CN104454862A - 一种承受轴向载荷的变刚度复合螺母连接 - Google Patents
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Abstract
一种承受轴向载荷的变刚度复合螺母连接，属于机械设计技术领域，结构特征是复合螺母是由螺母和钢套构成，螺杆与螺母旋合，螺母外周面为圆柱形，中间段外径大于上下端外径，圆环形的钢套通过过盈配合套装在螺母止推端的圆环形槽内，钢套外径与螺母最大外径相同。螺母与钢套配合端设置有止推平台，作用于螺杆上的轴向力在螺母异侧产生止推力；优点是通过改变普通螺母两端的刚度，降低了螺母两端螺牙面的接触应力，使螺牙面的受力趋于均匀，减小了螺母两端螺牙根部的应力集中，提高了螺纹连接的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于机械设计领域，具体涉及一种承受轴向载荷的变刚度复合螺母连接。
背景技术
承受轴向重载的螺纹副连接机构在重型机械装备中得到了广泛应用，且大多在循环重载环境下工作。由于螺母与螺丝的刚度及变形方式不同，普遍存在螺纹牙间承载不均匀的问题,容易造成螺牙局部较大的应力集中，随着载荷循环次数的增加，裂纹不断扩展进而引起失稳断裂。如图1所示，对于承受轴向载荷的螺纹副机构，当轴向力与螺纹副的止推力在螺母的同侧时，其加载端的前三圈旋合螺牙承受了总载荷的60％～70％，且以旋合第一圈的螺牙所承受的载荷为最大。如图2所示，当轴向力与螺纹副的止推力在螺母的异侧且螺母双向受压时，螺牙面尤其螺牙根部接触压力沿螺母高度分布很不均匀，沿着螺母的高度两端大，中间小，整体呈U形分布，从螺母两端向中间依次非线性递减。
对于重型机械而言，考虑受轴向载荷的螺纹副的不同受力与失效形式，通常采用两种不同的材料分别制造螺母与螺杆，螺母一般要求耐磨耐蚀及很高的力学性能，一般采用高强度铜合金，如ZCuZn25Al6Fe3Mn3铜合金。螺杆一般采用合金钢，如40Cr合金钢等。由于螺母材料的屈服极限低于螺杆材料的屈服极限，上述的载荷分布的不均匀性造成螺母的疲劳破坏相对于螺杆而言更加明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种承受轴向载荷的变刚度复合螺母连接，可有效地克服现有技术存在的缺点。
本发明是这样实现的，如图3所示，其结构特征是复合螺母由钢套3和螺母2构成,螺杆1与螺母2旋合，螺母2的外圆柱面是中间段外径大于上下段外径，中间段与上下段交接处为过渡圆弧；钢套3为圆形环，套装在螺母2止推端4的圆环形槽内，钢套3与螺母2的结合面为过盈配合，过盈量为(0.1～0.25)mm，钢套3的外径与螺母2的最大外径相同。螺母2的加载端6结构与止推端4相同，螺母2的止推端4设置有止推平台5，作用于螺杆1上的轴向力P通过螺牙传递给螺母，并在螺母2的异侧产生止推力P'，螺母2双向受压。设螺母2的螺距为h，钢套3的高度H'＝(1.5～5)h，设螺母2的最大外径为D，高度为H，止推端的外径为D'，H/D＝0.7～1.5；螺杆1的大径为d，螺母2的基体厚度为B＝(D-d)/2＝(1.5～5)h，钢套3的厚度为b＝(D-D')/2＝(0.35～0.65)B。在螺母2的加载端6，螺母2的外径为D″，减薄段厚度为B'＝(0.2～0.6)B，减薄段高度为H″＝(3～6.5)h。钢套3的弹性模量是螺母2的弹性模量的1～4倍，钢套3材料的屈服强度小于螺母2材料的屈服强度。
本发明的优点和积极效果
(1)本发明中螺母2与钢套3为过盈配合，螺母2频繁受轴向载荷时会沿其轴线发生加载和卸载引起的循环应变，通过减小螺母2的基体壁厚，降低了螺母2的壁厚减薄部分的刚度，使得螺母2壁厚减薄部分螺牙与螺母2基体的轴向压应变量协调一致且变大，使得螺母2中部的螺牙承受更多的载荷，改善螺母2壁厚减薄部分螺牙根部接触应力分布不均现象。
(2)本发明中由于钢套3的弹性模量大于螺母2的弹性模量，螺纹副在承受轴向载荷时，螺母2与钢套3的过盈配合约束了螺母2加装钢套端的径向正应变，钢套3沿轴向的弹性应变量小于螺母2的弹性应变量；因此通过钢套3与螺母2的刚度不等导致的径向和轴向弹性应变差将螺母2加装钢套端的螺牙面上的一部分载荷传递给了钢套3上端面高度附近的螺牙上，改善了螺母2加装钢套端螺牙的接触载荷过大的现象。
(3)由于螺母2通常由高强度铜合金制作，造价昂贵，本发明中钢套3可用价格较为低廉的铸钢制造，大幅度降低了螺母2的制造与加工成本。
附图说明
图1是螺母同侧轴向受力简图
图2是螺母异侧轴向受力简图
图3是复合螺母连接结构简图
图4是轧机压下螺纹副简图
图5是承受轴向载荷的变刚度复合螺母连接与普通螺母连接的螺牙根部接触应力对比图
图中：
1——螺杆 2——螺母 3——钢套
4——止推端 5——止推平台 6——加载端
1'——压下螺杆 2'——压下螺母 3'——压下螺母的钢套
4'——轧机机架 5'——填料环 a——第1扣螺牙
P——轴向力 P'——止推力 d——螺杆大径
H——螺母高度 D——螺母外圈直径 D'——钢套内径
H'——钢套高度 F——轧制力 T——螺牙啮合扣数
H″——螺母的减薄高度 D″——螺母加载端的外圈直径
Q——螺母螺牙根部的接触应力
具体实施方式
现以轧钢机械中承受轧制力F的压下螺纹副机构为例，如图4所示，采用本发明改进的变刚度复合螺母连接，压下螺杆下端承受轧制力F＝1800t，复合压下螺母的材料属性如表1所示，螺距h＝50.8mm，变刚度复合螺母最大外径D＝760mm，上下两段外径D'＝D″＝600mm，螺母2'的高度H＝730mm,螺母上段高度H'＝225mm，螺母下段高度H″＝320mm，填料环5'与压下螺母2'间隙配合，钢套3'与压下螺母2'的过盈配合尺寸为φ600K6/r6；第1扣螺牙在压下螺母2'的止推端，共14扣螺牙。
表1、试验所用压下螺纹副的材料属性
| 材料 | 弹性模量 | 泊松比 | 屈服强度 | |
| 压下螺母 | ZCuZn25Al6Fe3Mn3 | 110Gpa | 0.3 | 380Mpa |
| 压下螺丝 | 42CrMo | 212Gpa | 0.3 | 930Mpa |
| 钢套 | ZG230-450 | 208Gpa | 0.3 | 230Mpa |
通过本发明的变刚度复合螺母与相同尺寸参数的普通螺母的试验测试后，以压下螺母与压下螺杆的螺牙啮合扣数T为横坐标，压下螺母牙根接触应力Q为纵坐标，绘出两种压下螺母螺牙根部的接触应力对比图，如图5所示，可以看出：
(1)复合压下螺母两端螺牙根部的最大接触应力均小于普通压下螺母螺牙根部的最大接触应力；同时复合螺母中间部分螺牙根部的接触应力大于普通螺母中间部分螺牙根部的接触应力，复合压下螺母的螺牙接触应力分布均匀性明显优于普通压下螺母螺牙根部的接触应力。
(2)螺母减薄部分(即加装填料环的部分)由于降低了压下螺母轴向载荷端的刚度，增大了压下螺母基体沿轴向的弹性应变量，成功地改善了压下螺母啮合第一圈的载荷过大现象。
(3)钢套将压下螺母止推端螺牙的一部分载荷传递给了压下螺母的中间段的螺牙，使得压下螺母止推端螺牙载荷不均得到了改善，降低了螺母止推端螺牙面尤其是螺牙根部最大载荷。
Claims (1)
1.一种承受轴向载荷的变刚度复合螺母连接，其结构特征是复合螺母由钢套(3)和螺母(2)构成,螺杆(1)与螺母(2)旋合，螺母(2)的外圆柱面是中间段外径大于上下段外径，中间段与上下段交接处为过渡圆弧；钢套(3)为圆形环，套装在螺母(2)止推端的圆环形槽内，钢套(3)与螺母(2)的结合面为过盈配合，钢套(3)的外径与螺母(2)的最大外径相同；螺母(2)的加载端结构与止推端相同，螺母(2)的止推端设置有止推平台(5)，作用于螺杆(1)上的轴向力(P)通过螺牙传递给螺母(2)，并在螺母(2)的异侧产生止推力(P')，螺母(2)双向受压；设螺母(2)的螺距为h，钢套(3)的高度H'＝(1.5～5)h，设螺母(2)的最大外径为D，高度为H，止推端的外径为D'，H/D＝0.7～1.5；螺杆(1)的大径为d，螺母(2)的基体厚度为B＝(D-d)/2＝(1.5～5)h，钢套(3)的厚度为b＝(D-D')/2＝(0.35～0.65)B；在螺母(2)的加载端，螺母(2)的外径为D″，减薄段厚度为B'＝(0.2～0.6)B，减薄段高度为H″＝(3～6.5)h；钢套(3)的弹性模量是螺母(2)的弹性模量的1～4倍，钢套(3)材料的屈服强度小于螺母(2)材料的屈服强度。
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