超大噸位預應力機架連接螺紋卸載結構的研究

劉 杰，汪恩輝，杜雪松，胡 瑞,楊 妮

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710018；2.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400030)

0 前言

隨著我國航空航天、核電軍工、石油化工、大型船舶等行業的快速發展，大型液壓機、拉伸機等關鍵設備的需求量日益增加。此類大型設備的共同點是為了克服巨大的工作載荷同時保持機架整體的剛性，必須采用螺紋連接的超大噸位預應力機架。但由于預應力噸位大，同時設備空間相對有限，會使連接螺紋承受巨大的應力，有些情況下即使采用超高強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構來降低螺紋的應力。本文以中國重型機械研究院股份公司研制出的某125 MN超大噸位拉伸設備為研究對象，分析了超大噸位預應力機架連接螺紋的受力狀況，并在比較多種方案后確定了最優的卸載結構。

1 連接螺紋及預應力參數

某125 MN超大噸位拉伸設備連接螺紋參數：

螺栓基本參數：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h1=11.5 mm；外螺紋牙根寬度b=15 mm；線數n=1。

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

其他參數：旋合長度H=540 mm;旋合圈數n=H/P=27；牙型斜角β=45°，其螺紋結構簡圖如圖1所示。

預應力根據工作載荷情況設定為23 MN。

2 有限元模型的建立

預緊螺栓以及螺母的結構和載荷均為對稱分布。為簡化計算，分析采用大型有限元分析軟件Ansys，且采用2D軸對稱分析方法。

有限元模型邊界條件如圖2所示，固定螺母底部軸向位移，當螺栓預緊力為23 MN時，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螺栓施加32.8 MN拉力。如圖3所示，模型網格劃分均勻，局部加密。

圖2 模型邊界條件

圖3 有限元網格

3 卸載結構的分析計算

根據以往相關經驗，提出四種優化結構并進行有限元分析。

(1)環槽內斜角螺母。

(2)螺栓倒斜角+環槽內斜角螺母。

(3)腰狀桿螺栓+環槽內斜角螺母。

(4)腰狀桿螺栓+螺栓倒斜角+環槽內斜角螺母。

3.1 環槽內斜角螺母卸載結構

僅對螺母結構進行優化，螺母采用環槽加4°內斜角的均載結構，具體尺寸如圖4所示，螺栓和螺母Mises應力如圖5所示。

圖4 環槽內斜角螺母尺寸

圖5 螺紋牙根應力

3.2 螺栓倒斜角+環槽內斜角螺母卸載結構

在螺栓前幾對牙倒4°斜角，尺寸如圖6所示，螺母尺寸不變。螺栓和螺母Mises應力如圖7所示。

圖6 螺栓倒斜角尺寸

圖7 螺紋牙根應力

3.3 腰狀桿螺栓+環槽內斜角螺母卸載結構

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

圖8 腰狀桿螺栓尺寸

圖9 螺紋牙根應力

3.4 腰狀桿螺栓+螺栓倒斜角+環槽內斜角螺母卸載結構

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

圖10 腰狀桿螺栓倒角尺寸

圖11 螺紋牙根應力

4 計算結果統計及分析研究

4.1 牙根應力統計

四種優化結構的牙根應力統計(只統計前10對牙根應力)見表1，螺栓及螺母牙根受力情況如圖12、圖13所示。

表1 四種優化結構牙根應力 MPa

圖12 螺栓牙根應力

圖13 螺母牙根應力

4.2 牙根載荷分布情況

提取的四種結構每對牙所承受的載荷并計算載荷比如表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 結果分析

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

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

(3)從圖12～圖14中可以看出，當腰狀桿螺栓倒4°斜角時，第一對牙的應力還可以進一步降低，所以，如果加工條件允許，盡量讓螺栓倒斜角，螺栓倒斜角對于改善前幾對牙的受力總是有利的。

5 結論

本文以中國重型機械研究院股份公司研制出的125 MN超大噸位拉伸設備為研究對象，提出了四種超大噸位預應力機架連接螺紋的卸載結構并進行了研究，經分析比較后最終確定“腰狀桿螺栓+螺栓倒斜角+環槽內斜角螺母”的卸載結構為最優方案，大幅降低了螺紋的牙根應力。此結構已經應用于實際生產中，具有較強的指導意義。