超大噸位預(yù)應(yīng)力機(jī)架連接螺紋卸載結(jié)構(gòu)的研究

劉 杰，汪恩輝，杜雪松，胡 瑞,楊 妮

(1.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400030)

0 前言

隨著我國(guó)航空航天、核電軍工、石油化工、大型船舶等行業(yè)的快速發(fā)展，大型液壓機(jī)、拉伸機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的需求量日益增加。此類(lèi)大型設(shè)備的共同點(diǎn)是為了克服巨大的工作載荷同時(shí)保持機(jī)架整體的剛性，必須采用螺紋連接的超大噸位預(yù)應(yīng)力機(jī)架。但由于預(yù)應(yīng)力噸位大，同時(shí)設(shè)備空間相對(duì)有限，會(huì)使連接螺紋承受巨大的應(yīng)力，有些情況下即使采用超高強(qiáng)度的材料仍不能滿足使用要求，這就迫切需要研究出一種卸載結(jié)構(gòu)來(lái)降低螺紋的應(yīng)力。本文以中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司研制出的某125 MN超大噸位拉伸設(shè)備為研究對(duì)象，分析了超大噸位預(yù)應(yīng)力機(jī)架連接螺紋的受力狀況，并在比較多種方案后確定了最優(yōu)的卸載結(jié)構(gòu)。

1 連接螺紋及預(yù)應(yīng)力參數(shù)

某125 MN超大噸位拉伸設(shè)備連接螺紋參數(shù)：

螺栓基本參數(shù)：中徑d2=590 mm；大徑d=600 mm；小徑d1=577 mm；螺距P=20 mm；外螺紋牙高h(yuǎn)1=11.5 mm；外螺紋牙根寬度b=15 mm；線數(shù)n=1。

螺母的基本參數(shù)：中徑D2=590 mm；大徑D4=600 mm；小徑D1=580 mm；螺距P=20 mm；內(nèi)螺紋牙高H4=10 mm；內(nèi)螺紋牙根寬度b=14.44 mm；線數(shù)n=1。

其他參數(shù)：旋合長(zhǎng)度H=540 mm;旋合圈數(shù)n=H/P=27；牙型斜角β=45°，其螺紋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

預(yù)應(yīng)力根據(jù)工作載荷情況設(shè)定為23 MN。

2 有限元模型的建立

預(yù)緊螺栓以及螺母的結(jié)構(gòu)和載荷均為對(duì)稱(chēng)分布。為簡(jiǎn)化計(jì)算，分析采用大型有限元分析軟件Ansys，且采用2D軸對(duì)稱(chēng)分析方法。

有限元模型邊界條件如圖2所示，固定螺母底部軸向位移，當(dāng)螺栓預(yù)緊力為23 MN時(shí)，拉伸力加載后，拉力柱受到最大拉力為32.80 MN，故有限元分析模型中對(duì)螺栓施加32.8 MN拉力。如圖3所示，模型網(wǎng)格劃分均勻，局部加密。

圖2 模型邊界條件

圖3 有限元網(wǎng)格

3 卸載結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算

根據(jù)以往相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，提出四種優(yōu)化結(jié)構(gòu)并進(jìn)行有限元分析。

(1)環(huán)槽內(nèi)斜角螺母。

(2)螺栓倒斜角+環(huán)槽內(nèi)斜角螺母。

(3)腰狀桿螺栓+環(huán)槽內(nèi)斜角螺母。

(4)腰狀桿螺栓+螺栓倒斜角+環(huán)槽內(nèi)斜角螺母。

3.1 環(huán)槽內(nèi)斜角螺母卸載結(jié)構(gòu)

僅對(duì)螺母結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，螺母采用環(huán)槽加4°內(nèi)斜角的均載結(jié)構(gòu)，具體尺寸如圖4所示，螺栓和螺母Mises應(yīng)力如圖5所示。

圖4 環(huán)槽內(nèi)斜角螺母尺寸

圖5 螺紋牙根應(yīng)力

3.2 螺栓倒斜角+環(huán)槽內(nèi)斜角螺母卸載結(jié)構(gòu)

在螺栓前幾對(duì)牙倒4°斜角，尺寸如圖6所示，螺母尺寸不變。螺栓和螺母Mises應(yīng)力如圖7所示。

圖6 螺栓倒斜角尺寸

圖7 螺紋牙根應(yīng)力

3.3 腰狀桿螺栓+環(huán)槽內(nèi)斜角螺母卸載結(jié)構(gòu)

采用腰狀桿螺栓可以減小應(yīng)力幅，從而提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。螺母仍然采用環(huán)槽內(nèi)斜角螺母且尺寸不變(圖4)，螺栓尺寸如圖8所示。螺紋應(yīng)力如圖9所示。

圖8 腰狀桿螺栓尺寸

圖9 螺紋牙根應(yīng)力

3.4 腰狀桿螺栓+螺栓倒斜角+環(huán)槽內(nèi)斜角螺母卸載結(jié)構(gòu)

螺母仍然采用環(huán)槽內(nèi)斜角螺母且尺寸不變(圖4)，在腰狀桿螺栓的基礎(chǔ)上將螺栓倒4°斜角，倒角尺寸如圖10所示，螺紋應(yīng)力如圖11所示。

圖10 腰狀桿螺栓倒角尺寸

圖11 螺紋牙根應(yīng)力

4 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)及分析研究

4.1 牙根應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

四種優(yōu)化結(jié)構(gòu)的牙根應(yīng)力統(tǒng)計(jì)(只統(tǒng)計(jì)前10對(duì)牙根應(yīng)力)見(jiàn)表1，螺栓及螺母牙根受力情況如圖12、圖13所示。

表1 四種優(yōu)化結(jié)構(gòu)牙根應(yīng)力 MPa

圖12 螺栓牙根應(yīng)力

圖13 螺母牙根應(yīng)力

4.2 牙根載荷分布情況

提取的四種結(jié)構(gòu)每對(duì)牙所承受的載荷并計(jì)算載荷比如表2所示，并繪制在圖14中。

表2 牙間載荷分布

圖14 牙根載荷分布

4.3 結(jié)果分析

(1)從圖12～圖14中可以看出，當(dāng)螺栓也倒4°斜角以后，第1對(duì)牙的牙根應(yīng)力明顯下降，螺栓從731 MPa下降至620 MPa，螺母從712 MPa下降至611 MPa，相應(yīng)的第1對(duì)牙承受的載荷從5.64%降至4.12%。所以，螺栓倒斜角對(duì)于改善第1對(duì)牙的受力有較好效果。

(2)從圖12～圖14中可以看出，腰狀桿螺栓結(jié)構(gòu)可以明顯降低前幾對(duì)牙的牙根應(yīng)力及載荷，特別是第1對(duì)牙，螺栓應(yīng)力從731 MPa下降至497 MPa，螺母應(yīng)力從712 MPa下降至604 MPa，相應(yīng)的第1對(duì)牙承受載荷從5.64%降至4.78%，疲勞強(qiáng)度得到提高。

(3)從圖12～圖14中可以看出，當(dāng)腰狀桿螺栓倒4°斜角時(shí)，第一對(duì)牙的應(yīng)力還可以進(jìn)一步降低，所以，如果加工條件允許，盡量讓螺栓倒斜角，螺栓倒斜角對(duì)于改善前幾對(duì)牙的受力總是有利的。

5 結(jié)論

本文以中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司研制出的125 MN超大噸位拉伸設(shè)備為研究對(duì)象，提出了四種超大噸位預(yù)應(yīng)力機(jī)架連接螺紋的卸載結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了研究，經(jīng)分析比較后最終確定“腰狀桿螺栓+螺栓倒斜角+環(huán)槽內(nèi)斜角螺母”的卸載結(jié)構(gòu)為最優(yōu)方案，大幅降低了螺紋的牙根應(yīng)力。此結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。