CN104033462B - 一种预应力螺纹拉杆装置及其制作方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置，包括螺杆和螺母，所述螺杆两端部具有外螺纹，所述螺母通过其内螺纹与螺杆的外螺纹啮合，所述外螺纹和内螺纹具有相同的牙型和螺距，所述牙型的牙型角为40～45度且为不对称牙型，所述外螺纹的根部为一圆弧，所述牙型承压侧的牙侧角为10～20度；所述外螺纹和内螺纹的承压侧顶部均设有倒角，所述内螺纹的承压侧根部设有倒圆角。

Description

一种预应力螺纹拉杆装置及其制作方法和应用

技术领域

本发明涉及压机技术领域，特别是一种预应力螺纹拉杆装置及其制作方法和应用。

背景技术

预应力液压机机架是通过螺纹拉杆(螺杆)和螺母，将上/下横梁、立柱连接而成。在动载荷作用下，由于螺纹牙间的载荷分布不均匀性以及应力集中的影响，在啮合螺纹段承载最大的牙根处容易发生疲劳破坏。在陶瓷压机、快锻压机等高频次工作的压机中，拉杆螺纹连接处的疲劳断裂失效发生机率很高，即使在结构上采用了多种增加螺纹连接强度的措施，包括：悬置螺母、内斜螺纹螺母，增加立柱与拉杆的刚度比等，还往往无法满足实际的疲劳寿命要求。断裂部位多发生于拉杆在下横梁与螺母结合的螺纹根部。

现有的压机拉杆普遍采用顶角为45度锯齿形螺纹，牙根的圆角半径很小。有限元结果表明：1、牙根的圆角应力集中现象非常严重，等效应力都不同程度地超过了材料的屈服强度极限，发生了局部塑性变形现象；2、拉杆螺牙间轴向载荷分布不均匀，造成承载的牙数少，影响着螺纹牙根处的应力分布情况。应力集中和载荷分布不均导致现有拉杆的抗疲劳强度大大降低，是拉杆频繁断裂的主要原因。

压机拉杆频繁断裂，造成维修成本高，当前螺纹拉杆的设计主要围绕着增强使用寿命等方面展开。例如通过对顶角为60度三角形螺纹采用中径偏置的方法，以获得更大过渡圆弧半径，虽然有利于消除拉杆螺纹高应力集中现象，但存在以下不足，主要表现为：通过对顶角为60度三角形螺采用中径偏置方法，获得更大的拉杆螺牙根部过渡圆弧半径，但拉杆螺牙齿厚变小，螺母齿厚变大，即拉杆螺纹轴向刚度抗弯较差；且该螺纹的螺距较大，在动载荷作用下螺杆外螺纹牙易损坏，螺杆和螺母易松动。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种预应力螺纹拉杆装置及其制作方法和应用，不仅有效降低螺纹牙根部的等效应力峰值，而且使得牙间轴向载荷均匀分布，消除现有压机的拉杆螺纹应力集中问题，延长拉杆的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明的技术方案一是：一种应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置，包括螺杆和螺母，所述螺杆两端部具有外螺纹，所述螺母通过其内螺纹与螺杆的外螺纹啮合，所述外螺纹和内螺纹具有相同的牙型和螺距，所述牙型的牙型角为40～45度且为不对称牙型，所述外螺纹的根部为一圆弧，所述牙型承压侧的牙侧角为10～20度；所述外螺纹和内螺纹的承压侧顶部均设有倒角，所述内螺纹的承压侧根部设有倒圆角。

其中，所述牙型的牙型角为45度。

其中，所述牙型承压侧的牙侧角为14～16度。

其中，所述牙型承压侧的牙侧角为15度。

其中，所述外螺纹和内螺纹的径向间隙为0.1～0.2mm，轴向间隙为0.2～0.3mm。

其中，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。

其中，所述外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。

一种应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置的制作方法，包括以下步骤：

(1)选取牙型角40～45度、承压侧牙侧角为10～20度，在螺杆两端部制作出牙型不对称的外螺纹，所述外螺纹的根部通过一圆弧过渡；

(2)根据螺杆外螺纹的牙型，在螺母内侧制作出相同牙型、牙型角、牙侧角和螺距的内螺纹；

(3)通过螺母的内螺纹与螺杆的外螺纹啮合。

一种预应力机架，两个立柱分别通过上述的应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置将上横梁和下横梁连接成预应力组合框架。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：该预应力螺纹拉杆装置可有效降低螺纹牙根部的等效应力峰值，且使得牙间轴向载荷分布均匀，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。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

附图说明

图1是本发明的预应力螺纹拉杆装置的剖视示意图。

图2是本发明的螺杆外螺纹的剖视示意图。

图3是本发明的螺母内螺纹的剖视示意图。

图4是本发明的螺杆外螺纹与螺母内螺纹的啮合示意图。

图5是标准45度锯齿形螺纹的啮合示意图。

图6是牙侧角与牙间轴向载荷不均匀系数的关系图。

图7是同等工况下本发明与标准牙型拉杆螺纹装置的轴向载荷分布对比图。

图8是预应力机架的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：1、螺杆，2、螺母，P、螺距，θ、牙型角，r₁、本发明外螺纹根部圆弧半径，H₁、本发明牙型高度，L、螺牙中径宽，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，R₁、本发明内螺纹根部圆角半径，η、本发明倒角高度，α、本发明倒角角度，r₀、标准牙型外螺纹根部圆弧半径，R₀、标准牙型内螺纹根部圆角半径，H₀、标准牙型高度，e₀、标准牙型外螺纹齿顶宽度，E₀、标准牙型内螺纹齿顶宽度，C₀、标准牙型倒角高度，P10、标准牙型螺纹有限元模型，P10_T、本发明拉杆螺纹有限元模型。

具体实施方式

如图1～4所示，一种应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置，包括螺杆1和螺母2，所述螺杆1两端部具有外螺纹，所述螺母2通过其内螺纹与螺杆1的外螺纹啮合，所述外螺纹和内螺纹具有相同的牙型及螺距，所述牙型的牙型角为40～55度且为不对称牙型，所述外螺纹的根部为一圆弧，所述牙型承压侧的牙侧角为10～20度。

在本实施例中，所述牙型的牙型角优选45度，其非承压侧牙侧角为30度，承压侧牙侧角为15度，但并不局限于此。当然，所述牙型的牙型角还可以选用40度、50度、55度等，它们的承压侧牙侧角可以选用14～16度，特别是15度。在保持牙型角为45度的情况下，通过接触有限元分析承压侧牙侧角的变化对牙间轴向载荷不均匀系数的影响，结果如下：

从图6可以看出，当承压侧牙侧角从5度变化为15度时，牙间轴向载荷不均匀系数随着承压侧牙侧角的增大而减小，当承压侧牙侧角从15度变化为45度时(承压侧牙侧角变化到45度时，相当于把原来的锯齿形螺纹倒过来安装)，牙间轴向载荷不均匀系数随着承压侧牙侧角的增大而增大。因此，承压侧牙侧角选用10～20度比较合理，其中承压侧牙侧角为15度左右时，螺纹牙间轴向载荷不均匀系数最小。

在本实施例中，所述外螺纹的根部圆弧经过滚压处理，且滚压深度大0.2mm，表面粗糙度优于0.8μm。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。所述外螺纹和内螺纹的径向间隙为0.1～0.2mm，轴向间隙为0.2～0.3mm。

在本实施例中，为了避免外螺纹与内螺纹发生干涉，分别对外螺纹和内螺纹进行倒角和倒圆(倒角高度η、倒角角度α、圆角半径R₁根据不同螺距进行调整)，具体是外螺纹和内螺纹的承压侧牙侧顶部均设有倒角，所述内螺纹的承压侧牙侧根部设有倒圆角。

如图1～4所示，一种应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置的制作方法，包括以下步骤：

(1)选取牙型角40～45度、承压侧牙侧角为10～20度，在螺杆1两端部制作出牙型不对称的外螺纹，所述外螺纹的根部通过一圆弧过渡；

(2)根据螺杆1外螺纹的牙型，在螺母2内侧制作出相同牙型、牙型角、牙侧角和螺距的内螺纹；

(3)通过螺母2的内螺纹与螺杆1的外螺纹啮合。

在本实施例中，请参考图5，所述螺杆1外螺纹牙型的设计思路是通过标准45度锯齿牙型变形得到，具体操作如下：保持标准45度锯齿形螺纹的大径(d、D)、中径(d₂、D₂)、小径(d₁、D₁)、牙型角θ(θ可以选取在40～55度之间，且以45度为优选)和螺牙中径宽L不变的前提下，将牙型逆时针旋转15度得到不对称牙型，外螺纹与内螺纹配合是保证径向间隙为0.1～0.2mm、轴向间隙为0.2～0.3mm。通过上述结构设计，该牙型为顶角45度的不对称牙型，且外螺纹根部圆弧半径r₁比原来的大，可使得外螺纹的应力幅度减小，尤其能够降低外螺纹根部的应力集中，延长拉杆寿命。

在本实施例中，通过对不同螺距P的标准45度锯齿牙型变形，可得不同螺距P的本发明牙型，适用于各种拉杆螺纹。其中，螺距P的取值与螺杆1外螺纹的大径d有关，外螺纹的大径d大，则螺距P也应取大，螺距P的取值可根据外螺纹大径d大小查找标准手册得到。例如，对于d为320mm的螺杆1，螺距P可选取10mm。为了避免外螺纹与内螺纹发生干涉，分别对外螺纹和内螺纹进行倒角和倒圆(倒角高度η、倒角角度α、圆角半径R₁根据不同螺距进行调整)，具体是外螺纹和内螺纹的承压侧牙侧顶部均设有倒角，所述内螺纹的承压侧牙侧根部设有倒圆角。

在本实施例中，为了进一步提高拉杆抗疲劳强度，应保证拉杆的制造精度，要求如下：

1)步骤(1)和(2)中，所述螺杆1和螺母2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)步骤(1)中，对螺杆1进行超声波探伤检验，对螺杆1外圆表面全部进行磁粉探伤检验，确保螺杆1金属材料内部和外表无裂纹或缺陷。

3)步骤(1)中，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；步骤(2)中，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。

4)步骤(1)中，所述外螺纹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。

5)步骤(3)中，确保外螺纹与内螺纹配合一致，保证径向间隙为0.1～0.2mm、轴向间隙为0.2～0.3mm。

以下结合具体实例进行说明，本实例螺杆1外螺纹的大径d＝320mm，根据上述的操作，可得到拉杆的外螺纹和内螺纹的基本参数：P＝10mm，H₁＝11.83mm，θ＝45°；d＝320mm，d₁＝308.5mm，d₂＝315mm，L＝5mm，r₁＝1.72mm；D＝320.2mm，D₁＝310mm，D₂＝315mm；η＝0.74mm，α＝45°，R₁＝1mm。

根据某型陶瓷压机拉杆螺纹连接的具体结构，采用有限元法，在相同工况下建立能考虑材料的弹塑性、几何大变形和接触等非线性特性的螺纹连接轴对称模型。对螺距P＝10mm的标准45°锯齿形螺纹以及本实例牙型，进行计算分析和比较研究。分析结果以螺杆1头三对承载牙根部最大应力为例，本发明螺杆1牙根部最大Mises等效应力分别为：488.1MPa，468.5MPa，476.4MPa；最大第一主应力分别为：599.8MPa，579.2MPa，597.2MPa。而牙型为标准450锯齿形螺杆1牙根部最大Mises等效应力分别为：495.4MPa，509MPa，497.6MPa；最大第一主应力分别为：617.5MPa，640.6MPa，624.7MPa。表明本发明螺纹应力分布较均匀，且有效降低螺纹牙根部的Mises等效应力及第一主应力峰值。图7为同等工况下本发明与标准牙型拉杆螺纹装置的轴向载荷分布对比图，从图中可得本发明拉杆螺纹牙间轴向载荷分布较均匀。

如图8所示，一种预应力机架，包括上横梁3、下横梁4和两个立柱5，两个立柱5分别通过上述的应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置(包括螺杆1和螺母2)将上横梁3和下横梁4连接成预应力组合框架，该预应力螺纹拉杆装置的螺杆1中部穿过立柱5，两端部分别从上横梁3和下横梁4伸出，并分别由螺母2锁紧。

本发明的预应力螺纹拉杆装置可有效降低螺纹牙根部的等效应力峰值，且使得牙间轴向载荷分布均匀，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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置，包括螺杆和螺母，所述螺杆两端部具有外螺纹，所述螺母通过其内螺纹与螺杆的外螺纹啮合，所述外螺纹和内螺纹具有相同的牙型和螺距，其特征在于：所述牙型的牙型角为40～45度且为不对称牙型，所述外螺纹的根部为一圆弧，所述牙型承压侧的牙侧角为10～20度；所述外螺纹和内螺纹的承压侧顶部均设有倒角，所述内螺纹的承压侧根部设有倒圆角。

2.根据权利要求1所述的应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置，其特征在于：所述牙型的牙型角为45度。

3.根据权利要求1所述的应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置，其特征在于：所述牙型承压侧的牙侧角为14～16度。

4.根据权利要求1或3所述的应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置，其特征在于：所述牙型承压侧的牙侧角为15度。

5.根据权利要求1至3中任一所述的应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置，其特征在于：所述外螺纹和内螺纹的径向间隙为0.1～0.2mm，轴向间隙为0.2～0.3mm。

6.根据权利要求1至3中任一所述的应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置，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。

7.根据权利要求1至3中任一所述的应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置，其特征在于：所述外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。

8.一种如权利要求1所述的应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选取牙型角40～45度、承压侧牙侧角为10～20度，在螺杆两端部制作出牙型不对称的外螺纹，所述外螺纹的根部通过一圆弧过渡；

(2)根据螺杆外螺纹的牙型，在螺母内侧制作出相同牙型、牙型角、牙侧角和螺距的内螺纹；

(3)通过螺母的内螺纹与螺杆的外螺纹啮合。

9.一种预应力机架，包括上横梁、下横梁和两个立柱，其特征在于：两个立柱分别通过权利要求1至3中任一所述的应用于液压机机架的预应力螺纹拉杆装置将上横梁和下横梁连接成预应力组合框架。