一種預(yù)應(yīng)力機(jī)架及其預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種預(yù)應(yīng)力機(jī)架及其預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，該預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置包括螺桿和螺母，所述螺桿兩端部具有外螺紋，所述螺母通過其內(nèi)螺紋與螺桿的外螺紋嚙合，所述外螺紋和內(nèi)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(cè)的牙側(cè)角為10～20度。該預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置可有效降低螺紋牙根部的等效應(yīng)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桿斷裂現(xiàn)象，消除現(xiàn)有壓機(jī)的拉桿螺紋應(yīng)力集中問題，延長拉桿的使用壽命，可應(yīng)用于各種預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架結(jié)構(gòu)的液壓機(jī)，提高液壓機(jī)的整體性能和使用壽命。
【專利說明】一種預(yù)應(yīng)力機(jī)架及其預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及壓機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種預(yù)應(yīng)力機(jī)架及其預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]預(yù)應(yīng)力液壓機(jī)機(jī)架是通過螺紋拉桿(螺桿)和螺母，將上/下橫梁、立柱連接而成。在動(dòng)載荷作用下，由于螺紋牙間的載荷分布不均勻性以及應(yīng)力集中的影響，在嚙合螺紋段承載最大的牙根處容易發(fā)生疲勞破壞。在陶瓷壓機(jī)、快鍛壓機(jī)等高頻次工作的壓機(jī)中，拉桿螺紋連接處的疲勞斷裂失效發(fā)生機(jī)率很高，即使在結(jié)構(gòu)上采用了多種增加螺紋連接強(qiáng)度的措施，包括:懸置螺母、內(nèi)斜螺紋螺母，增加立柱與拉桿的剛度比等，還往往無法滿足實(shí)際的疲勞壽命要求。斷裂部位多發(fā)生于拉桿在下橫梁與螺母結(jié)合的螺紋根部。
[0003]現(xiàn)有的壓機(jī)拉桿普遍采用頂角為45度鋸齒形螺紋，牙根的圓角半徑很小。有限元結(jié)果表明:1、牙根的圓角應(yīng)力集中現(xiàn)象非常嚴(yán)重，等效應(yīng)力都不同程度地超過了材料的屈服強(qiáng)度極限，發(fā)生了局部塑性變形現(xiàn)象；2、拉桿螺牙間軸向載荷分布不均勻，造成承載的牙數(shù)少，影響著螺紋牙根處的應(yīng)力分布情況。應(yīng)力集中和載荷分布不均導(dǎo)致現(xiàn)有拉桿的抗疲勞強(qiáng)度大大降低，是拉桿頻繁斷裂的主要原因。
[0004]壓機(jī)拉桿頻繁斷裂，造成維修成本高，當(dāng)前螺紋拉桿的設(shè)計(jì)主要圍繞著增強(qiáng)使用壽命等方面展開。例如通過對頂角為60度三角形螺紋采用中徑偏置的方法，以獲得更大過渡圓弧半徑，雖然有利于消除拉桿螺紋高應(yīng)力集中現(xiàn)象，但存在以下不足，主要表現(xiàn)為:通過對頂角為60度三角形螺采用中徑偏置方法，獲得更大的拉桿螺牙根部過渡圓弧半徑，但拉桿螺牙齒厚變小，螺母齒厚變大，即拉桿螺紋軸向剛度抗彎較差；且該螺紋的螺距較大，在動(dòng)載荷作用下螺桿外螺紋牙易損壞，螺桿和螺母易松動(dòng)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種預(yù)應(yīng)力機(jī)架及其預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，不僅有效降低螺紋牙根部的等效應(yīng)力峰值，而且使得牙間軸向載荷均勻分布，消除現(xiàn)有壓機(jī)的拉桿螺紋應(yīng)力集中問題，延長拉桿的使用壽命。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案一是:一種預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，包括螺桿和螺母，所述螺桿兩端部具有外螺紋，所述螺母通過其內(nèi)螺紋與螺桿的外螺紋嚙合，所述外螺紋和內(nèi)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(cè)的牙側(cè)角為10?20度。
[0007]優(yōu)選的，所述牙型的牙型角為45度。
[0008]優(yōu)選的，所述牙型承壓側(cè)的牙側(cè)角為14?16度。
[0009]優(yōu)選的，所述牙型承壓側(cè)的牙側(cè)角為15度。
[0010]優(yōu)選的，所述外螺紋和內(nèi)螺紋的徑向間隙為0.1?0.2mm,軸向間隙為0.2?0.3mmο
[0011]優(yōu)選的，所述外螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸制造公差均為+ (0.05?0.15)mm ；所述內(nèi)螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸制造公差均為一(0.05?0.15)mm。
[0012]優(yōu)選的，所述外螺紋的根部圓弧經(jīng)過滾壓處理，且滾壓深度大于0.2mm，表面粗糙度優(yōu)于0.8 μ m。
[0013]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案二是:一種預(yù)應(yīng)力機(jī)架，包括上橫梁、下橫梁和兩個(gè)立柱，兩個(gè)立柱分別通過上述的預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置將上橫梁和下橫梁連接成預(yù)應(yīng)力組合框架。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):該預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置可有效降低螺紋牙根部的等效應(yīng)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桿斷裂現(xiàn)象，可應(yīng)用于各種預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架結(jié)構(gòu)的液壓機(jī)，提高液壓機(jī)的整體性能和使用壽命。
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的闡述。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本實(shí)用新型的一種預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置的剖視示意圖。
[0017]圖2是本實(shí)用新型的螺桿外螺紋的剖視示意圖。
[0018]圖3是本實(shí)用新型的螺母內(nèi)螺紋的剖視示意圖。
[0019]圖4是本實(shí)用新型的螺桿外螺紋與螺母內(nèi)螺紋的嚙合示意圖。
[0020]圖5是標(biāo)準(zhǔn)45度鋸齒形螺紋的嚙合示意圖。
[0021]圖6是牙側(cè)角與牙間軸向載荷不均勻系數(shù)的關(guān)系圖。
[0022]圖7是同等工況下本實(shí)用新型與標(biāo)準(zhǔn)牙型拉桿螺紋裝置的軸向載荷分布對比圖。
[0023]圖8是預(yù)應(yīng)力機(jī)架的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]其中，附圖標(biāo)記說明如下:1、螺桿，2、螺母，P、螺距，Θ、牙型角，r1、本實(shí)用新型外螺紋根部圓弧半徑，氏、本實(shí)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(nèi)螺紋大徑，D1、內(nèi)螺紋小徑，D2、內(nèi)螺紋中徑，&、本實(shí)用新型內(nèi)螺紋根部圓角半徑，Π、本實(shí)用新型倒角高度，α、本實(shí)用新型倒角角度，r(1、標(biāo)準(zhǔn)牙型外螺紋根部圓弧半徑，&、標(biāo)準(zhǔn)牙型內(nèi)螺紋根部圓角半徑，^、標(biāo)準(zhǔn)牙型高度，％、標(biāo)準(zhǔn)牙型外螺紋齒頂寬度，匕、標(biāo)準(zhǔn)牙型內(nèi)螺紋齒頂寬度，Q、標(biāo)準(zhǔn)牙型倒角高度，P10、標(biāo)準(zhǔn)牙型螺紋有限元模型，P10_T、本實(shí)用新型拉桿螺紋有限元模型。

【具體實(shí)施方式】
[0025]如圖1?4所示，一種預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，包括螺桿1和螺母2，所述螺桿1兩端部具有外螺紋，所述螺母2通過其內(nèi)螺紋與螺桿1的外螺紋嚙合，所述外螺紋和內(nèi)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(cè)的牙側(cè)角為10?20度。
[0026]在本實(shí)施例中，所述牙型的牙型角優(yōu)選45度，其非承壓側(cè)牙側(cè)角為30度，承壓側(cè)牙側(cè)角為15度，但并不局限于此。當(dāng)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(cè)牙側(cè)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(cè)牙側(cè)角的變化對牙間軸向載荷不均勻系數(shù)的影響，結(jié)果如下:
[0027]從圖6可以看出，當(dāng)承壓側(cè)牙側(cè)角從5度變化為15度時(shí)，牙間軸向載荷不均勻系數(shù)隨著承壓側(cè)牙側(cè)角的增大而減小，當(dāng)承壓側(cè)牙側(cè)角從15度變化為45度時(shí)(承壓側(cè)牙側(cè)角變化到45度時(shí)，相當(dāng)于把原來的鋸齒形螺紋倒過來安裝)，牙間軸向載荷不均勻系數(shù)隨著承壓側(cè)牙側(cè)角的增大而增大。因此，承壓側(cè)牙側(cè)角選用1(Γ20度比較合理，其中承壓側(cè)牙側(cè)角為15度左右時(shí)，螺紋牙間軸向載荷不均勻系數(shù)最小。
[0028]在本實(shí)施例中，所述外螺紋的根部圓弧經(jīng)過滾壓處理，且滾壓深度大于0.2mm，表面粗糙度優(yōu)于0.8 μ m。所述外螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸制造公差均為+ (0.05?0.15)mm;所述內(nèi)螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸制造公差均為一(0.05?0.15)mm。所述外螺紋和內(nèi)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(shí)施例中，為了避免外螺紋與內(nèi)螺紋發(fā)生干涉，分別對外螺紋和內(nèi)螺紋進(jìn)行倒角和倒圓(倒角高度η、倒角角度α、圓角半徑&根據(jù)不同螺距進(jìn)行調(diào)整)，具體是外螺紋和內(nèi)螺紋的承壓側(cè)牙側(cè)頂部均設(shè)有倒角，所述內(nèi)螺紋的承壓側(cè)牙側(cè)根部設(shè)有倒圓角。
[0030]在本實(shí)施例中，該預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置制造方法，包括以下步驟:
[0031](1)選取牙型角40?55度、承壓側(cè)牙側(cè)角為10?20度，在螺桿1兩端部制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(jù)螺桿1外螺紋的牙型，在螺母2內(nèi)側(cè)制作出相同牙型、牙型角、牙側(cè)角和螺距的內(nèi)螺紋；
[0033](3)通過螺母2的內(nèi)螺紋與螺桿1的外螺紋嚙合。
[0034]在本實(shí)施例中，請參考圖5，所述螺桿1外螺紋牙型的設(shè)計(jì)思路是通過標(biāo)準(zhǔn)45度鋸齒牙型變形得到，具體操作如下:保持標(biāo)準(zhǔn)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(yōu)選)和螺牙中徑寬L不變的前提下，將牙型逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)15度得到不對稱牙型，外螺紋與內(nèi)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),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(yīng)力幅度減小，尤其能夠降低外螺紋根部的應(yīng)力集中，延長拉桿壽命。
[0035]在本實(shí)施例中，通過對不同螺距P的標(biāo)準(zhǔn)45度鋸齒牙型變形，可得不同螺距P的本實(shí)用新型牙型，適用于各種拉桿螺紋。其中，螺距P的取值與螺桿1外螺紋的大徑d有關(guān)，外螺紋的大徑d大，則螺距P也應(yīng)取大，螺距P的取值可根據(jù)外螺紋大徑d大小查找標(biāo)準(zhǔn)手冊得到。例如，對于d為320mm的螺桿1，螺距P可選取10mm。為了避免外螺紋與內(nèi)螺紋發(fā)生干涉，分別對外螺紋和內(nèi)螺紋進(jìn)行倒角和倒圓(倒角高度Π、倒角角度α、圓角半徑札根據(jù)不同螺距進(jìn)行調(diào)整)，具體是外螺紋和內(nèi)螺紋的承壓側(cè)牙側(cè)頂部均設(shè)有倒角，所述內(nèi)螺紋的承壓側(cè)牙側(cè)根部設(shè)有倒圓角。
[0036]在本實(shí)施例中，為了進(jìn)一步提高拉桿抗疲勞強(qiáng)度，應(yīng)保證拉桿的制造精度，要求如下:
[0037]1)步驟(1)和(2)中，所述螺桿1和螺母2的鋼材應(yīng)采用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)電爐煉鋼，并經(jīng)爐外精煉和真空除氣處理。
[0038]2)步驟(1)中，對螺桿1進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)，對螺桿1外圓表面全部進(jìn)行磁粉探傷檢驗(yàn)，確保螺桿1金屬材料內(nèi)部和外表無裂紋或缺陷。
[0039]3)步驟(1)中，所述外螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸制造公差均為+ (0.05?0.15)mm;步驟(2)中，所述內(nèi)螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸制造公差均為一(0.05?0.15)mmD
[0040]4)步驟(I)中，所述外螺紋根部圓弧應(yīng)經(jīng)滾壓處理，滾壓深度> 0.2mm，表面粗糙度優(yōu)于0.8 μ m。
[0041 ] 5)步驟(3)中，確保外螺紋與內(nèi)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(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行說明，本實(shí)例螺桿I外螺紋的大徑d=320mm，根據(jù)上述的操作，可得到拉桿的外螺紋和內(nèi)螺紋的基本參數(shù):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(jù)某型陶瓷壓機(jī)拉桿螺紋連接的具體結(jié)構(gòu)，采用有限元法，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(biāo)準(zhǔn)45°鋸齒形螺紋以及本實(shí)例牙型，進(jìn)行計(jì)算分析和比較研究。分析結(jié)果以螺桿I頭三對承載牙根部最大應(yīng)力為例，本實(shí)用新型螺桿I牙根部最大Mises等效應(yīng)力分別為:488.1MPa,468.5MPa，476.4MPa ;最大第一主應(yīng)力分別為:599.8MPa, 579.2MPa,597.2MPa。而牙型為標(biāo)準(zhǔn)450鋸齒形螺桿I牙根部最大Mises等效應(yīng)力分別為:495.4MPa，509MPa,497.6MPa ;最大第一主應(yīng)力分別為:617.5MPa,640.6MPa,624.7MPa。表明本實(shí)用新型螺紋應(yīng)力分布較均勻，且有效降低螺紋牙根部的Mises等效應(yīng)力及第一主應(yīng)力峰值。圖7為同等工況下本實(shí)用新型與標(biāo)準(zhǔn)牙型拉桿螺紋裝置的軸向載荷分布對比圖，從圖中可得本實(shí)用新型拉桿螺紋牙間軸向載荷分布較均勻。
[0044]如圖8所示，一種預(yù)應(yīng)力機(jī)架，包括上橫梁3、下橫梁4和兩個(gè)立柱5，兩個(gè)立柱5分別通過上述的預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置(包括螺桿I和螺母2)將上橫梁3和下橫梁4連接成預(yù)應(yīng)力組合框架，該預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置的螺桿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，并分別由螺母2鎖緊。
[0045]本實(shí)用新型的預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置可有效降低螺紋牙根部的等效應(yīng)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桿斷裂現(xiàn)象，可應(yīng)用于各種預(yù)應(yīng)力組合機(jī)架結(jié)構(gòu)的液壓機(jī)，提高液壓機(jī)的整體性能和使用壽命。
[0046]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，凡依本實(shí)用新型申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本實(shí)用新型的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，包括螺桿和螺母，所述螺桿兩端部具有外螺紋，所述螺母通過其內(nèi)螺紋與螺桿的外螺紋嚙合，所述外螺紋和內(nèi)螺紋具有相同的牙型及螺距，其特征在于: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(cè)的牙側(cè)角為10?20度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，其特征在于:所述牙型的牙型角為45度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，其特征在于:所述牙型承壓側(cè)的牙側(cè)角為14?16度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，其特征在于:所述牙型承壓側(cè)的牙側(cè)角為15度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，其特征在于:所述外螺紋和內(nèi)螺紋的徑向間隙為0.1?0.2mm,軸向間隙為0.2?0.3mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，其特征在于:所述外螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸制造公差均為+ (0.05?0.15)mm ;所述內(nèi)螺紋的小徑、中徑和大徑尺寸制造公差均為一 (0.05?0.15)_。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置，其特征在于:所述外螺紋的根部圓弧經(jīng)過滾壓處理，且滾壓深度大于0.2mm,表面粗糙度優(yōu)于0.8 μ m。
8.一種預(yù)應(yīng)力機(jī)架，包括上橫梁、下橫梁和兩個(gè)立柱，其特征在于:兩個(gè)立柱分別通過權(quán)利要求1至7中任一所述的預(yù)應(yīng)力螺紋拉桿裝置將上橫梁和下橫梁連接成預(yù)應(yīng)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(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】林謝昭, 施躍文, 林秋偉, 王琳 申請人:福建海源自動(dòng)化機(jī)械股份有限公司