圓弧螺紋連接強度研究

王旺球，王 丹，劉 青

（1.中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015；2.湖北三江航天紅林探控有限公司，湖北孝感 432000）

0 引言

螺紋連接是一種常見的機械連接方式，按照螺紋牙型可分為三角形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋、管螺紋等，由于這些螺紋和桿體之間連接不夠光滑，容易出現(xiàn)就應力集中現(xiàn)象，從而降低其承載特性。第七一三研究所研制的應用于預應力風機基礎的高強度錨桿采用非標大螺距圓弧螺紋，滾壓加工成型，有效降低應力集中，避免了高強度材料在加工螺紋后易出現(xiàn)的低應力脆斷現(xiàn)象，但由于國內(nèi)應用相對較少，且沒有形成標準并進行推廣，其螺紋連接強度的深入研究很少，對其螺紋結構特征、公差配合、承載能力的定量和定性研究基本屬于空白。本文以中船重工第七一三研究所研制的MGA系列圓弧螺紋為例，針對錨桿和螺母組成的連接副，選擇不同的公差配合組合，分別采用仿真計算和試驗驗證的方法，研究圓弧螺紋的承載特性和連接強度，為圓弧螺紋公差設計和生產(chǎn)制造提供技術支撐。

1 圓弧螺紋簡介

1.1 圓弧螺紋結構

圓弧螺紋能夠有效降低應力集中，易于滾壓加工，避免低應力脆斷現(xiàn)象。錨桿的螺紋牙型由上牙頂圓弧、直線段和下牙底圓弧依次連接組成，其中直線段分別與上牙頂圓弧和下牙底圓弧相切。螺母的螺紋牙型由上半圓弧、切向直線段和牙頂組成，其中直線段與上半圓弧相切，牙頂為平面。在螺紋任何位置配合時，內(nèi)外螺紋的直線段和和圓弧段均能緊密貼合，錨桿和螺母材料之間有一定的硬度差，螺母牙頂可以向錨桿的螺紋牙根產(chǎn)生流變，由此組成的螺紋連接副采用螺紋副面配合實現(xiàn)機械防松，在設備運作而受力時，兩者的配合會越來越緊密，從而有效地避免松動[1]。

圖1 錨桿螺紋牙型結構

圖2 螺母螺紋牙型結構

1.2 普通螺紋與圓弧螺紋牙型公差

《普通螺紋公差》（GB/T 197—2003）規(guī)定了普通螺紋（一般用途米制螺紋）的公差，適用于一般用途的機械緊固螺紋連接，大徑按規(guī)格為36～56的風機基礎錨桿一般都采用粗牙螺紋，錨桿和螺母組成的螺紋連接副通常采用的公差配合為6g/6H，螺距為4 mm、4.5 mm、5 mm、5.5 mm。

以MGA系列圓弧螺紋為例，其中螺紋大徑按規(guī)格為36～56的錨桿和螺母均采用圓弧螺紋牙型結構，螺距為8.5 mm，錨桿牙高為3.36 mm，螺母牙高為2.8 mm。圓弧螺紋的螺距是同樣直徑規(guī)格普通螺紋螺距的2倍，參照相關規(guī)定和公差的取值方法，設計錨桿外螺紋和螺母內(nèi)螺紋的螺紋牙型結構如圖3和圖4所示。相比普通螺紋，圓弧螺紋的配合間隙要大很多，以M48規(guī)格為例，普通外螺紋的大徑公差帶為530 μm，而圓弧螺紋的大徑公差帶為940 μm。

圖3 錨桿螺紋牙型尺寸

圖4 螺母螺紋牙型尺寸

2 有限元仿真

2.1 建立模型

螺紋連接的三維有限元分析表明[2-3]，螺紋升角小于4°時，載荷沿螺栓齒的分布幾乎不受螺栓升角的影響，在軸向載荷的作用下，螺紋三維有限元分析可簡化成軸對稱問題。在進行仿真計算時考慮材料的彈塑性，其材料參數(shù)通過力學性能試驗獲取名義應力和名義應變，通過經(jīng)驗公式轉變?yōu)檎鎸崙退苄詰儭８邚姸儒^桿和螺母組成的螺紋連接副在實際工作時，錨桿基本不受剪切力，計算時在錨桿軸向施加拉應力，綜合考慮錨桿安裝后實際的軸向約束和徑向約束狀態(tài)以及計算過程的穩(wěn)定性和收斂問題，在錨桿頭部施加軸向約束固定其在X方向的移動，在對稱軸上施加徑向約束對稱軸處施加徑向約束，螺母端部施加固定約束，其有限元模型如圖5所示。

圖5 圓弧螺紋連接副計算模型

2.2 計算工況

根據(jù)錨桿和螺母之間公差配合情況，選取不同的公差組合方式。A組：錨桿外螺紋尺寸不變，改變螺母內(nèi)螺紋尺寸；B組：螺母內(nèi)螺紋尺寸不變，改變錨桿外螺紋尺寸；C組：同時改變錨桿外螺紋和螺母內(nèi)螺紋尺寸。

2.3 計算結果

分別對A組、B組、C組工況分別施加100 MPa～600 MPa（增幅為100 MPa）軸向拉應力，得到不同應力水平下螺紋連接副的最大應力，如圖6所示，經(jīng)分析可知，錨桿和螺母螺紋連接副最大應力的大小主要受連接副間隙的影響，隨著配合間隙的增大，螺紋連接副的最大應力值呈下降趨勢。

圖6 不同公差配合在100 MPa～600 MPa拉力作用下產(chǎn)生的最大應力

3 連接強度試驗

3.1 試樣加工

由圖3和圖4可知，MGA系列圓弧螺紋錨桿與螺母配合的最大嚙合高度設計值為2.61 mm，最小嚙合高度設計值為1.74 mm，如圖7所示，其設計間隙為0.19 mm～1.06 mm。

為研究圓弧螺紋連接副在不同公差配合下螺紋連接強度，分別針對錨桿和螺母加工不同公差的樣件，通過試驗測試的手段研究螺紋連接副在極限偏差情況下的承載力情況。準備2種外徑尺寸（Φ35 mm、Φ34.5 mm）的棒料，以桿徑Φ35的棒料為基準，滾絲機滾刀一次調(diào)整到位后，依次滾制各種偏差的棒料，加工好的不同公差的錨桿樣件如圖8所示。另外再加工2種公差尺寸規(guī)格的螺母，對各種公差配合組合情況下的錨桿組件進行張拉試驗，研究圓弧螺紋承載特性和連接強度，各種組合如表3所示。

表3 各種組合情況下的配合

3.2 試驗情況

圖7 設計最大嚙合高度

圖8 兩種偏差棒料的加工結果

圖9 錨桿張拉試驗張拉載荷-位移圖（試驗序號09）

針對桿徑為Φ35 mm、Φ34.5 mm的錨桿和兩種尺寸規(guī)格的螺母，共進行了17次張拉試驗，施加不同的張拉載荷，記錄張拉載荷與錨桿伸長量，圖 9為張拉載荷-位移變形圖。試驗情況匯總如表 4所示。

由表4可以看出，不同嚙合高度的螺紋連接副在張拉載荷超過600 kN之后開始出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，設計的嚙合高度是1.74 mm～2.61 mm，在超出設計嚙合高度的各種極限偏差情況下（實際嚙合高度為0.4 mm～1.9mm）螺紋牙型均能承受至少700 kN的拉伸載荷而未破壞。針對嚙合高度為1.4 mm的錨桿進行了破壞性試驗（試驗序號為9），錨桿在張拉載荷為765 kN時斷裂，斷裂部位為錨桿螺紋小徑處（圖 10），錨桿與螺母配合處牙型均未見損壞，說明螺紋連接強度高于錨桿桿體的抗拉強度。

表4 錨桿張拉試驗匯總情況

4 結論

本文以應用于預應力風基礎錨桿的圓弧螺紋為例，選擇不同公差配合下的錨桿和螺母連接副，分別采用仿真計算和試驗驗證的方法，研究圓弧螺紋的承載特性和連接強度，結論如下：

1）錨桿和螺母螺紋連接副最大應力的大小與螺紋連接副配合間隙有關，隨著配合間隙的增大，螺紋連接副的最大應力值呈下降趨勢，在滿足使用要求的前提下，可適當增大配合間隙。

2）錨桿和螺母組成的螺紋連接副承載性能十分優(yōu)異，在超出設計極限偏差的情況下螺紋連接強度仍能滿足使用要求，說明實際應用的MGA系列圓弧螺紋公差設計合理，安全裕度大。

3）錨桿和螺母組成的螺紋連接副的螺紋連接強度要高于錨桿桿體的抗拉強度，連接副的受力薄弱部位在錨桿小徑部位。