中厚度板軋機(jī)壓下螺母承載特性研究

丁 鋼 張海成

(1：山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司 山東萊蕪 271104；2：河鋼唐鋼高強(qiáng)汽車(chē)板有限公司 河北唐山 063021)

1 前言

板坯軋機(jī)、中厚板軋機(jī)等為了降低成本一般采用電動(dòng)壓下裝置，其適用于輥縫調(diào)整范圍大、壓下速度快的情況，其結(jié)構(gòu)主要由壓下螺絲、壓下螺母、渦輪軸等組成[1-2]。

在軋機(jī)軋制過(guò)程中，壓下螺絲、壓下螺母的剛度及變形方式不同，經(jīng)常承受咬鋼、拋鋼等沖擊載荷，并普遍存在螺紋牙間承載不均勻，螺紋牙根部應(yīng)力集中等問(wèn)題。研究表明，壓下螺母兩端的前三圈旋合螺牙大約承受了總載荷的60%～70%[3]。軋機(jī)壓下螺母在循環(huán)重載的工況下工作，容易產(chǎn)生因制造、使用或材料本身缺陷所導(dǎo)致的裂紋，會(huì)造成局部特別是加載端旋合前幾圈螺牙根部較大的應(yīng)力集中，隨著載荷的循環(huán)次數(shù)增加，裂紋會(huì)不斷擴(kuò)展從而引起失穩(wěn)性的斷裂；同時(shí)，壓下螺母的螺牙面承受重載，經(jīng)常出現(xiàn)磨損和疲勞損壞，縮短螺紋副的使用壽命，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[4]。

研究對(duì)象是針對(duì)的某企業(yè)的四輥小型軋機(jī)上的壓下螺母與壓下螺絲，如圖1所示，壓下螺母的材料為銅合金，壓下螺絲的材料為合金鋼，在工作過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)壓下螺紋副的變形和螺牙出現(xiàn)裂紋。

(a)壓下螺絲 (b)壓下螺母圖1 壓下螺絲和壓下螺母

2 壓下螺紋副受力分析

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)壓下螺母與壓下螺絲不同的失效形式，通常采用兩種不同的材料分別制造壓下螺母與壓下螺絲。壓下螺絲通常采用合金鋼。壓下螺母一般要求耐磨耐蝕及很高的力學(xué)性能，通常采用高強(qiáng)度銅合金，壓下螺母造價(jià)較高且容易發(fā)生失效[5]。

而研究如何降低軋機(jī)壓下螺母兩端螺牙的載荷不均勻程度，降低載荷峰值，將大幅度提高其疲勞極限裕度，提高牙面疲勞壽命。

軋機(jī)的壓下螺母螺牙在承受載荷時(shí)，可以等效為為一端固定，另一端是懸置的梯形截面橫梁[6]，根據(jù)懸臂梁的受力分析，可知壓下螺母的最大等效應(yīng)力是在螺牙的根部。

螺紋在承受載荷時(shí)，螺牙會(huì)產(chǎn)生各種彈性變形，主要包括彎曲導(dǎo)致的牙根變形，牙根傾斜，以及受徑向力引起的牙形變形等[7]。為了分析壓下螺母的具體受力情況和進(jìn)行改善，進(jìn)行了如下的分析和改進(jìn)。

3 普通壓下螺母有限元建模和受力分析

1) 模型建立

針對(duì)某企業(yè)的中厚度板軋機(jī)的壓下螺母進(jìn)行了研究，依據(jù)壓下螺母的螺牙參數(shù)建立了壓下螺紋副的三維模型，其模型剖視圖如圖2所示，并對(duì)壓下螺母和螺絲的剖切面施加對(duì)稱面位移約束，對(duì)壓下螺絲施加的軸向均布載荷[7-8]。

圖2 普通壓下螺母的螺紋副三維模型

2) 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

通過(guò)ANSYS有限元分析軟件模擬計(jì)算后，可以得到螺紋副及螺母的等效應(yīng)力結(jié)果，等效應(yīng)力云圖如圖3。從模擬計(jì)算結(jié)果中可以看出：普通壓下螺母載荷分布極不均勻，壓下螺母兩端的螺牙承受了較大的載荷，且最大載荷發(fā)生在螺牙根部；壓下螺母基體的最大等效應(yīng)力發(fā)生在壓下螺母的止推端；壓下螺絲的最大等效應(yīng)力大于壓下螺母的最大等效應(yīng)力。

由于螺母材料的屈服極限遠(yuǎn)低于螺絲材料的屈服極限[9]，上述載荷分布的不均勻性對(duì)螺母造成疲勞破壞相對(duì)于螺絲而言更加明顯，因此分析壓下螺母的載荷分布更具有意義。

圖3 普通壓下螺紋副及螺母的有限元計(jì)算結(jié)果

4 復(fù)合壓下螺母的分析

1) 復(fù)合壓下螺紋副的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)壓下螺母基體直徑減小時(shí)，在壓下螺母近載荷端部的螺母螺牙根部的等效應(yīng)力將隨著減小，因此在構(gòu)造復(fù)合壓下螺紋副時(shí)，必須減少壓下螺母近載荷端部的剛度，這樣有利于壓下螺母近載荷端的螺牙根部的等效應(yīng)力趨于均勻。通過(guò)提取壓下螺母最外圈的軸向彈性應(yīng)變和徑向彈性應(yīng)變，可以得出壓下螺母在壓下螺絲的加載下的變形形狀為上端縮小而下端擴(kuò)大的趨勢(shì)。因此其螺牙根部的等效應(yīng)力也隨著增大，為了改善壓下螺母下端螺牙面變形后的幾何形狀，減少其螺牙根部的等效應(yīng)力，必須抑制壓下螺母下端的徑向外擴(kuò)的應(yīng)變形式。

通過(guò)上述分析，對(duì)軋機(jī)普通壓下螺紋副的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2) 改進(jìn)后有限元分析計(jì)算

確定幾何尺寸后對(duì)復(fù)合壓下螺紋副進(jìn)行有限元計(jì)算，單元及接觸定義與普通壓下螺母計(jì)算一致，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 復(fù)合壓下螺母的螺紋副三維模型

圖5 復(fù)合壓下螺紋副及螺母的有限元計(jì)算結(jié)果

從圖5的計(jì)算結(jié)果可以看出：利用加裝鋼套抑制普通壓下螺母下端的徑向應(yīng)變，同時(shí)能夠?qū)⒉糠州d荷傳遞給壓下螺母中間部位的螺牙，可以削減壓下螺母上端應(yīng)力以降低其剛度；復(fù)合壓下螺母承載分布的均勻性優(yōu)于普通壓下螺母，且在螺牙根部上的等效應(yīng)力沿周向的分布具有較好的線性。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

測(cè)量螺紋副螺牙根部實(shí)驗(yàn)的方法主要有光彈法和電測(cè)法[10]。光彈法可以獲得螺紋承載分布的第一主應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)，但光彈模型的制作、加載凍結(jié)、凍結(jié)模型切片、切片偏振光場(chǎng)處理等過(guò)程精度要求高，實(shí)驗(yàn)步驟繁瑣，因而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本高昂。軋機(jī)壓下螺紋副的實(shí)驗(yàn)主要是電測(cè)法。為了驗(yàn)證有限元仿真分析的正確性，對(duì)壓下螺紋副進(jìn)行了和模擬仿真相同載荷下的實(shí)際測(cè)試，采用電阻應(yīng)變片電路和靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)試壓下螺母的軸向應(yīng)變。加載實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。

圖6 復(fù)合壓下螺母加載實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比，如圖7所示，結(jié)果接驗(yàn)證了復(fù)合壓下螺母與改進(jìn)壓下螺母有限元模型的可靠性。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論

1)針對(duì)普通壓下螺母承載分布出現(xiàn)不均勻造成螺紋副的損壞進(jìn)行了分析，并建立了有限元模型進(jìn)行加載模擬試驗(yàn)，得出了壓下螺母的螺紋副載荷分布分布情況。

2)提出了可改變局部剛度分布的復(fù)合壓下螺母結(jié)構(gòu)，利用加裝鋼套抑制普通壓下螺母下端的徑向應(yīng)變，同時(shí)將部分載荷傳遞給壓下螺母中間部位的螺牙，削減壓下螺母上端以降低其剛度，并通過(guò)有限元仿真驗(yàn)證了復(fù)合壓下螺母的優(yōu)點(diǎn)。

3)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)于給出的復(fù)合壓下螺母結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明此結(jié)構(gòu)的合理性和驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性。

此次改造成功的改善了普通壓下螺母螺牙根部應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象，改造過(guò)程中先利用計(jì)算機(jī)仿真軟件，得到了改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的受力情況合理性，仿真中得到的數(shù)據(jù)為實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造提供了重要依據(jù)。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，不但可以縮短開(kāi)發(fā)周期， 而且設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率都可以得到提高，可以為類(lèi)似產(chǎn)品開(kāi)發(fā)或改造提供借鑒。