基于ANSYS的螺紋受力分析

成陽陳妍

（北京電力設備總廠有限公司，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]，對緊固結(jié)構(gòu)受力情況進行仿真分析，進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[3]可知，標準M30螺紋的尺寸，螺距3.5 mm，螺紋中徑27.727 mm，小徑26.211 mm。通過查看機械設計基礎手冊，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1螺母、項2螺桿、項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，螺桿受拉伸會發(fā)生豎直方向的變形并產(chǎn)生位移，對螺桿進行了位移約束，X方向固定、Y方向可移動。螺母與支撐板的接觸類型設定為粗糙接觸，此設定可實現(xiàn)切向無滑移、法向可移動。

圖1 有限元二維模型

2 結(jié)果分析

經(jīng)仿真計算，零件應力分布如圖2所示，螺桿、螺母第一扣螺牙應力較高，且螺桿應力高于螺母[4]。提取各個零件的最大應力值如表2所示，螺桿、螺母的最大應力均高于材料的屈服應力且小于許用應力，接觸螺紋其他幾扣的應力普遍很小。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，再次擰松時因摩擦、切削產(chǎn)生金屬碎屑，致使零件報廢。

圖2 零件應力分布云圖

表2 零件最大應力值

3 改進方案

經(jīng)研究，改進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，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變減小，從而使載荷在整個螺紋牙上分布均勻[5]。螺紋牙旋合圈上的載荷從下向上轉(zhuǎn)移，增加了整個螺母受載能力，預緊效果及疲勞強度要明顯優(yōu)于普通螺母。同時，環(huán)槽螺母在載荷作用下，會發(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致的永久預緊力損失，既保持了較高的剩余預緊力，又提高了螺紋連接的防松效果。

結(jié)合改進后的零件應力分布云圖，如圖3所示，螺桿、螺母第一扣螺牙應力依然較高，接觸螺紋其他幾扣形變增強，載荷分布均勻性有所提升。提取各個零件的最大應力值如表3所示，螺桿、螺母的最大應力均小于材料的屈服應力。滿足鎖緊要求的同時，接觸螺紋鎖緊時產(chǎn)生彈性形變，不再發(fā)生不可逆的形變。

圖3 改進后零件應力分布云圖

表3 改進后零件最大應力值

4 結(jié)語

通過對比改進螺母前后的各個零件受力情況，最大應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力明顯下降，均小于材料屈服強度，無變形風險，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，改進方法理論上有效、可行。