基于ANSYS的螺紋受力分析

成陽陳妍

（北京電力設(shè)備總廠有限公司，北京102401）

0 引言

我公司產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中發(fā)生螺桿螺牙受損情況，螺桿經(jīng)過一次擰緊后再松開螺牙變形并伴有金屬碎屑產(chǎn)生。現(xiàn)通過ANSYS Workbench軟件[1]，對(duì)緊固結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行仿真分析，進(jìn)而尋找螺牙受損原因及解決方案。

1 有限元建模

經(jīng)調(diào)查，現(xiàn)階段產(chǎn)品使用的拉緊螺桿規(guī)格為M30，使用的材質(zhì)為50Mn18Cr4V[2]，M30螺母材質(zhì)為Q235，支撐板為Q235。相關(guān)材料建模輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 材料建模輸入?yún)?shù)表

由螺桿、螺母、支撐板組成的拉緊結(jié)構(gòu)兩端對(duì)稱，受到拉力約為166 kN，緊固結(jié)構(gòu)通過液壓裝置施加載荷并由人工讀表確定，人為因素考慮拉力不均勻系數(shù)5%，取單根螺桿受到的最大拉力約為175 kN。查詢緊固件手冊(cè)[3]可知，標(biāo)準(zhǔn)M30螺紋的尺寸，螺距3.5 mm，螺紋中徑27.727 mm，小徑26.211 mm。通過查看機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)手冊(cè)，確定螺紋間摩擦系數(shù)為0.15。二維模型建立如圖1所示，包括項(xiàng)1螺母、項(xiàng)2螺桿、項(xiàng)3支撐板，組裝拉緊后支撐板產(chǎn)生支撐螺母的反力，支撐板采用固定約束，即X、Y方向無位移，螺桿受拉伸會(huì)發(fā)生豎直方向的變形并產(chǎn)生位移，對(duì)螺桿進(jìn)行了位移約束，X方向固定、Y方向可移動(dòng)。螺母與支撐板的接觸類型設(shè)定為粗糙接觸，此設(shè)定可實(shí)現(xiàn)切向無滑移、法向可移動(dòng)。

圖1 有限元二維模型

2 結(jié)果分析

經(jīng)仿真計(jì)算，零件應(yīng)力分布如圖2所示，螺桿、螺母第一扣螺牙應(yīng)力較高，且螺桿應(yīng)力高于螺母[4]。提取各個(gè)零件的最大應(yīng)力值如表2所示，螺桿、螺母的最大應(yīng)力均高于材料的屈服應(yīng)力且小于許用應(yīng)力，接觸螺紋其他幾扣的應(yīng)力普遍很小。通過受力情況可以判斷螺牙在擰緊后前幾扣發(fā)生不可逆的形變，再次擰松時(shí)因摩擦、切削產(chǎn)生金屬碎屑，致使零件報(bào)廢。

圖2 零件應(yīng)力分布云圖

表2 零件最大應(yīng)力值

3 改進(jìn)方案

經(jīng)研究，改進(jìn)方法是將螺母底部加工一圈凹槽，凹槽寬度2 mm、深度4 mm，即環(huán)槽螺母。采用環(huán)槽螺母時(shí)，其內(nèi)螺紋懸置段與螺栓外螺紋發(fā)生拉伸形變，在拉伸軸力作用下，螺母與栓桿的螺矩應(yīng)變減小，從而使載荷在整個(gè)螺紋牙上分布均勻[5]。螺紋牙旋合圈上的載荷從下向上轉(zhuǎn)移，增加了整個(gè)螺母受載能力，預(yù)緊效果及疲勞強(qiáng)度要明顯優(yōu)于普通螺母。同時(shí)，環(huán)槽螺母在載荷作用下，會(huì)發(fā)生微量彈性形變，在螺母體上增加的彈性形變能夠吸收部分沖擊能量，避免被連接體的支撐面壓塌導(dǎo)致的永久預(yù)緊力損失，既保持了較高的剩余預(yù)緊力，又提高了螺紋連接的防松效果。

結(jié)合改進(jìn)后的零件應(yīng)力分布云圖，如圖3所示，螺桿、螺母第一扣螺牙應(yīng)力依然較高，接觸螺紋其他幾扣形變?cè)鰪?qiáng)，載荷分布均勻性有所提升。提取各個(gè)零件的最大應(yīng)力值如表3所示，螺桿、螺母的最大應(yīng)力均小于材料的屈服應(yīng)力。滿足鎖緊要求的同時(shí)，接觸螺紋鎖緊時(shí)產(chǎn)生彈性形變，不再發(fā)生不可逆的形變。

圖3 改進(jìn)后零件應(yīng)力分布云圖

表3 改進(jìn)后零件最大應(yīng)力值

4 結(jié)語

通過對(duì)比改進(jìn)螺母前后的各個(gè)零件受力情況，最大應(yīng)力水平相差四成有余。使用環(huán)槽螺母后螺桿、螺母第一扣螺牙根部應(yīng)力明顯下降，均小于材料屈服強(qiáng)度，無變形風(fēng)險(xiǎn)，安全系數(shù)較大，環(huán)槽螺母在均勻螺牙受力方面有顯著效果，改進(jìn)方法理論上有效、可行。