基于有限元分析的壓機用螺紋的比較

霍 光，商 迪

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

基于有限元分析的壓機用螺紋的比較

霍 光，商 迪

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

通過有限元軟件對壓機用鋸齒形螺紋和潘克螺紋的齒面應力和齒根應力進行分析比較，闡明了潘克螺紋較鋸齒形螺紋具有明顯的優勢，表現為應力在每一牙上分布的均勻程度高，齒根應力高應力分布范圍窄。鋸齒形螺紋已經阻礙了現代壓機的技術進步，急需一種新型螺紋來代替。期望本文對壓機用螺紋技術進步起到積極的推進作用。

壓力機；螺紋；有限元；應力；鋸齒形螺紋；潘克螺紋

現代壓機已經廣泛采用預應力組合機架結構，全預緊組合機架較普通三梁四柱局部預緊結構可有效提高機架剛度[1]。組合機架是通過螺母拉桿系統進行聯接的，這種聯接方式結構簡單、工作可靠、形式多樣、裝拆方便，但是由于有較大的應力集中，在交變載荷下容易發生疲勞斷裂[2]。尤其在大型液壓機上，機架本身為預應力結構，工作時承受工作載荷，螺紋的工況十分惡劣。現在常用的壓機用螺紋標準為JB/T2001.73-1999《水系統45°鋸齒形螺紋牙型與基本尺寸》。而我公司在與潘克公司進行合作設計中，采用的是潘克螺紋標準N188，這兩種螺紋究竟有多大區別，這是本文所探討的。

1 壓機用螺紋牙型簡介

螺紋牙型包括很多類，主要有普通螺紋、矩形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋、圓弧螺紋和管螺紋等[3]。鋸齒形螺紋多用于單向受力的傳力螺紋，由于已經成為標準，國內的壓機多選用此螺紋牙型，如圖1所示。我公司曾與德國潘克公司合作生產35MN壓機，其螺紋標準采用的是潘克螺紋標準N188，如圖2所示。

圖1 45°鋸齒形螺紋牙型

圖2 潘克螺紋牙型

鋸齒形螺紋牙型的特點是，在承力面的背側壓根很厚，壓根的受力狀態較好，但是這種螺紋牙型也具有普通螺紋受力的通病，具有較大的應力集中。潘克螺紋的特征是在內螺紋的根部開有應力緩解槽，且每一牙上的槽深不一，槽底圓公切線為1:12的斜線。同時，開有兩級應力緩解槽，這樣改變了每一牙的局部剛度。可有效緩解螺紋頭3牙的應力集中狀態，屬于變徑螺紋副[4]的范疇，采用變徑螺紋副的聯接比傳統方式的強度提高2倍[5]。

2 有限元分析

為了更好地比較分析這兩種螺紋的受力狀態，筆者嘗試采用大型通用有限元分析平臺 Ansys Workbench 11.0來進行。首先采用Solidworks進行三維建模，為了貼近實際，筆者把一臺已投產的35MN自由鍛造液壓機的螺紋副直接拿來，同時建立了同規格的鋸齒形螺紋副三維模型，兩者進行比較。潘克螺紋采用M280×12.7，鋸齒形螺紋采用280×10螺紋。螺母采用42CrMo，拉桿采用30Cr2Ni2Mo。為了降低計算量，采用1/4模型，對稱面上施加對稱約束，工作載荷為3.0625MN。

圖3為鋸齒形螺紋副Mises應力云圖，圖4為潘克螺紋副Mises應力云圖。從這兩張圖可明顯看到兩者應力分布上的不同，前者應力在前10牙上分布極不均勻，而后者明顯有應力勻化作用。

圖3 鋸齒形螺紋副Mises應力云圖

圖4 潘克螺紋副Mises應力云圖

圖5、圖6為兩種螺紋在拉桿上的應力狀態，從圖6也能看出每牙基本都受力。另外，在此種螺紋副當中，拉桿的材料一定要優于螺母的材料，例如該模型中拉桿的δs≥700MPa，螺母的δs≥585MPa，所以危險點應該出現在螺母上。

圖7中紅色區域基本覆蓋了頭2牙，說明此區域已經進入局部塑形狀態，實際中不可能出現如此高的應力，當出現局部塑形流動時，應力會降低，10牙后應力基本不變了。圖6的受力狀態理想，受力均勻。圖9、10反映了最大拉應力狀態。圖7中，牙根處產生了很大的拉應力，受力情況惡劣。圖9中，在承力側牙根處產生較大拉應力，而背對承力側牙根處產生較大壓應力。

圖5 鋸齒形螺紋_拉桿Mises應力云圖

圖6 潘克螺紋_拉桿Mises應力云圖

圖7 鋸齒形螺紋_螺母Mises應力云圖

圖8 潘克螺紋_螺母Mises應力云圖

圖9 鋸齒形螺紋_螺母第一主應力云圖

圖10 潘克螺紋_螺母第一主應力云圖

3 牙型比較

這里為了便于比較，規定了螺紋受力側第一牙為序號1，依次排序到第10牙。通過圖 11、12可以定量地看出，在拉桿上齒面和齒根部的應力狀態，潘克螺紋具有很好的應力勻化作用。由于此螺紋副，薄弱環節在螺母上而不是在拉桿上，這里重點分析螺母的受力狀態。由圖13可知，鋸齒形螺紋的第10牙應力只是第1牙應力的11%，差值明顯，第一牙局部其實已經進入塑形狀態，在重載荷下，會嚴重損毀螺紋[6]。頭3牙承擔了大部分載荷，力在10牙上分布極不均勻；而潘克螺紋出現了顛覆性的變化，第10牙螺紋應力高于第1牙，從第1牙到第10牙應力分布在200～400MPa之間，說明每一牙上受力均勻。從圖14中可以看出齒根部應力，應力峰值兩者相差不大，但是在潘克螺紋上，高應力范圍明顯縮小。

圖11 最大齒面應力_拉桿

圖12 最大齒根應力_拉桿

圖13 最大齒面應力_螺母

4 結論

圖14 最大齒根應力_螺母

潘克螺紋較鋸齒形螺紋有著明顯的優勢。潘克螺紋具有很好的應力勻化作用，每一牙上受力均勻，且第10牙應力高于第1牙應力；鋸齒形螺紋每一牙上的受力極不均勻，且在第1牙上出現局部塑形變形。在牙根處兩者應力峰值差異不大，但潘克螺紋高應力區分布范圍明顯縮小。由此，筆者認為有必要對壓機用螺紋標準JB/T2001.73-1999進行修訂或者制定新標準來替代此標準。發明一種新型壓機用螺母很有必要，這種螺紋具有很好的應力勻化作用，同時降低牙根處的應力峰值和縮小高應力區域。壓機用螺紋的技術進步對整個鍛壓設備行業的進步具有重要的推進作用。

[1]吳生富.150MN鍛造液壓機本體組合結構研究[D].秦皇島：燕山大學，2006.

[2]劉峻亦.重型螺紋連接承載能力與修形技術研究[D].重慶：重慶大學，2013.

[3]成大先.機械設計手冊-聯接與緊固[M].北京：機械工業出版社，2004.

[4]巴 鵬，付中和.變徑螺旋副研制.機械工業標準化與質量，2005（4）：23-25.

[5]唐仁剛.新型等承載螺母研究[D].青島：青島科技大學，2007.

[6]王秀彥，安國平.液壓機機架聯接大螺母的螺紋修正[J].鍛壓裝備與制造技術，1999，34（1）：54-55.

Comparison of screw for press based on finite element analysis

HUO Guang,SHANG Di
（Northern Heavy Industries Group Co.,Ltd.,Shenyang 110141,Liaoning China）

The tooth surface and root stress of sawtooth thread and pahnke thread in press have been analyzed and compared by use of finite element software.The pahnke thread has obvious more advanced than sawtooth thread for higher uniformitydegree of stress distributionin each tooth and narrowrange of high root stress distribution.It is proved that sawtooth thread has hindered the technical progress of the modern press and a new type of thread has been badly in need.The text has obviously promoted the technical progress of the thread in press.

Press;Thread;Finite Element;Stress

TG315

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.01.018

1672-0121（2016）01-0065-03

2015－06－10；

2015－07－27

霍 光（1982-），男，工程師，從事鍛壓設備設計研發。E-mail：13998838437@163.com