一種預應力機架及其預應力螺紋拉杆裝置製造方法

2023-10-18 06:23:34

一種預應力機架及其預應力螺紋拉杆裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種預應力機架及其預應力螺紋拉杆裝置，該預應力螺紋拉杆裝置包括螺杆和螺母，所述螺杆兩端部具有外螺紋，所述螺母通過其內螺紋與螺杆的外螺紋嚙合，所述外螺紋和內螺紋具有相同的牙型及螺距，所述牙型的牙型角為40～55度且為不對稱牙型，所述外螺紋的根部為一圓弧，所述牙型承壓側的牙側角為10～20度。該預應力螺紋拉杆裝置可有效降低螺紋牙根部的等效應力峰值，且使得各牙間的軸向載荷分布均勻，具有高承載能力和高可靠性，能夠極大程度的減少拉杆斷裂現象，消除現有壓機的拉杆螺紋應力集中問題，延長拉杆的使用壽命，可應用於各種預應力組合機架結構的液壓機，提高液壓機的整體性能和使用壽命。
【專利說明】一種預應力機架及其預應力螺紋拉杆裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及壓機【技術領域】，特別是一種預應力機架及其預應力螺紋拉杆裝置。

【背景技術】
[0002]預應力液壓機機架是通過螺紋拉杆(螺杆)和螺母，將上/下橫梁、立柱連接而成。在動載荷作用下，由於螺紋牙間的載荷分布不均勻性以及應力集中的影響，在嚙合螺紋段承載最大的牙根處容易發生疲勞破壞。在陶瓷壓機、快鍛壓機等高頻次工作的壓機中，拉杆螺紋連接處的疲勞斷裂失效發生機率很高，即使在結構上採用了多種增加螺紋連接強度的措施，包括:懸置螺母、內斜螺紋螺母，增加立柱與拉杆的剛度比等，還往往無法滿足實際的疲勞壽命要求。斷裂部位多發生於拉杆在下橫梁與螺母結合的螺紋根部。
[0003]現有的壓機拉杆普遍採用頂角為45度鋸齒形螺紋，牙根的圓角半徑很小。有限元結果表明:1、牙根的圓角應力集中現象非常嚴重，等效應力都不同程度地超過了材料的屈服強度極限，發生了局部塑性變形現象；2、拉杆螺牙間軸向載荷分布不均勻，造成承載的牙數少，影響著螺紋牙根處的應力分布情況。應力集中和載荷分布不均導致現有拉杆的抗疲勞強度大大降低，是拉杆頻繁斷裂的主要原因。
[0004]壓機拉杆頻繁斷裂，造成維修成本高，當前螺紋拉杆的設計主要圍繞著增強使用壽命等方面展開。例如通過對頂角為60度三角形螺紋採用中徑偏置的方法，以獲得更大過渡圓弧半徑，雖然有利於消除拉杆螺紋高應力集中現象，但存在以下不足，主要表現為:通過對頂角為60度三角形螺採用中徑偏置方法，獲得更大的拉杆螺牙根部過渡圓弧半徑，但拉杆螺牙齒厚變小，螺母齒厚變大，即拉杆螺紋軸向剛度抗彎較差；且該螺紋的螺距較大，在動載荷作用下螺杆外螺紋牙易損壞，螺杆和螺母易鬆動。
實用新型內容
[0005]鑑於現有技術的不足，本實用新型的目的在於提供一種預應力機架及其預應力螺紋拉杆裝置，不僅有效降低螺紋牙根部的等效應力峰值，而且使得牙間軸向載荷均勻分布，消除現有壓機的拉杆螺紋應力集中問題，延長拉杆的使用壽命。
[0006]為了實現上述目的，本實用新型的技術方案一是:一種預應力螺紋拉杆裝置，包括螺杆和螺母，所述螺杆兩端部具有外螺紋，所述螺母通過其內螺紋與螺杆的外螺紋嚙合，所述外螺紋和內螺紋具有相同的牙型及螺距，所述牙型的牙型角為40?55度且為不對稱牙型，所述外螺紋的根部為一圓弧，所述牙型承壓側的牙側角為10?20度。
[0007]優選的，所述牙型的牙型角為45度。
[0008]優選的，所述牙型承壓側的牙側角為14?16度。
[0009]優選的，所述牙型承壓側的牙側角為15度。
[0010]優選的，所述外螺紋和內螺紋的徑向間隙為0.1?0.2mm,軸向間隙為0.2?0.3mmο
[0011]優選的，所述外螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸製造公差均為+ (0.05?0.15)mm ；所述內螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸製造公差均為一(0.05?0.15)mm。
[0012]優選的，所述外螺紋的根部圓弧經過滾壓處理，且滾壓深度大於0.2mm，表面粗糙度優於0.8 μ m。
[0013]為了實現上述目的，本實用新型的技術方案二是:一種預應力機架，包括上橫梁、下橫梁和兩個立柱，兩個立柱分別通過上述的預應力螺紋拉杆裝置將上橫梁和下橫梁連接成預應力組合框架。
[0014]與現有技術相比較，本實用新型具有以下優點:該預應力螺紋拉杆裝置可有效降低螺紋牙根部的等效應力峰值，且使得牙間軸向載荷分布均勻，具有高承載能力和高可靠性，能夠極大程度的減少拉杆斷裂現象，可應用於各種預應力組合機架結構的液壓機，提高液壓機的整體性能和使用壽命。
[0015]下面結合附圖和實施例對本實用新型做進一步的闡述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本實用新型的一種預應力螺紋拉杆裝置的剖視示意圖。
[0017]圖2是本實用新型的螺杆外螺紋的剖視示意圖。
[0018]圖3是本實用新型的螺母內螺紋的剖視示意圖。
[0019]圖4是本實用新型的螺杆外螺紋與螺母內螺紋的嚙合示意圖。
[0020]圖5是標準45度鋸齒形螺紋的嚙合示意圖。
[0021]圖6是牙側角與牙間軸向載荷不均勻係數的關係圖。
[0022]圖7是同等工況下本實用新型與標準牙型拉杆螺紋裝置的軸向載荷分布對比圖。
[0023]圖8是預應力機架的結構示意圖。
[0024]其中，附圖標記說明如下:1、螺杆，2、螺母，P、螺距，Θ、牙型角，r1、本實用新型外螺紋根部圓弧半徑，氏、本實用新型牙型高度，L、螺牙中徑寬，d、外螺紋大徑，屯、外螺紋小徑，d2、外螺紋中徑，D、內螺紋大徑，D1、內螺紋小徑，D2、內螺紋中徑，&、本實用新型內螺紋根部圓角半徑，Π、本實用新型倒角高度，α、本實用新型倒角角度，r(1、標準牙型外螺紋根部圓弧半徑，&、標準牙型內螺紋根部圓角半徑，^、標準牙型高度，％、標準牙型外螺紋齒頂寬度，匕、標準牙型內螺紋齒頂寬度，Q、標準牙型倒角高度，P10、標準牙型螺紋有限元模型，P10_T、本實用新型拉杆螺紋有限元模型。

【具體實施方式】
[0025]如圖1?4所示，一種預應力螺紋拉杆裝置，包括螺杆1和螺母2，所述螺杆1兩端部具有外螺紋，所述螺母2通過其內螺紋與螺杆1的外螺紋嚙合，所述外螺紋和內螺紋具有相同的牙型及螺距，所述牙型的牙型角為40?55度且為不對稱牙型，所述外螺紋的根部為一圓弧，所述牙型承壓側的牙側角為10?20度。
[0026]在本實施例中，所述牙型的牙型角優選45度，其非承壓側牙側角為30度，承壓側牙側角為15度，但並不局限於此。當然，所述牙型的牙型角還可以選用40度、50度、55度等，它們的承壓側牙側角可以選用1Γ16度，特別是15度。在保持牙型角為45度的情況下，通過接觸有限元分析承壓側牙側角的變化對牙間軸向載荷不均勻係數的影響，結果如下:
[0027]從圖6可以看出，當承壓側牙側角從5度變化為15度時，牙間軸向載荷不均勻係數隨著承壓側牙側角的增大而減小，當承壓側牙側角從15度變化為45度時(承壓側牙側角變化到45度時，相當於把原來的鋸齒形螺紋倒過來安裝)，牙間軸向載荷不均勻係數隨著承壓側牙側角的增大而增大。因此，承壓側牙側角選用1(Γ20度比較合理，其中承壓側牙側角為15度左右時，螺紋牙間軸向載荷不均勻係數最小。
[0028]在本實施例中，所述外螺紋的根部圓弧經過滾壓處理，且滾壓深度大於0.2mm，表面粗糙度優於0.8 μ m。所述外螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸製造公差均為+ (0.05?0.15)mm;所述內螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸製造公差均為一(0.05?0.15)mm。所述外螺紋和內螺紋的徑向間隙為0.1?0.2mm,軸向間隙為0.2?0.3mm。
[0029]在本實施例中，為了避免外螺紋與內螺紋發生幹涉，分別對外螺紋和內螺紋進行倒角和倒圓(倒角高度η、倒角角度α、圓角半徑&根據不同螺距進行調整)，具體是外螺紋和內螺紋的承壓側牙側頂部均設有倒角，所述內螺紋的承壓側牙側根部設有倒圓角。
[0030]在本實施例中，該預應力螺紋拉杆裝置製造方法，包括以下步驟:
[0031](1)選取牙型角40?55度、承壓側牙側角為10?20度，在螺杆1兩端部製作出牙型不對稱的外螺紋，所述外螺紋的根部通過一圓弧過渡；
[0032](2)根據螺杆1外螺紋的牙型，在螺母2內側製作出相同牙型、牙型角、牙側角和螺距的內螺紋；
[0033](3)通過螺母2的內螺紋與螺杆1的外螺紋嚙合。
[0034]在本實施例中，請參考圖5，所述螺杆1外螺紋牙型的設計思路是通過標準45度鋸齒牙型變形得到，具體操作如下:保持標準45度鋸齒形螺紋的大徑(d、D)、中徑(d2、D2)、小徑(dpDi)、牙型角θ(θ可以選取在40?55度之間，且以45度為優選)和螺牙中徑寬L不變的前提下，將牙型逆時針旋轉15度得到不對稱牙型，外螺紋與內螺紋配合是保證徑向間隙為0.1?0.2mm、軸向間隙為0.2?0.3mm。通過上述結構設計,該牙型為頂角45度的不對稱牙型，且外螺紋根部圓弧半徑^比原來的大，可使得外螺紋的應力幅度減小，尤其能夠降低外螺紋根部的應力集中，延長拉杆壽命。
[0035]在本實施例中，通過對不同螺距P的標準45度鋸齒牙型變形，可得不同螺距P的本實用新型牙型，適用於各種拉杆螺紋。其中，螺距P的取值與螺杆1外螺紋的大徑d有關，外螺紋的大徑d大，則螺距P也應取大，螺距P的取值可根據外螺紋大徑d大小查找標準手冊得到。例如，對於d為320mm的螺杆1，螺距P可選取10mm。為了避免外螺紋與內螺紋發生幹涉，分別對外螺紋和內螺紋進行倒角和倒圓(倒角高度Π、倒角角度α、圓角半徑札根據不同螺距進行調整)，具體是外螺紋和內螺紋的承壓側牙側頂部均設有倒角，所述內螺紋的承壓側牙側根部設有倒圓角。
[0036]在本實施例中，為了進一步提高拉杆抗疲勞強度，應保證拉杆的製造精度，要求如下:
[0037]1)步驟(1)和(2)中，所述螺杆1和螺母2的鋼材應採用優質合金結構鋼，經電爐煉鋼，並經爐外精煉和真空除氣處理。
[0038]2)步驟(1)中，對螺杆1進行超聲波探傷檢驗，對螺杆1外圓表面全部進行磁粉探傷檢驗，確保螺杆1金屬材料內部和外表無裂紋或缺陷。
[0039]3)步驟(1)中，所述外螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸製造公差均為+ (0.05?0.15)mm;步驟(2)中，所述內螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸製造公差均為一(0.05?0.15)mmD
[0040]4)步驟(I)中，所述外螺紋根部圓弧應經滾壓處理，滾壓深度> 0.2mm，表面粗糙度優於0.8 μ m。
[0041 ] 5)步驟(3)中，確保外螺紋與內螺紋配合一致，保證徑向間隙為0.1?0.2mm、軸向間隙為0.2?0.3mmο
[0042]以下結合具體實例進行說明，本實例螺杆I外螺紋的大徑d=320mm，根據上述的操作，可得到拉杆的外螺紋和內螺紋的基本參數:P=1mm, H1=Il.83mm, Θ =45° ；d=320mm,Cl1= 308.5mm, d2= 315mm, L=5mm, r^l.72mm ；D=320.2mm, D1=SlOmm, D2=315mm ； η =0.74mm,a =45°，R1=Imnin
[0043]根據某型陶瓷壓機拉杆螺紋連接的具體結構，採用有限元法，在相同工況下建立能考慮材料的彈塑性、幾何大變形和接觸等非線性特性的螺紋連接軸對稱模型。對螺距P=1mm的標準45°鋸齒形螺紋以及本實例牙型，進行計算分析和比較研究。分析結果以螺杆I頭三對承載牙根部最大應力為例，本實用新型螺杆I牙根部最大Mises等效應力分別為:488.1MPa,468.5MPa，476.4MPa ;最大第一主應力分別為:599.8MPa, 579.2MPa,597.2MPa。而牙型為標準450鋸齒形螺杆I牙根部最大Mises等效應力分別為:495.4MPa，509MPa,497.6MPa ;最大第一主應力分別為:617.5MPa,640.6MPa,624.7MPa。表明本實用新型螺紋應力分布較均勻，且有效降低螺紋牙根部的Mises等效應力及第一主應力峰值。圖7為同等工況下本實用新型與標準牙型拉杆螺紋裝置的軸向載荷分布對比圖，從圖中可得本實用新型拉杆螺紋牙間軸向載荷分布較均勻。
[0044]如圖8所示，一種預應力機架，包括上橫梁3、下橫梁4和兩個立柱5，兩個立柱5分別通過上述的預應力螺紋拉杆裝置(包括螺杆I和螺母2)將上橫梁3和下橫梁4連接成預應力組合框架，該預應力螺紋拉杆裝置的螺杆I中部穿過立柱5，兩端部分別從上橫梁3和下橫梁4伸出，並分別由螺母2鎖緊。
[0045]本實用新型的預應力螺紋拉杆裝置可有效降低螺紋牙根部的等效應力峰值，且使得牙間軸向載荷分布均勻，具有高承載能力和高可靠性，能夠極大程度的減少拉杆斷裂現象，可應用於各種預應力組合機架結構的液壓機，提高液壓機的整體性能和使用壽命。
[0046]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本實用新型的涵蓋範圍。
【權利要求】
1.一種預應力螺紋拉杆裝置，包括螺杆和螺母，所述螺杆兩端部具有外螺紋，所述螺母通過其內螺紋與螺杆的外螺紋嚙合，所述外螺紋和內螺紋具有相同的牙型及螺距，其特徵在於:所述牙型的牙型角為40?55度且為不對稱牙型，所述外螺紋的根部為一圓弧，所述牙型承壓側的牙側角為10?20度。
2.根據權利要求1所述的預應力螺紋拉杆裝置，其特徵在於:所述牙型的牙型角為45度。
3.根據權利要求1所述的預應力螺紋拉杆裝置，其特徵在於:所述牙型承壓側的牙側角為14?16度。
4.根據權利要求1或3所述的預應力螺紋拉杆裝置，其特徵在於:所述牙型承壓側的牙側角為15度。
5.根據權利要求1、2或3所述的預應力螺紋拉杆裝置，其特徵在於:所述外螺紋和內螺紋的徑向間隙為0.1?0.2mm,軸向間隙為0.2?0.3mm。
6.根據權利要求1、2或3所述的預應力螺紋拉杆裝置，其特徵在於:所述外螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸製造公差均為+ (0.05?0.15)mm ;所述內螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸製造公差均為一 (0.05?0.15)_。
7.根據權利要求1、2或3所述的預應力螺紋拉杆裝置，其特徵在於:所述外螺紋的根部圓弧經過滾壓處理，且滾壓深度大於0.2mm,表面粗糙度優於0.8 μ m。
8.一種預應力機架，包括上橫梁、下橫梁和兩個立柱，其特徵在於:兩個立柱分別通過權利要求1至7中任一所述的預應力螺紋拉杆裝置將上橫梁和下橫梁連接成預應力組合框架。
【文檔編號】B30B15/04GK204183940SQ201420305153
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年6月10日 優先權日:2014年6月10日
【發明者】林謝昭, 施躍文, 林秋偉, 王琳 申請人:福建海源自動化機械股份有限公司