螺紋露扣問題的力學(xué)分析

陳飛　李樹棟　梁雯雯　楊曉云　鄭曉倩

摘 ? 要： 根據(jù)機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/ZQ 4247-2006，對于地鐵車輛，螺栓與螺母聯(lián)接時末端長度至少要露出2～3扣。以M6螺栓為例，應(yīng)用ABAQUS軟件，對螺栓與螺紋塊聯(lián)接在8種不同工況下的力學(xué)性能進行分析，就螺栓與螺紋塊聯(lián)接時是否也應(yīng)滿足此露扣技術(shù)要求、應(yīng)力效果等展開討論。應(yīng)用米塞斯應(yīng)力云圖研究表明：同一厚度的螺紋塊與螺栓聯(lián)接時，在滿足漏扣標(biāo)準(zhǔn)的情況下，螺紋塊與螺栓受力均勻，承載穩(wěn)定;對于不同厚度的螺紋塊，通過減小螺紋塊的厚度來達(dá)到漏扣要求會導(dǎo)致螺栓受力變大，不可取。在螺栓設(shè)計與制造中，應(yīng)該嚴(yán)格參照機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/ZQ 4247-2006執(zhí)行螺紋露扣相關(guān)要求。

關(guān)鍵詞： 螺紋露扣;地鐵車輛;機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);JB/ZQ 4247-2006;螺栓;螺紋塊;米塞斯應(yīng)力

中圖分類號：U213.5+2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ?文章編號：2095-8412 （2020） 04-050-04

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.009

引言

螺栓聯(lián)接在城軌地鐵車輛生產(chǎn)過程中應(yīng)用非常廣泛。目前，地鐵車輛中常用的緊固件有：螺栓、螺釘和螺柱，這些螺栓的設(shè)計與制造都是依據(jù)機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《普通螺紋、外螺紋余留長度，鉆孔余留深度，螺栓突出螺母的末端長度》（JB/ZQ 4247-2006）來執(zhí)行的[1]?，F(xiàn)摘錄不同螺距下普通螺紋內(nèi)、外螺紋余留長度，鉆孔余留深度，螺栓突出螺母的末端長度的數(shù)據(jù)選取表格，如圖1所示。從圖1可以看出：對于常用于地鐵車輛的不同螺距及螺紋直徑的螺栓，其末端長度至少要露出2～3扣。那么露出2～3扣的好處是什么呢？在地鐵車輛生產(chǎn)過程中，除了螺栓與螺母的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，還有一些其他的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，比如螺栓與螺紋塊的聯(lián)接結(jié)構(gòu)，它們是否也應(yīng)該滿足露出2～3扣的要求呢？

本文從機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/ZQ 4247-2006中的露扣要求以及螺栓與螺紋塊出發(fā)，對標(biāo)準(zhǔn)和實際工程中技術(shù)符合性進行分析和討論。主要研究內(nèi)容：以M6螺栓與螺紋塊為研究對象，選取不同厚度的螺紋塊;以標(biāo)準(zhǔn)扭力矩將螺栓與螺紋塊緊固，比較應(yīng)力狀態(tài);探討螺栓與螺紋塊聯(lián)接時露扣不同的情形下的受力情況。

1 ?有限元分析

1.1 ?材料屬性

JB/ZQ 4247-2006屬于重載機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，適用于地鐵組裝制造過程，對于地鐵車輛普通螺紋、外螺紋余留長度，鉆孔余留深度，螺栓突出螺母的末端長度等的應(yīng)用情況具有相應(yīng)的指導(dǎo)作用，尤其在地鐵車輛使用較多的M6大小的螺紋連接中更是如此。

1.2 ?有限元模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

根據(jù)實際工況，在ABAQUS中建立M6螺栓與不同厚度的螺紋塊（鋁板）聯(lián)接的有限元模型[2]。為了考察螺栓緊固狀態(tài)下螺紋牙的受力狀況，可采用軸對稱二維結(jié)構(gòu)，模型中考慮螺紋配合聯(lián)接時，內(nèi)外螺紋牙頂與牙底之間存在0.02 mm間隙。本次仿真共建立了8種不同組合的有限元模型。螺紋配合部分網(wǎng)格細(xì)節(jié)構(gòu)造如圖2所示。

1.3 ?載荷及約束

約束鋁板邊界6個方向的自由度，在螺栓受預(yù)緊力截面設(shè)置軸心參考點[3]，并將截面與該點進行耦合，約束軸向自由度，同時約束參考點除軸線外的其他自由度。螺栓參考點加載集中拉應(yīng)力（M6螺栓預(yù)緊力）為7 200 N[4]。有限元模型約束與載荷示意如圖3所示。

2 ?計算結(jié)果與討論

依次對每個模型進行有限元分析，以米塞斯（Mises）應(yīng)力作為考察的物理場。米塞斯應(yīng)力是第四強度理論中的等效應(yīng)力[5]，能夠很好地反映整體的應(yīng)力狀態(tài)。經(jīng)過計算，得到8種模型的米塞斯應(yīng)力云圖，如圖4a～4h所示。

由圖4d～4h可以看出：在同一種板厚工況下，應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在螺栓與螺紋塊最開始咬合的位置，其數(shù)值最大為7.8 MPa;漏出1扣和2扣時，螺栓的應(yīng)力值最小，且應(yīng)力分布較均勻，其數(shù)值最大為7.6 MPa;而漏出0扣及沉下1扣和2扣時，螺栓受力不均勻，且主要受力偏向于螺栓與螺紋塊的咬合位置，在長期使用過程中，該位置極易出現(xiàn)螺紋牙斷裂，具有松動的風(fēng)險。

由圖4a～4c可以看出：當(dāng)螺紋塊厚度為6 mm，漏出0扣時，該工況不滿足標(biāo)準(zhǔn)JB/ZQ 4247-2006，但是我們可以減小螺紋塊的厚度，將6 mm的厚度減小為4 mm，此時螺栓可以漏出2扣，這就滿足標(biāo)準(zhǔn)JB/ZQ 4247-2006了。但是由圖4a可以明顯地看出，應(yīng)力值增加了0.22 MPa，應(yīng)力值的增加會加重螺栓和螺紋塊咬合位置的受力，使其使用壽命下降。因此在實際應(yīng)用中通過減小螺紋塊的厚度來達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)JB/ZQ 4247-2006中的漏扣要求是不可取的。

3 ?結(jié)論與討論

通過對M6螺栓在8種不同工況下的受力分析可以得出：

（1）對于同一厚度的螺紋塊，在滿足標(biāo)準(zhǔn)JB/ZQ 4247-2006中規(guī)定的工況下，螺栓和螺紋塊的受力均勻，承載穩(wěn)定，使用壽命長。

（2）對于不同厚度的螺紋塊，為了滿足標(biāo)準(zhǔn)JB/ZQ 4247-2006而減小螺紋塊的厚度會導(dǎo)致螺栓受力變大。這會使得螺栓螺紋咬合長度減小，從而增加整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力。

（3）在實際生產(chǎn)中，設(shè)計人員應(yīng)該嚴(yán)格選型，并進一步確保螺栓聯(lián)接的可靠性，制造人員應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)JB/ZQ 4247-2006中的規(guī)定來安裝及制造螺栓，保證螺栓聯(lián)接產(chǎn)品值得信賴。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：

陳飛（1987—），通信作者，男，漢族，學(xué)士，高級工程師。主要研究方向：軌道車輛組裝工藝、制造工藝、智能制造。

E-mail： chenfei.nj@crrcgc.cc

（收稿日期：2020-03-26）

Mechanical Analysis on Buckle Issues of Screw Thread

CHEN Fei， LI Shu-dong， LIANG Wen-wen， YANG Xiao-yun， ZHENG Xiao-qian

（CRRC Nanjing Puzhen Vehicle Co.， Ltd.， Nanjing 210031， China）

Abstract： According to the mechanical industry standard JB/ZQ 4247-2006， for metro vehicles， the end length of bolt and nut should be exposed at least 2～3 buckles. Taking M6 bolt as an example， the mechanical properties of bolt and screw threaded block connection under 8 different working conditions are analyzed by using ABAQUS software， whether the connection between bolt and screw threaded block should also meet such a buckle requirement is discussed.. The results of Mises stress nephogram show that when the screw threaded block with the same thickness is connected with the bolt， the screw threaded block and bolt are under uniform stress and stable bearing capacity when meeting the buckle standard; for the screw threaded block with different thicknesses， reducing the thickness of the screw threaded block to meet the buckle requirement will lead to the bolt stress increase， which is not advisable. In the design and manufacture of bolts， it is necessary to strictly refer to the mechanical industry standard JB/ZQ 4247-2006.

Key words： Buckle of Screw Thread; Metro Vehicle; Mechanical Industry Standard; JB/ZQ 4247-2006; Bolt; Screw Threaded Block; Mises Stress