超大吨位预应力机架连接螺纹卸载结构的研究

刘 杰，汪恩辉，杜雪松，胡 瑞,杨 妮

(1.中国重型机械研究院股份公司，陕西 西安 710018；2.重庆大学 机械传动国家重点实验室，重庆 400030)

0 前言

随着我国航空航天、核电军工、石油化工、大型船舶等行业的快速发展，大型液压机、拉伸机等关键设备的需求量日益增加。此类大型设备的共同点是为了克服巨大的工作载荷同时保持机架整体的刚性，必须采用螺纹连接的超大吨位预应力机架。但由于预应力吨位大，同时设备空间相对有限，会使连接螺纹承受巨大的应力，有些情况下即使采用超高强度的材料仍不能满足使用要求，这就迫切需要研究出一种卸载结构来降低螺纹的应力。本文以中国重型机械研究院股份公司研制出的某125 MN超大吨位拉伸设备为研究对象，分析了超大吨位预应力机架连接螺纹的受力状况，并在比较多种方案后确定了最优的卸载结构。

1 连接螺纹及预应力参数

某125 MN超大吨位拉伸设备连接螺纹参数：

螺栓基本参数：中径d2=590 mm；大径d=600 mm；小径d1=577 mm；螺距P=20 mm；外螺纹牙高h1=11.5 mm；外螺纹牙根宽度b=15 mm；线数n=1。

螺母的基本参数：中径D2=590 mm；大径D4=600 mm；小径D1=580 mm；螺距P=20 mm；内螺纹牙高H4=10 mm；内螺纹牙根宽度b=14.44 mm；线数n=1。

其他参数：旋合长度H=540 mm;旋合圈数n=H/P=27；牙型斜角β=45°，其螺纹结构简图如图1所示。

预应力根据工作载荷情况设定为23 MN。

2 有限元模型的建立

预紧螺栓以及螺母的结构和载荷均为对称分布。为简化计算，分析采用大型有限元分析软件Ansys，且采用2D轴对称分析方法。

有限元模型边界条件如图2所示，固定螺母底部轴向位移，当螺栓预紧力为23 MN时，拉伸力加载后，拉力柱受到最大拉力为32.80 MN，故有限元分析模型中对螺栓施加32.8 MN拉力。如图3所示，模型网格划分均匀，局部加密。

图2 模型边界条件

图3 有限元网格

3 卸载结构的分析计算

根据以往相关经验，提出四种优化结构并进行有限元分析。

(1)环槽内斜角螺母。

(2)螺栓倒斜角+环槽内斜角螺母。

(3)腰状杆螺栓+环槽内斜角螺母。

(4)腰状杆螺栓+螺栓倒斜角+环槽内斜角螺母。

3.1 环槽内斜角螺母卸载结构

仅对螺母结构进行优化，螺母采用环槽加4°内斜角的均载结构，具体尺寸如图4所示，螺栓和螺母Mises应力如图5所示。

图4 环槽内斜角螺母尺寸

图5 螺纹牙根应力

3.2 螺栓倒斜角+环槽内斜角螺母卸载结构

在螺栓前几对牙倒4°斜角，尺寸如图6所示，螺母尺寸不变。螺栓和螺母Mises应力如图7所示。

图6 螺栓倒斜角尺寸

图7 螺纹牙根应力

3.3 腰状杆螺栓+环槽内斜角螺母卸载结构

采用腰状杆螺栓可以减小应力幅，从而提高螺栓的疲劳强度。螺母仍然采用环槽内斜角螺母且尺寸不变(图4)，螺栓尺寸如图8所示。螺纹应力如图9所示。

图8 腰状杆螺栓尺寸

图9 螺纹牙根应力

3.4 腰状杆螺栓+螺栓倒斜角+环槽内斜角螺母卸载结构

螺母仍然采用环槽内斜角螺母且尺寸不变(图4)，在腰状杆螺栓的基础上将螺栓倒4°斜角，倒角尺寸如图10所示，螺纹应力如图11所示。

图10 腰状杆螺栓倒角尺寸

图11 螺纹牙根应力

4 计算结果统计及分析研究

4.1 牙根应力统计

四种优化结构的牙根应力统计(只统计前10对牙根应力)见表1，螺栓及螺母牙根受力情况如图12、图13所示。

表1 四种优化结构牙根应力 MPa

图12 螺栓牙根应力

图13 螺母牙根应力

4.2 牙根载荷分布情况

提取的四种结构每对牙所承受的载荷并计算载荷比如表2所示，并绘制在图14中。

表2 牙间载荷分布

图14 牙根载荷分布

4.3 结果分析

(1)从图12～图14中可以看出，当螺栓也倒4°斜角以后，第1对牙的牙根应力明显下降，螺栓从731 MPa下降至620 MPa，螺母从712 MPa下降至611 MPa，相应的第1对牙承受的载荷从5.64%降至4.12%。所以，螺栓倒斜角对于改善第1对牙的受力有较好效果。

(2)从图12～图14中可以看出，腰状杆螺栓结构可以明显降低前几对牙的牙根应力及载荷，特别是第1对牙，螺栓应力从731 MPa下降至497 MPa，螺母应力从712 MPa下降至604 MPa，相应的第1对牙承受载荷从5.64%降至4.78%，疲劳强度得到提高。

(3)从图12～图14中可以看出，当腰状杆螺栓倒4°斜角时，第一对牙的应力还可以进一步降低，所以，如果加工条件允许，尽量让螺栓倒斜角，螺栓倒斜角对于改善前几对牙的受力总是有利的。

5 结论

本文以中国重型机械研究院股份公司研制出的125 MN超大吨位拉伸设备为研究对象，提出了四种超大吨位预应力机架连接螺纹的卸载结构并进行了研究，经分析比较后最终确定“腰状杆螺栓+螺栓倒斜角+环槽内斜角螺母”的卸载结构为最优方案，大幅降低了螺纹的牙根应力。此结构已经应用于实际生产中，具有较强的指导意义。