CN102434561A - 低应力特殊螺纹拉杆装置及液压机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低应力特殊螺纹拉杆装置及液压机，该螺纹拉杆装置包括螺杆和螺母；所述螺杆两端部有外螺纹；所述螺母通过内螺纹与所述螺杆的外螺纹啮合；所述外螺纹和所述内螺纹具有相同的原始三角形以及螺距；所述原始三角形的顶角介于55-65度之间；所述外螺纹和所述内螺纹的根部各为一圆弧，且所述外螺纹的根部圆弧半径大于所述内螺纹的根部圆弧半径。本发明的低应力特殊螺纹拉杆装置，消除了现有45度锯齿形螺纹高应力集中的问题，具有高承载能力和高可靠性，能够极大程度的减少拉杆断裂现象，可应用于各种预应力组合机架结构的液压机，提高液压机的整体性能和使用寿命。

Description

低应力特殊螺纹拉杆装置及液压机

技术领域

本发明涉及液压机技术领域，且特别涉及一种液压机组合结构机架用的低应力特殊螺纹拉杆装置及液压机。

背景技术

液压机是金属压力加工制造业中广泛应用的关键设备，圆形拉杆(又称“张力柱”)是液压机中的最重要的零件。工作中，拉杆承受满吨位的轴向拉力，长期处于大幅值的单向交变拉应力状态；承受由于上、下横梁变形而作用于内侧固定螺母处的角弯矩载荷作用；同时，拉杆还作为活动横梁的导向体，在偏心锻造时，承受活动横梁的横向推力和弯矩。因而，拉杆成为液压机机架中最易破坏的一个零件，发生断裂的例子屡见不鲜。断裂和损坏的部位大多处于拉杆在下横梁上平面与固定螺母结合部位的螺纹根部，断口具有疲劳破坏特征。

现有的液压机拉杆普遍采用顶角为45°锯齿形螺纹，齿根的圆角半径很小，计算机三维有限元分析结果表明，齿根的圆角应力集中现象非常严重，甚至超过了材料的屈服强度，导致拉杆的抗疲劳强度大大降低，成为拉杆频繁断裂的主要原因之一。

因此，业界急需一种低应力的螺纹拉杆，以解决液压机拉杆频繁断裂的问题，延长拉杆的使用寿命。

发明内容

本发明要解决现有的液压机拉杆螺纹齿根的圆角应力集中现象非常严重的技术问题，提供一种低应力特殊螺纹拉杆装置和液压机，用于消除现有液压机的拉杆的螺纹的应力集中现象，延长拉杆的使用寿命。

本发明提供了一种低应力特殊螺纹拉杆装置，包括：螺杆和螺母；

所述螺杆两端部有外螺纹；所述螺母通过内螺纹与所述螺杆的外螺纹啮合；所述外螺纹和所述内螺纹具有相同的原始三角形以及螺距；

所述原始三角形的顶角介于55-65度之间；

所述外螺纹和所述内螺纹的根部各为一圆弧，且所述外螺纹的根部圆弧半径大于所述内螺纹的根部圆弧半径。

本发明还提供了一种液压机，包括至少两个上述的低应力特殊螺纹拉杆装置。

本发明的低应力特殊螺纹拉杆装置，消除了现有45度锯齿形拉杆螺纹高应力集中的问题，使拉杆具有高承载能力和高可靠性，能够极大程度的减少拉杆断裂现象，可应用于各种预应力组合机架结构的液压机，提高液压机的整体性能和使用寿命。

附图说明

图1是本发明的一种低应力特殊螺纹拉杆装置的示意图。

图2是本发明的螺杆的外螺纹的剖面示意图；

图3是本发明的螺母的内螺纹的剖面示意图；

图4是本发明的螺杆的外螺纹与螺母的内螺纹啮合的剖面示意图。

其中，附图标记说明如下：

1：螺杆；                      2：螺母；

P：螺距；                      G1：外螺纹的原始三角形；

G2：内螺纹的原始三角形；       K：螺纹轴线；

F：螺纹中径；                  R：外螺纹根部圆弧半径；

r：内螺纹根部圆弧半径；        H：原始三角形高度；

h1：外螺纹牙齿高度；           h2：外螺纹牙根高度；

h3：外螺纹牙顶高度；           H1：内螺纹牙齿高度；

H2：内螺纹牙根高度；           H3：内螺纹牙顶高度；

d：外螺纹大径；                d1；外螺纹小径；

d2；外螺纹中径；               D：内螺纹大径；

D1；内螺纹小径；               D2：内螺纹中径；

θ：原始三角形顶角；           A：螺母直径；

B：螺母高度。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及所附附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

参见图1所示的本发明的低应力特殊螺纹拉杆装置，该螺纹拉杆装置包括螺杆1和螺母2，螺杆1的两端部具有外螺纹，具有内螺纹的螺母2与螺杆1上的外螺纹相互啮合。

参见图2所示为本发明的螺杆1的外螺纹的剖面示意图；图3所示为本发明的螺母2的内螺纹的剖面示意图；图4所示为本发明的螺杆1的外螺纹与螺母2的内螺纹啮合的剖面示意图，以下结合图2至图4进行说明。

螺母2通过内螺纹与螺杆1的外螺纹啮合；外螺纹和内螺纹具有相同的原始三角形以及螺距。外螺纹与内螺纹的螺距均为P，外螺纹与内螺纹的原始三角形的顶角角度均为θ，外螺纹的根部圆弧半径为R，内螺纹的根部圆弧半径为r。

本实施例中的拉杆的外螺纹与内螺纹具有如下特征：与传统的45度锯齿形螺纹不同，本实施例的拉杆的外螺纹与内螺纹的原始三角形的顶角的角度θ相对较大，远大于45度，该角度θ可以选取在55-65度之间，且以60度为优选；外螺纹及内螺纹的螺距P相对较大。此外，外螺纹与内螺纹的形状都设置为牙形，且外螺纹与内螺纹的根部均为一圆弧。外螺纹的根部圆弧半径R大于内螺纹的根部圆弧半径r。通过采用上述的结构设计，可使得外螺纹的应力大幅度减小，尤其能够降低外螺纹的根部的应力，延长螺杆的寿命。

结合图2对拉杆的螺纹进行分析，外螺纹的基本参数包括：螺距P，原始三角形的顶角θ，外螺纹根部圆弧的半径R，以及外螺纹的大径d，外螺纹的大径d即外螺纹的齿顶直径，外螺纹根部圆弧相切于外螺纹的原始三角形的两腰。内螺纹的基本参数包括：螺距P，原始三角形的顶角θ，内螺纹根部圆弧的半径r，以及内螺纹小径D1，内螺纹根部圆弧相切于内螺纹的原始三角形的两腰。

其中，螺距P的取值与外螺纹的大径d有关，外螺纹的大径d大，则螺距P也应较大。在某一限定尺寸范围内，螺距P的取值约为外螺纹的大径d的6.5％至8％。例如，对于d＝150～190mm的螺杆，螺距P可选取10mm～15mm，考虑到便于实际生产，可统一选取一较佳值为P＝12mm；对于d＝200～260mm的螺杆，螺距P可选取13mm～20mm，且可统一选取一较佳值为P＝16mm。

根据上述的基本参数，本领域技术人员就能够计算得出外螺纹及内螺纹的其他规格参数。包括：外螺纹的原始三角形的高度H，外螺纹的牙齿高度h1，外螺纹的牙根高度h2，外螺纹的牙顶高度h3，及外螺纹的中径d2和小径d1。以及，内螺纹的原始三角形的高度H，内螺纹的牙齿高度H1，内螺纹的牙根高度H2，内螺纹的牙顶高度H3，及内螺纹的大径D，中径D2和小径D1。此外，确定外螺纹与内螺纹的中径F，参见图4所示，在螺母拧到螺杆上后，外螺纹与内螺纹理论上在中径F处配合，中径F作为外螺纹和内螺纹的理论重合直径，用以表明外螺纹和内螺纹的配合精度。

根据上述的设计，由于本实施例的内螺纹和外螺纹的螺距P较大及原始三间形的顶角θ较大，则外螺纹及内螺纹的接触面也相应较大，而增大接触面能有效的减小螺纹所受应力。此外，由于本实施例的外螺纹的根部圆弧半径较大，能进一步的减小外螺纹根部应力集中现象。

以下结合具体实例进行说明，本实施例以优选的拉杆的外螺纹及内螺纹的原始三角形的顶角θ为60度，外螺纹的大径d＝240mm，螺距P＝16mm，外螺纹根部圆弧半径R＝4.56mm，内螺纹根部圆弧半径r＝0.8mm。

根据上述的基本参数，则该拉杆的外螺纹和内螺纹的规格参数的计算式如下：

外螺纹及内螺纹的原始三角形的高度

外螺纹的牙齿高度h1＝0.481P

外螺纹的牙根高度h2＝0.285P

外螺纹的牙顶高度h3＝0.16925P

内螺纹的牙齿高度H1＝0.375P

内螺纹的牙根高度H2＝0.05P

内螺纹的牙顶高度H3＝0.15575P

内螺纹的大径：D＝d+0.1P

内螺纹和外螺纹的中径相等，为：D2＝d2＝d-0.3385P

内螺纹的小径：D1＝d-0.65P

外螺纹的小径：d1＝d-0.962P

其中，内螺纹的大径、中径和小径的尺寸制造公差均为+(0.05～0.15)mm；外螺纹的大径、中径和小径尺寸制造公差均为-(0.05～0.15)mm。

结合本实施例的该拉杆的上述规格参数对该拉杆进行应力分析，采用计算机FEM(有限元法)接触算法对该拉杆的螺纹在相同受力条件下进行应力分析，该拉杆的螺纹的最高应力为294MPa，且螺纹应力的分布较均匀。

而对比采用国家行业标准JB/ZQ 4723-2006《液压机用45°锯齿形螺纹牙型与基本尺寸》的拉杆，其规格参数如下：拉杆的外螺纹的大径d＝200～250mm，螺纹的螺距P为8mm，螺杆螺纹的根部圆角半径为0.99mm，螺纹高度为4.6mm。该拉杆的螺纹的最高应力为538MPa，且主要分布在螺杆前部的第一和第二扣螺纹上。

由此可以看出，本发明的特殊螺纹的拉杆通过增大螺纹的螺距及原始三角形的顶角，以及螺杆螺纹的根部圆弧半径，能有效降低螺纹的应力，使螺纹的受力更均衡，提高了拉杆的承载能力和可靠性。使拉杆的螺纹不会发生研死粘合现象，便于安装且使用寿命长。

此外，为进一步的提高螺杆和螺母的制造质量，本实施例的拉杆在制造阶段，对螺杆和螺母还适宜进行如下处理：

1)螺杆与螺母的钢材应采用优质合金结构钢，经电炉炼钢，并经炉外精炼和真空除气处理。

2)确保外螺纹与内螺纹的配合一致，径向间隙为0.5mm～0.7mm，轴向牙齿间隙为0.3mm～0.4mm。

3)内外螺纹的根部圆弧应经滚压处理，滚压深度≥0.2mm，表面粗糙度优于0.8μm。

4)对螺杆进行超声波探伤检验，对螺杆外圆表面全部进行磁粉探伤检验，确保螺杆金属材料内部和外表无裂纹或缺陷。

5)螺母的直径A＝(1.5～1.7)d，螺母的高度B＝(0.8～1.0)d。

本发明发还提供了一种液压机，该液压机包括至少两个上述的低应力特殊螺纹拉杆装置，参见图1所示的示意图，通过该拉杆将液压机机架的上横梁、立柱和下横梁预紧成为一个坚固的整体。每副拉杆的装配由一根螺杆和两个螺母构成，液压机的上、下横梁和立柱位于两个螺母之间，构成了液压机的组合机架。通过一套拉力装置使螺杆伸长，同时使上、下横梁和立柱压缩，然后拧紧螺母，从而使组合机架处于应力预紧状态。拉杆数量匹配可根据液压机需要进行选择，如可以为2根、5根、6根、7根、10根、16根等。

本发明的低应力特殊螺纹拉杆装置，消除了现有45度锯齿形拉杆的螺纹高应力集中的问题，使拉杆具有高承载能力和高可靠性，能够极大程度的减少拉杆断裂现象，可应用于各种预应力组合机架结构的液压机，提高液压机的整体性能和使用寿命。

Claims (6)

1.一种低应力特殊螺纹拉杆装置，其特征在于，包括：螺杆和螺母；

所述螺杆两端部有外螺纹；所述螺母通过内螺纹与所述螺杆的外螺纹啮合；所述外螺纹和所述内螺纹具有相同的原始三角形以及螺距；

所述原始三角形的顶角介于55-65度之间；

所述外螺纹和所述内螺纹的根部各为一圆弧，且所述外螺纹的根部圆弧半径大于所述内螺纹的根部圆弧半径。

2.根据权利要求1所述的低应力特殊螺纹拉杆装置，其特征在于，所述外螺纹和所述内螺纹的螺距为所述外螺纹的大径的6.5％至8％。

3.根据权利要求1所述的低应力特殊螺纹拉杆装置，其特征在于，所述外螺纹和所述内螺纹的径向间隙为0.5mm～0.7mm，轴向间隙为0.3mm～0.4mm。

4.根据权利要求1所述的低应力特殊螺纹拉杆装置，其特征在于，所述外螺纹的小径、中径和大径尺寸制造公差均为+(0.05～0.15)mm；所述内螺纹的小径、中径和大径尺寸制造公差均为-(0.05～0.15)mm。

5.根据权利要求1所述的低应力特殊螺纹拉杆装置，其特征在于，所述外螺纹和所述内螺纹的根部圆弧经过滚压处理，且滚压深度大于0.2mm，表面粗糙度优于0.8μm。

6.一种液压机，其特征在于，包括至少2个如权利要求1-5任一所述的低应力特殊螺纹拉杆装置。

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