基于有限元分析的压机用螺纹的比较

霍 光，商 迪

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141）

基于有限元分析的压机用螺纹的比较

霍 光，商 迪

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141）

通过有限元软件对压机用锯齿形螺纹和潘克螺纹的齿面应力和齿根应力进行分析比较，阐明了潘克螺纹较锯齿形螺纹具有明显的优势，表现为应力在每一牙上分布的均匀程度高，齿根应力高应力分布范围窄。锯齿形螺纹已经阻碍了现代压机的技术进步，急需一种新型螺纹来代替。期望本文对压机用螺纹技术进步起到积极的推进作用。

压力机；螺纹；有限元；应力；锯齿形螺纹；潘克螺纹

现代压机已经广泛采用预应力组合机架结构，全预紧组合机架较普通三梁四柱局部预紧结构可有效提高机架刚度[1]。组合机架是通过螺母拉杆系统进行联接的，这种联接方式结构简单、工作可靠、形式多样、装拆方便，但是由于有较大的应力集中，在交变载荷下容易发生疲劳断裂[2]。尤其在大型液压机上，机架本身为预应力结构，工作时承受工作载荷，螺纹的工况十分恶劣。现在常用的压机用螺纹标准为JB/T2001.73-1999《水系统45°锯齿形螺纹牙型与基本尺寸》。而我公司在与潘克公司进行合作设计中，采用的是潘克螺纹标准N188，这两种螺纹究竟有多大区别，这是本文所探讨的。

1 压机用螺纹牙型简介

螺纹牙型包括很多类，主要有普通螺纹、矩形螺纹、梯形螺纹、锯齿形螺纹、圆弧螺纹和管螺纹等[3]。锯齿形螺纹多用于单向受力的传力螺纹，由于已经成为标准，国内的压机多选用此螺纹牙型，如图1所示。我公司曾与德国潘克公司合作生产35MN压机，其螺纹标准采用的是潘克螺纹标准N188，如图2所示。

图1 45°锯齿形螺纹牙型

图2 潘克螺纹牙型

锯齿形螺纹牙型的特点是，在承力面的背侧压根很厚，压根的受力状态较好，但是这种螺纹牙型也具有普通螺纹受力的通病，具有较大的应力集中。潘克螺纹的特征是在内螺纹的根部开有应力缓解槽，且每一牙上的槽深不一，槽底圆公切线为1:12的斜线。同时，开有两级应力缓解槽，这样改变了每一牙的局部刚度。可有效缓解螺纹头3牙的应力集中状态，属于变径螺纹副[4]的范畴，采用变径螺纹副的联接比传统方式的强度提高2倍[5]。

2 有限元分析

为了更好地比较分析这两种螺纹的受力状态，笔者尝试采用大型通用有限元分析平台 Ansys Workbench 11.0来进行。首先采用Solidworks进行三维建模，为了贴近实际，笔者把一台已投产的35MN自由锻造液压机的螺纹副直接拿来，同时建立了同规格的锯齿形螺纹副三维模型，两者进行比较。潘克螺纹采用M280×12.7，锯齿形螺纹采用280×10螺纹。螺母采用42CrMo，拉杆采用30Cr2Ni2Mo。为了降低计算量，采用1/4模型，对称面上施加对称约束，工作载荷为3.0625MN。

图3为锯齿形螺纹副Mises应力云图，图4为潘克螺纹副Mises应力云图。从这两张图可明显看到两者应力分布上的不同，前者应力在前10牙上分布极不均匀，而后者明显有应力匀化作用。

图3 锯齿形螺纹副Mises应力云图

图4 潘克螺纹副Mises应力云图

图5、图6为两种螺纹在拉杆上的应力状态，从图6也能看出每牙基本都受力。另外，在此种螺纹副当中，拉杆的材料一定要优于螺母的材料，例如该模型中拉杆的δs≥700MPa，螺母的δs≥585MPa，所以危险点应该出现在螺母上。

图7中红色区域基本覆盖了头2牙，说明此区域已经进入局部塑形状态，实际中不可能出现如此高的应力，当出现局部塑形流动时，应力会降低，10牙后应力基本不变了。图6的受力状态理想，受力均匀。图9、10反映了最大拉应力状态。图7中，牙根处产生了很大的拉应力，受力情况恶劣。图9中，在承力侧牙根处产生较大拉应力，而背对承力侧牙根处产生较大压应力。

图5 锯齿形螺纹_拉杆Mises应力云图

图6 潘克螺纹_拉杆Mises应力云图

图7 锯齿形螺纹_螺母Mises应力云图

图8 潘克螺纹_螺母Mises应力云图

图9 锯齿形螺纹_螺母第一主应力云图

图10 潘克螺纹_螺母第一主应力云图

3 牙型比较

这里为了便于比较，规定了螺纹受力侧第一牙为序号1，依次排序到第10牙。通过图 11、12可以定量地看出，在拉杆上齿面和齿根部的应力状态，潘克螺纹具有很好的应力匀化作用。由于此螺纹副，薄弱环节在螺母上而不是在拉杆上，这里重点分析螺母的受力状态。由图13可知，锯齿形螺纹的第10牙应力只是第1牙应力的11%，差值明显，第一牙局部其实已经进入塑形状态，在重载荷下，会严重损毁螺纹[6]。头3牙承担了大部分载荷，力在10牙上分布极不均匀；而潘克螺纹出现了颠覆性的变化，第10牙螺纹应力高于第1牙，从第1牙到第10牙应力分布在200～400MPa之间，说明每一牙上受力均匀。从图14中可以看出齿根部应力，应力峰值两者相差不大，但是在潘克螺纹上，高应力范围明显缩小。

图11 最大齿面应力_拉杆

图12 最大齿根应力_拉杆

图13 最大齿面应力_螺母

4 结论

图14 最大齿根应力_螺母

潘克螺纹较锯齿形螺纹有着明显的优势。潘克螺纹具有很好的应力匀化作用，每一牙上受力均匀，且第10牙应力高于第1牙应力；锯齿形螺纹每一牙上的受力极不均匀，且在第1牙上出现局部塑形变形。在牙根处两者应力峰值差异不大，但潘克螺纹高应力区分布范围明显缩小。由此，笔者认为有必要对压机用螺纹标准JB/T2001.73-1999进行修订或者制定新标准来替代此标准。发明一种新型压机用螺母很有必要，这种螺纹具有很好的应力匀化作用，同时降低牙根处的应力峰值和缩小高应力区域。压机用螺纹的技术进步对整个锻压设备行业的进步具有重要的推进作用。

[1]吴生富.150MN锻造液压机本体组合结构研究[D].秦皇岛：燕山大学，2006.

[2]刘峻亦.重型螺纹连接承载能力与修形技术研究[D].重庆：重庆大学，2013.

[3]成大先.机械设计手册-联接与紧固[M].北京：机械工业出版社，2004.

[4]巴 鹏，付中和.变径螺旋副研制.机械工业标准化与质量，2005（4）：23-25.

[5]唐仁刚.新型等承载螺母研究[D].青岛：青岛科技大学，2007.

[6]王秀彦，安国平.液压机机架联接大螺母的螺纹修正[J].锻压装备与制造技术，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，工程师，从事锻压设备设计研发。E-mail：13998838437@163.com