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变牙型螺纹联接的防松性能研究及其在港口机械中的应用

2017-5-15 返回列表
导读:  生非常大的锁紧力。  在的受力示意图中可以得到,当轴向锁紧普通螺纹与变牙型螺纹受力对比图力为F时,变牙型螺纹联接所受的法向力:而普通螺纹联接的法向力F因此,在轴向载荷即F相等的情况下,有变牙型螺纹联接的防松性能研究及其在港口机械中的应用中交第二航务工程勘察设计院有限公司袁宗喜吴涛武汉理工大学物流工程学院计三有在分析变牙型螺纹结构和防松原理的基础上,基于A……
  生非常大的锁紧力。  在的受力示意图中可以得到,当轴向锁紧普通螺纹与变牙型螺纹受力对比图力为F时,变牙型螺纹联接所受的法向力:而普通螺纹联接的法向力F因此,在轴向载荷即F相等的情况下,有变牙型螺纹联接的防松性能研究及其在港口机械中的应用中交第二航务工程勘察设计院有限公司袁宗喜吴涛武汉理工大学物流工程学院计三有在分析变牙型螺纹结构和防松原理的基础上,基于ANSYS有限元软件建立了弹塑性有限元分析模型,分析了变牙型螺纹的受力,阐述了其防松机理,验证了其防松性能。  前言螺纹联接是最常见的一种紧固件连接,但在冲击、剧烈振动或变载荷等作用下,会发生失效松脱,导致机械设备发生故障或损坏。  为解决螺纹联接自动松脱问题,学者们提出了例如加弹簧垫圈、对顶螺母、止动垫圈等多种方法,但实际效果并不理想。20世纪70年代,美国工程师提出了一种新型的螺纹结构型式一变牙型螺纹,从根本上解决了螺纹紧固件的松脱问题。2000年,这种新型产品开始进入中国的铁道行业,目前这种变牙型螺纹被广泛应用于高速运转、振动强烈的火车、飞机、坦克等大型设备中,在港口机械中也担当了重要的角色。本文以上海某公司提供的变牙型螺纹螺母为研究对象,详细分析了其防松抗振的原理及性能。  1变牙型螺纹结构及其受力分析变牙型螺纹是在阴螺纹的螺纹牙底加工出一个楔形斜面,该斜面角度可以有多种选择,本文使用的是30°角。当螺栓与螺母相互拧紧时,螺栓的牙尖会紧密地抵在变牙型螺纹的楔形斜面上,从而会产可以得到,当相同时,越大,摩擦力越大。  这说明,在承受同样的轴向载荷时,变牙型螺纹联接比普通螺纹联接具有更大的摩擦力,使得螺纹之间的联接更加牢固,从而不易松脱。  2变牙型螺纹联接的有限元建模为了验证变牙型螺纹联接的防松性能,在AN-SYS中对其建立了弹塑性有限元分析模型。由于螺纹联接的螺栓螺母配合存在螺旋面接触问题,并且变牙型螺纹接触是一条螺旋线接触,在建立三维模型时,配合不容易准确对位,因此本文利用ANSYS中的2-D接触模拟该问题,建立了螺栓螺母的截面模型。  2.1研究对象及参数本文研究对象为上海某公司生产的螺距为-8的变牙型螺纹螺母与标准螺栓配合,建立了配合的断面模型。  2.2定义单元与材料属性本文定义的材料属性如表1所示。  表i材料属性表弹性模量泊松比屈服应力切线模量摩擦系数在建立模型时,本文采用的是ANSYS中二维8节点单元PLANE82单元,这种单元具有蠕变、塑性、应力刚度、辐射膨胀、大应变以及大变形的能力。PLANE82单元的参数见表2.表2单元PLANE82的参数表单元维数形状节点数自由度四边形2.3划分模型网格因为螺纹联接轴向载荷分布与网格密度关系不大,可以使用粗网格进行分析,只需在接触和可能出现高应力处的网格进行细化。本文对螺栓体和螺母使用了较粗的网格,而在螺纹及其接触处细化了网格(见),这样既可以优化计算速度,也可以获得相对准确的计算结果。在ANSYS中建立的普通螺纹联接模型见和。螺栓模型截面有2689个单元,变牙型螺母模型截面有1639个单元。  2.4边界条件定义本次分析的边界条件根据螺纹联接受力分析定义如下:螺栓顶端固定,螺栓侧面边线设置对称约束,螺母侧面边线设置X方向位移限制,螺母顶端施加紧固零件的轴向载荷P,本次分析取P=10MPa.在ANSYS中的边界条件设置见。  为模拟螺栓与螺母的接触,本次分析采用CON-TA172和TARGE169单元来分别模拟接触面和目标面。这两个单元都不具有厚度,同时能模拟有摩擦和大滑动的大变形问题。  由于变牙型螺纹联接为螺栓螺纹牙的顶部和螺母螺纹牙的斜面之间的接触,螺栓和螺母采用统一材质,根据目标面和接触面的选择原则,本文将定义螺栓螺纹面(即凸面)为接触面,螺母螺纹面(即平面)为目标面。本次分析中螺纹之间的接触设置见。  3有限元分析结果在ANSYS中,对模型进行有限元弹塑性分析可以得到合成应力云图。从图中可以看出,每个螺纹处的应力分布都是几乎一样的。从ANSYS中提取出各个螺纹处的最大应力值得到表3所示结果。  表3各个螺纹接触处的最大应力值/MPa载荷1从表3中可以看出,五个螺纹接触位置的最大应力值相差无几,应力均匀分布在了所有的螺纹牙上。这是因为螺栓的螺纹牙尖与变牙型螺纹接触时,牙顶的齿尖容易发生不同程度的变形,变形使得在螺纹接触的全螺旋线长度上载荷是均匀分布的,从而改善了普通螺纹载荷集中在第一个螺纹上的现象,通过最大限度地减少可能的螺纹剪切破坏来提高联接的可靠性。  从计算结果中提取每个螺纹处的轴向力和法向力数据,如表4所示。从表中的数据不难看出,在受到轴向载荷时,变牙型螺纹的轴向力要远小于其法向力,因而具有更大的螺纹间摩擦力,使得螺纹联接更加可靠,更不易松脱。  表4各个螺纹接触处的轴向力与径向力对比/N螺纹位置轴向力法向力另一方面,由于变牙型螺纹不同于普通螺纹,其螺纹间配合紧密,没有径向空隙,并且径向载荷远大于其轴向锁紧力,因而能够抵抗较剧烈的横向振动,保证了变牙型螺纹在振动环境中仍旧能够保持不松脱,确保了联接的安全性和可靠性。  4变牙型螺纹技术在港口机械中的应用变牙型螺纹技术从出现以来就备受关注,在各个行业的大型机械中都有应用。港口机械上的吊具、小车、制动器、大车等机构、机械或零部件在工作时会受到巨大的振动载荷,尤其是在集装箱起重机的吊具导板上。在起重机起吊和放下集装箱的瞬间,改导板会经受相当大的冲击和强烈的振动,故对螺纹紧固件的抗振性能要求更高。工程师采用了许多种辅助锁紧方法都难以达到理想的防松效果。  在港口机械使用过程中,螺纹联接松动问题严重影响了生产的效率和安全性。变牙型螺纹的使用,从根本上解决了这一技术难题。目前,国内包括振华港机在内的许多公司都采用了变牙型螺纹技术,保证的港口生产的安全性和效率,同时减少了机械的停车维修时间,大大提高了效益。  5结语本文在分析变牙型螺纹结构和防松原理的基础上,基于ANSYS有限元软件建立了弹塑性有限元分析模型,分析了变牙型螺纹的受力情况,得出了如下结论:变牙型螺纹受力均匀分布在每个螺纹接触位置,改善了普通螺纹载荷集中在第一个螺纹上的现象。  变牙型螺纹的螺纹间法向力远大于其轴向锁紧力,因此提供了巨大的螺纹间摩擦力,防松效果显著。  变牙型螺纹由于紧密配合,螺纹间几乎无空隙,同时因为具有更大的径向力,能够抵抗横向振动,因而在振动环境中更加不易松脱。  变牙型螺纹联接在港口机械中正得到广泛的应用,在使用过程中起到了很好的防松效果。其在振动环境中的应用前景不可小觑。
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