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      變牙型螺紋聯接的防鬆性能研究及其在港口機械中的應用

      2017/5/15 返回列表
      導讀:  生非常大的鎖緊力。  在的受力示意圖中可以得到,當軸向鎖緊普通螺紋與變牙型螺紋受力對比圖力爲F時,變牙型螺紋聯接所受的法向力:而普通螺紋聯接的法向力F因此,在軸向載荷即F相等的情況下,有變牙型螺紋聯接的防鬆性能研究及其在港口機械中的應用中交第二航務工程勘察設計院有限公司袁宗喜吳濤武漢理工大學物流工程學院計三有在分析變牙型螺紋結構和防鬆原理的基礎上,基於A……
        生非常大的鎖緊力。  在的受力示意圖中可以得到,當軸向鎖緊普通螺紋與變牙型螺紋受力對比圖力爲F時,變牙型螺紋聯接所受的法向力:而普通螺紋聯接的法向力F因此,在軸向載荷即F相等的情況下,有變牙型螺紋聯接的防鬆性能研究及其在港口機械中的應用中交第二航務工程勘察設計院有限公司袁宗喜吳濤武漢理工大學物流工程學院計三有在分析變牙型螺紋結構和防鬆原理的基礎上,基於ANSYS有限元軟件建立了彈塑性有限元分析模型,分析了變牙型螺紋的受力,闡述了其防鬆機理,驗證了其防鬆性能。  前言螺紋聯接是最常見的一種緊固件連接,但在衝擊、劇烈振動或變載荷等作用下,會發生失效鬆脫,導致機械設備發生故障或損壞。  爲解決螺紋聯接自動鬆脫問題,學者們提出了例如加彈簧墊圈、對頂螺母、止動墊圈等多種方法,但實際效果並不理想。20世紀70年代,美國工程師提出了一種新型的螺紋結構型式一變牙型螺紋,從根本上解決了螺紋緊固件的鬆脫問題。2000年,這種新型產品開始進入中國的鐵道行業,目前這種變牙型螺紋被廣泛應用於高速運轉、振動強烈的火車、飛機、坦克等大型設備中,在港口機械中也擔當了重要的角色。本文以上海某公司提供的變牙型螺紋螺母爲研究對象,詳細分析了其防鬆抗振的原理及性能。  1變牙型螺紋結構及其受力分析變牙型螺紋是在陰螺紋的螺紋牙底加工出一個楔形斜面,該斜面角度可以有多種選擇,本文使用的是30°角。當螺栓與螺母相互擰緊時,螺栓的牙尖會緊密地抵在變牙型螺紋的楔形斜面上,從而會產可以得到,當相同時,越大,摩擦力越大。  這說明,在承受同樣的軸向載荷時,變牙型螺紋聯接比普通螺紋聯接具有更大的摩擦力,使得螺紋之間的聯接更加牢固,從而不易鬆脫。  2變牙型螺紋聯接的有限元建模爲了驗證變牙型螺紋聯接的防鬆性能,在AN-SYS中對其建立了彈塑性有限元分析模型。由於螺紋聯接的螺栓螺母配合存在螺旋麪接觸問題,並且變牙型螺紋接觸是一條螺旋線接觸,在建立三維模型時,配合不容易準確對位,因此本文利用ANSYS中的2-D接觸模擬該問題,建立了螺栓螺母的截面模型。  2.1研究對象及參數本文研究對象爲上海某公司生產的螺距爲-8的變牙型螺紋螺母與標準螺栓配合,建立了配合的斷面模型。  2.2定義單元與材料屬性本文定義的材料屬性如表1所示。  表i材料屬性表彈性模量泊鬆比屈服應力切線模量摩擦係數在建立模型時,本文採用的是ANSYS中二維8節點單元PLANE82單元,這種單元具有蠕變、塑性、應力剛度、輻射膨脹、大應變以及大變形的能力。PLANE82單元的參數見表2.表2單元PLANE82的參數表單元維數形狀節點數自由度四邊形2.3劃分模型網格因爲螺紋聯接軸向載荷分佈與網格密度關係不大,可以使用粗網格進行分析,只需在接觸和可能出現高應力處的網格進行細化。本文對螺栓體和螺母使用了較粗的網格,而在螺紋及其接觸處細化了網格(見),這樣既可以優化計算速度,也可以獲得相對準確的計算結果。在ANSYS中建立的普通螺紋聯接模型見和。螺栓模型截面有2689個單元,變牙型螺母模型截面有1639個單元。  2.4邊界條件定義本次分析的邊界條件根據螺紋聯接受力分析定義如下:螺栓頂端固定,螺栓側面邊線設置對稱約束,螺母側面邊線設置X方向位移限制,螺母頂端施加緊固零件的軸向載荷P,本次分析取P=10MPa.在ANSYS中的邊界條件設置見。  爲模擬螺栓與螺母的接觸,本次分析採用CON-TA172和TARGE169單元來分別模擬接觸面和目標面。這兩個單元都不具有厚度,同時能模擬有摩擦和大滑動的大變形問題。  由於變牙型螺紋聯接爲螺栓螺紋牙的頂部和螺母螺紋牙的斜面之間的接觸,螺栓和螺母採用統一材質,根據目標面和接觸面的選擇原則,本文將定義螺栓螺紋面(即凸面)爲接觸面,螺母螺紋面(即平面)爲目標面。本次分析中螺紋之間的接觸設置見。  3有限元分析結果在ANSYS中,對模型進行有限元彈塑性分析可以得到合成應力雲圖。從圖中可以看出,每個螺紋處的應力分佈都是幾乎一樣的。從ANSYS中提取出各個螺紋處的最大應力值得到表3所示結果。  表3各個螺紋接觸處的最大應力值/MPa載荷1從表3中可以看出,五個螺紋接觸位置的最大應力值相差無幾,應力均勻分佈在了所有的螺紋牙上。這是因爲螺栓的螺紋牙尖與變牙型螺紋接觸時,牙頂的齒尖容易發生不同程度的變形,變形使得在螺紋接觸的全螺旋線長度上載荷是均勻分佈的,從而改善了普通螺紋載荷集中在第一個螺紋上的現象,通過最大限度地減少可能的螺紋剪切破壞來提高聯接的可靠性。  從計算結果中提取每個螺紋處的軸向力和法向力數據,如表4所示。從表中的數據不難看出,在受到軸向載荷時,變牙型螺紋的軸向力要遠小於其法向力,因而具有更大的螺紋間摩擦力,使得螺紋聯接更加可靠,更不易鬆脫。  表4各個螺紋接觸處的軸向力與徑向力對比/N螺紋位置軸向力法向力另一方面,由於變牙型螺紋不同於普通螺紋,其螺紋間配合緊密,沒有徑向空隙,並且徑向載荷遠大於其軸向鎖緊力,因而能夠抵抗較劇烈的橫向振動,保證了變牙型螺紋在振動環境中仍舊能夠保持不鬆脫,確保了聯接的安全性和可靠性。  4變牙型螺紋技術在港口機械中的應用變牙型螺紋技術從出現以來就備受關注,在各個行業的大型機械中都有應用。港口機械上的吊具、小車、制動器、大車等機構、機械或零部件在工作時會受到巨大的振動載荷,尤其是在集裝箱起重機的吊具導板上。在起重機起吊和放下集裝箱的瞬間,改導板會經受相當大的衝擊和強烈的振動,故對螺紋緊固件的抗振性能要求更高。工程師採用了許多種輔助鎖緊方法都難以達到理想的防鬆效果。  在港口機械使用過程中,螺紋聯接鬆動問題嚴重影響了生產的效率和安全性。變牙型螺紋的使用,從根本上解決了這一技術難題。目前,國內包括振華港機在內的許多公司都採用了變牙型螺紋技術,保證的港口生產的安全性和效率,同時減少了機械的停車維修時間,大大提高了效益。  5結語本文在分析變牙型螺紋結構和防鬆原理的基礎上,基於ANSYS有限元軟件建立了彈塑性有限元分析模型,分析了變牙型螺紋的受力情況,得出瞭如下結論:變牙型螺紋受力均勻分佈在每個螺紋接觸位置,改善了普通螺紋載荷集中在第一個螺紋上的現象。  變牙型螺紋的螺紋間法向力遠大於其軸向鎖緊力,因此提供了巨大的螺紋間摩擦力,防鬆效果顯著。  變牙型螺紋由於緊密配合,螺紋間幾乎無空隙,同時因爲具有更大的徑向力,能夠抵抗橫向振動,因而在振動環境中更加不易鬆脫。  變牙型螺紋聯接在港口機械中正得到廣泛的應用,在使用過程中起到了很好的防鬆效果。其在振動環境中的應用前景不可小覷。
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