中厚度板軋機壓下螺母承載特性研究

丁 鋼 張海成

(1：山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司 山東萊蕪 271104；2：河鋼唐鋼高強汽車板有限公司 河北唐山 063021)

1 前言

板坯軋機、中厚板軋機等為了降低成本一般采用電動壓下裝置，其適用于輥縫調整范圍大、壓下速度快的情況，其結構主要由壓下螺絲、壓下螺母、渦輪軸等組成[1-2]。

在軋機軋制過程中，壓下螺絲、壓下螺母的剛度及變形方式不同，經常承受咬鋼、拋鋼等沖擊載荷，并普遍存在螺紋牙間承載不均勻，螺紋牙根部應力集中等問題。研究表明，壓下螺母兩端的前三圈旋合螺牙大約承受了總載荷的60%～70%[3]。軋機壓下螺母在循環重載的工況下工作，容易產生因制造、使用或材料本身缺陷所導致的裂紋，會造成局部特別是加載端旋合前幾圈螺牙根部較大的應力集中，隨著載荷的循環次數增加，裂紋會不斷擴展從而引起失穩性的斷裂；同時，壓下螺母的螺牙面承受重載，經常出現磨損和疲勞損壞，縮短螺紋副的使用壽命，造成巨大的經濟損失[4]。

研究對象是針對的某企業的四輥小型軋機上的壓下螺母與壓下螺絲，如圖1所示，壓下螺母的材料為銅合金，壓下螺絲的材料為合金鋼，在工作過程中經常出現壓下螺紋副的變形和螺牙出現裂紋。

(a)壓下螺絲 (b)壓下螺母圖1 壓下螺絲和壓下螺母

2 壓下螺紋副受力分析

根據實際經驗，根據壓下螺母與壓下螺絲不同的失效形式，通常采用兩種不同的材料分別制造壓下螺母與壓下螺絲。壓下螺絲通常采用合金鋼。壓下螺母一般要求耐磨耐蝕及很高的力學性能，通常采用高強度銅合金，壓下螺母造價較高且容易發生失效[5]。

而研究如何降低軋機壓下螺母兩端螺牙的載荷不均勻程度，降低載荷峰值，將大幅度提高其疲勞極限裕度，提高牙面疲勞壽命。

軋機的壓下螺母螺牙在承受載荷時，可以等效為為一端固定，另一端是懸置的梯形截面橫梁[6]，根據懸臂梁的受力分析，可知壓下螺母的最大等效應力是在螺牙的根部。

螺紋在承受載荷時，螺牙會產生各種彈性變形，主要包括彎曲導致的牙根變形，牙根傾斜，以及受徑向力引起的牙形變形等[7]。為了分析壓下螺母的具體受力情況和進行改善，進行了如下的分析和改進。

3 普通壓下螺母有限元建模和受力分析

1) 模型建立

針對某企業的中厚度板軋機的壓下螺母進行了研究，依據壓下螺母的螺牙參數建立了壓下螺紋副的三維模型，其模型剖視圖如圖2所示，并對壓下螺母和螺絲的剖切面施加對稱面位移約束，對壓下螺絲施加的軸向均布載荷[7-8]。

圖2 普通壓下螺母的螺紋副三維模型

2) 有限元計算結果及分析

通過ANSYS有限元分析軟件模擬計算后，可以得到螺紋副及螺母的等效應力結果，等效應力云圖如圖3。從模擬計算結果中可以看出：普通壓下螺母載荷分布極不均勻，壓下螺母兩端的螺牙承受了較大的載荷，且最大載荷發生在螺牙根部；壓下螺母基體的最大等效應力發生在壓下螺母的止推端；壓下螺絲的最大等效應力大于壓下螺母的最大等效應力。

由于螺母材料的屈服極限遠低于螺絲材料的屈服極限[9]，上述載荷分布的不均勻性對螺母造成疲勞破壞相對于螺絲而言更加明顯，因此分析壓下螺母的載荷分布更具有意義。

圖3 普通壓下螺紋副及螺母的有限元計算結果

4 復合壓下螺母的分析

1) 復合壓下螺紋副的結構設計

當壓下螺母基體直徑減小時，在壓下螺母近載荷端部的螺母螺牙根部的等效應力將隨著減小，因此在構造復合壓下螺紋副時，必須減少壓下螺母近載荷端部的剛度，這樣有利于壓下螺母近載荷端的螺牙根部的等效應力趨于均勻。通過提取壓下螺母最外圈的軸向彈性應變和徑向彈性應變，可以得出壓下螺母在壓下螺絲的加載下的變形形狀為上端縮小而下端擴大的趨勢。因此其螺牙根部的等效應力也隨著增大，為了改善壓下螺母下端螺牙面變形后的幾何形狀，減少其螺牙根部的等效應力，必須抑制壓下螺母下端的徑向外擴的應變形式。

通過上述分析，對軋機普通壓下螺紋副的結構進行改進，其改進后的結構如圖4所示。

2) 改進后有限元分析計算

確定幾何尺寸后對復合壓下螺紋副進行有限元計算，單元及接觸定義與普通壓下螺母計算一致，計算結果如圖5所示。

圖4 復合壓下螺母的螺紋副三維模型

圖5 復合壓下螺紋副及螺母的有限元計算結果

從圖5的計算結果可以看出：利用加裝鋼套抑制普通壓下螺母下端的徑向應變，同時能夠將部分載荷傳遞給壓下螺母中間部位的螺牙，可以削減壓下螺母上端應力以降低其剛度；復合壓下螺母承載分布的均勻性優于普通壓下螺母，且在螺牙根部上的等效應力沿周向的分布具有較好的線性。

5 實驗驗證

測量螺紋副螺牙根部實驗的方法主要有光彈法和電測法[10]。光彈法可以獲得螺紋承載分布的第一主應力和應力集中系數，但光彈模型的制作、加載凍結、凍結模型切片、切片偏振光場處理等過程精度要求高，實驗步驟繁瑣，因而導致實驗成本高昂。軋機壓下螺紋副的實驗主要是電測法。為了驗證有限元仿真分析的正確性，對壓下螺紋副進行了和模擬仿真相同載荷下的實際測試，采用電阻應變片電路和靜態應變儀測試壓下螺母的軸向應變。加載實驗現場如圖6所示。

圖6 復合壓下螺母加載實驗

實驗測得結果數據與有限元計算結果對比，如圖7所示，結果接驗證了復合壓下螺母與改進壓下螺母有限元模型的可靠性。

圖7 實驗結果與有限元結果對比

6 結論

1)針對普通壓下螺母承載分布出現不均勻造成螺紋副的損壞進行了分析，并建立了有限元模型進行加載模擬試驗，得出了壓下螺母的螺紋副載荷分布分布情況。

2)提出了可改變局部剛度分布的復合壓下螺母結構，利用加裝鋼套抑制普通壓下螺母下端的徑向應變，同時將部分載荷傳遞給壓下螺母中間部位的螺牙，削減壓下螺母上端以降低其剛度，并通過有限元仿真驗證了復合壓下螺母的優點。

3)通過實驗，對于給出的復合壓下螺母結構進行加載實驗，結果表明此結構的合理性和驗證了有限元分析的準確性。

此次改造成功的改善了普通壓下螺母螺牙根部應力分布不均的現象，改造過程中先利用計算機仿真軟件，得到了改進后結構的受力情況合理性，仿真中得到的數據為實際產品的設計制造提供了重要依據。利用計算機仿真技術進行輔助設計，不但可以縮短開發周期， 而且設計質量和效率都可以得到提高，可以為類似產品開發或改造提供借鑒。