋副的有限元分析

使用ANSYS分析普通螺紋的軸向受力情況，普通螺紋（螺栓螺母牙型角都為60°）的應(yīng)力圖如圖2所示。普通螺紋螺紋牙第一鎖緊力主要集中在旋合的第一牙的螺紋面上，隨后各牙螺紋的旋合幾乎都處在“浮游”狀態(tài)。

在ANSYS中，提取螺紋牙上節(jié)點的接觸應(yīng)力，可得到每個螺紋牙的受力大小。得到普通螺紋的螺紋牙應(yīng)力大小如下表。由表2可知有限元解接近理論解。

4.3新型螺紋副的有限元分析

利用ANSYS分析不同牙型角組合的新型楔緊螺紋副的應(yīng)力分布圖，如圖3、圖4、圖5、圖6所示。

圖5牙型角30°- 90°應(yīng)力圖圖6牙型角50°- 70°應(yīng)力圖

新型楔緊螺紋的螺紋牙應(yīng)力分布見表3、表4、表5。

由以上可知有限元解接近理論解，新型高鎖緊連接螺紋副比普通螺紋副軸向載荷均勻。螺栓牙型角越小，螺母牙型角越大的組合的新型楔緊螺紋副軸向螺紋牙載荷分配最均勻，具有最佳防松效果。

5結(jié) 論

（1）從理論計算和有限元分析對新型高鎖緊連接螺紋副和普通螺紋副比較，可知新型高鎖緊連接螺紋具有以下優(yōu)點：①各圈力分布比較均衡。②螺紋牙法向力增大。③螺紋牙之間摩擦力增大。由于上述的優(yōu)點，解決了普通螺紋的“浮游”問題，提高了防松能力。當(dāng)外螺紋牙型角越小，內(nèi)螺紋的牙型角越大，螺紋牙的載荷分布越均勻，防松效果越好。

（2）有限元法可以較真實的模擬螺紋連接的應(yīng)力分布。

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