大载荷拉杆螺纹设计与研究

迟成芳，刘利强，谷春华，路东辉

(长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

大载荷拉杆螺纹设计与研究

迟成芳，刘利强，谷春华，路东辉

(长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

摘要：以拉杆螺纹为研究对象，分析了拉杆受轴向拉力时螺纹的剪切强度、弯曲强度及抗拉强度。将理论分析与数值计算结果进行对比，区分理论分析与数值计算结果间的差异性。依照原模型应力状态设计了新型拉杆螺母，运用新型螺母能有效提高啮合时螺纹牙受力圈数并改善拉杆受力状态，同时得出了拉杆设计时安全系数ns=2.5～7的理论依据。

关键词：拉杆；螺纹联接；理论分析；数值计算

螺纹联接具有结构简单、拆装方便等特点，已被广泛应用于机械、航空、化工、石油和电力等领域。在大型工程设备中，往往需要使用非标螺纹进行联接，而螺纹牙受力状态会影响整套设备运转[1]。目前，我国大型非标螺纹设计主要依据工程经验完成，致使螺纹牙过载断裂、螺纹牙疲劳失效和拉杆氢脆断裂等失效方式时有发生，出现这些失效形式不仅与机械加工精度、材质有关，也与螺纹设计缺少理论依据密不可分[2-3]。欧美国家在进行非标螺纹设计时需要完成大量理论计算，因此非标螺纹失效较少发生[4]。设计标准螺纹仅满足螺杆小径截面抗拉强度即可，而设计非标螺纹不但要满足螺杆拉伸强度，同时应保证螺纹牙强度。在工程机械领域中研究非标螺纹设计具有重要意义[5-7]。

图1　原模型拉杆螺　纹联接形式

本文以设计拉杆非标螺纹M490×60 mm为研究对象，运用理论分析与数值计算相结合的方法，将2种方法对比验证，建立准确求解模型，并提出新型螺母设计方向。原模型拉杆螺纹联接形式如图1所示，其中包括拉杆、螺母及垫片，工作时沿着拉杆轴线通过垫片对螺母施加3 150 t压力。

1拉杆螺纹理论分析

拉杆与螺母材料都选择24Cr2Ni4MoV,其具体物性参数见表1。由于拉杆与螺母材料相同，因螺母螺纹小径大于拉杆螺纹小径，螺母承载面积较大，仅需校核拉杆螺纹剪切强度、弯曲强度及拉伸强度[8-12]。

表1　24Cr2Ni4MoV的物性参数

1.1拉杆螺纹剪切强度分析

拉杆螺纹剪切应力需满足：

式中，F是轴向力，F=31 500 000 N；η是螺纹第1圈受力占总数的百分比，取η=0.4；D是拉杆螺纹小径，D=425 mm；p是螺距，p=60 mm；b是螺纹牙底宽度，b与p的关系为b=0.75p=0.75×60=45 (mm)；z是螺纹受力圈数，校核时分析在最危险工况下螺纹的受力状态，本文选取第1圈螺纹受力作为最危险工况，取z=1；[τ]是许用切应力，[τ]=441 MPa。计算得出：

因此，拉杆螺纹剪切强度满足要求。

1.2拉杆螺纹弯曲强度分析

拉杆螺纹弯曲应力需满足：

因此，拉杆螺纹弯曲强度满足要求。

1.3拉杆螺纹抗拉强度分析

对于实心拉杆强度校核：

因此，拉杆螺纹抗拉强度满足要求。

2拉杆螺纹数值计算

2.1建立数值模型

本文将求解螺纹牙应力状态作为主要分析对象，忽略螺母上的吊装孔和垫片。运用库仑摩擦法向接触的形式确定螺旋副接触区域，确保接触区域应力准确传递。将螺旋副形成面弹性应力区域细化2层单元，全部采用六面体，共89 712个单元，106 247个节点，选取C3D8I作为单元类型。为保证螺母受力均匀，用113MPa压力作用于螺母，固定远离螺纹端拉杆，建立数值模型如图2所示。

图2　数值模型建立

2.2拉杆螺纹剪切强度数值计算

拉杆螺纹剪切应力分布如图3所示，数值计算结果为245.2 MPa，而理论分析结果为209.82 MPa，两者相差不大。最大剪切应力出现在第1圈，与理论分析结果一致，数值计算结果存在应力集中，第1圈两侧剪切应力方向相反。理论分析与数值计算都存在一定简化，确定数值计算方法准确。

图3　拉杆螺纹剪切应力分布

2.3拉杆螺纹弯曲强度数值计算

拉杆螺纹弯曲应力分布如图4所示，数值计算结果为476.9 MPa，而理论分析结果为454.04 MPa，两者相差22.86 MPa，数值计算结果准确，因数值计算存在应力集中，致使应力偏大。

图4　拉杆螺纹弯曲应力分布

2.4拉杆螺纹抗拉强度数值计算

拉杆螺纹抗拉应力分布如图5所示，数值计算结果最大应力出现在第1圈螺纹牙处，值为533 MPa，在螺纹远端最小应力为0，而理论分析结果为231.5 MPa，两者间存在一定的偏差，存在应力集中时拉杆仍处于弹性阶段。考虑理论计算得到拉杆抗拉应力平均值，而数值计算得到应力算术平均值266.5 MPa与理论计算值231.5 MPa相近，认定数值计算结果准确。数值计算得到最大应力533 MPa，是理论分析值231.5 MPa的2.3倍，通过机械手册可知设计大型拉杆时安全系数ns=2.5～7，以此为拉杆设计提供理论依据。

图5　拉杆螺纹抗拉应力分布

3新型螺母设计

放大50倍后拉杆和螺母应力分布如图6所示。由图6a得出原模型螺母在啮合受力过程中仅有螺母4圈受力，最大应力出现在拉杆底部，考虑将螺母靠近垫片侧，开φ600 mm、深度2 mm的孔。由图6b得出新型螺母受力圈数为5圈，最大应力出现在螺母牙底处，此区域属于应力集中区域，拉杆牙底和螺母牙底大部分区域应力≤400 MPa。同时，拉杆与螺母在淬火后屈服强度可达到735 MPa，两者都处于弹性范围内，新型螺母力学性能优于原模型螺母力学性能，新型螺母优化设计方案可行。

图6　拉杆和螺母应力分布

拉杆应力分布如图7所示。新模型与原模型中拉杆最大应力均分布在拉杆螺纹牙底，新模型中螺纹最大应力≤478 MPa，原模型最大应力为533 MPa。由于增加了螺纹受力圈数，新模型中拉杆受力更加均匀。

图7　拉杆应力分布

4结语

本文通过理论分析与数值计算对比分析的方式，验证了拉杆螺纹牙数值计算方法的准确性，运用同样的计算方法完成了新型螺母设计，得出如下结论。

1)采取理论分析的方法，分析螺纹牙剪切强度、弯曲强度和抗拉强度时，只能计算出螺纹牙平均应力，而运用数值计算方法能够得出螺纹牙应力集中及应力分布状况。

2)运用数值计算方法求解拉杆抗拉强度时，得出最大应力是理论分析结果的2.3倍，为机械手册中拉杆设计安全系数ns=2.5～7提供理论依据。同时，完成大吨位拉杆设计时，仅依靠理论分析及工程经验已不能满足现代大型机械设计要求。

3)在螺母承载侧开浅槽，能有效增加拉杆和螺母啮合过程中螺纹牙承载圈数，并使拉杆应力分布更加均匀，同时也可考虑将螺母承载端面加工成锥型。

4)拉杆承载过程中第1圈螺纹牙承载占整个轴向载荷的40%，对于受力较大的拉杆应确保第1圈螺纹强度，设计拉杆非标螺纹时仅考虑抗拉强度是不能满足强度要求的。

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责任编辑郑练

Design and Research of Threaded of Large Load Drawbars

CHI Chengfang, LIU Liqiang, GU Chunhua, LU Donghui

(Changchun Research Institute for Mechanical Science Co., Ltd., Changchun 130103, China)

Abstract：Threaded of drawbars is the main object of research, we analyze the thread shear strength, flexural strength and tensile strength when drawbars is subjected to axial tension. The theoretical analysis is compared with numerical results to get the difference between them. A new type of nuts is designed by stress state of original model. Application of new nut can increase the number of turns of thread force and improve the stress state of drawbars. Finally we find the safety factor ns=2.5～7 in theoretical of drawbars design.

Key words:drawbars, threaded connection, theoretical analysis, numerical calculation

收稿日期：2015-04-07

作者简介：迟成芳(1967-)，男，高级工程师，主要从事大型结构及专用试验机设计等方面的研究。

中图分类号：TH 16; TH 131.3

文献标志码:A