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在液壓支架中，千斤頂導(dǎo)向套與缸筒連接處普遍采用螺紋連接結(jié)構(gòu)，該千斤頂缸徑為250mm，桿徑為160mm。千斤頂在井下使用過程中，導(dǎo)向套螺紋處損壞，造成支架不能正常動作，影響井下正常作業(yè)，需對螺紋連接強度進行有限元校核。以導(dǎo)向套螺紋和缸筒螺紋為研究對象，應(yīng)用二維理論計算分別計算出缸筒、導(dǎo)向套螺紋處設(shè)計的抗彎、抗剪切、抗壓安全系數(shù)；應(yīng)用三維有限元分析對二維計算進行相互驗證，在此基礎(chǔ)上計算出使導(dǎo)向套損壞的臨界載荷。因?qū)嶋H中螺紋發(fā)生斷裂，故強度校核中以材料的抗拉強度為計算安全系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。
依據(jù)設(shè)計，導(dǎo)向套螺紋內(nèi)徑d1=264.6mm，螺紋中徑d2=267.1mm，螺紋大徑d3=269.6mm，螺紋有效長度50mm，螺紋螺距p=8mm，相旋和螺紋圈數(shù)為60。依據(jù)設(shè)計，筒螺紋內(nèi)徑d1=265mm，螺紋中徑d2=267.5mm，螺紋大徑d3=270mm，螺紋有效長度56mm，螺紋螺距p=8mm，相旋和螺紋圈數(shù)為60。設(shè)計中，缸筒采用30CrMnSi，屈服強度，抗拉強度，在螺紋強度校核中各許用應(yīng)力按如下關(guān)系選取：把螺紋牙展開后相當(dāng)于一根懸臂梁(如下圖所示)，抗擠壓是指公、母螺紋之間的擠壓應(yīng)力不應(yīng)超過許用擠壓應(yīng)力，否則便會發(fā)生擠壓破壞。設(shè)軸向力為F，相旋合螺紋圈數(shù)，本分析針對導(dǎo)向套和缸筒的螺紋，模型簡化如下圖所示。
首先施加平衡千斤頂設(shè)計的工作拉力1178kn，根據(jù)分析的結(jié)果判斷可能的臨界載荷，再施加臨界載荷進行有限元分析，載荷與邊界條件施加如圖所示。從分析的結(jié)果來看，導(dǎo)向套螺紋設(shè)計安全系數(shù)大約為3.5左右，缸筒螺紋設(shè)計安全系數(shù)大約為3.56。因此導(dǎo)致導(dǎo)向套螺紋損壞的臨界力大約為4123kn，導(dǎo)致缸筒螺紋損壞的臨界力大約為4193kn。
通過二維和三維分析比較，發(fā)現(xiàn)二維理論計算中把螺紋展開當(dāng)成懸臂梁，按照材料力學(xué)進行強度校核，力學(xué)模型的假設(shè)存在一定的問題(因螺紋展開的螺紋截面和工作高度不滿足材料力學(xué)橫截面遠(yuǎn)小于桿長的假定)，所以計算的結(jié)果存在一定程度的誤差。二維理論計算中，假定在相旋和螺紋圈上載荷平均分布，而實際中載荷在各圈上并不是平均分布，導(dǎo)致其計算的安全系數(shù)偏大。對三維有限元分析的結(jié)果進行觀察，發(fā)現(xiàn)一般情況下，第一圈在總載荷中所占比例因螺紋相旋和圈數(shù)不同而發(fā)生變化，導(dǎo)向套螺紋第一圈(總共6圈)約占總載荷的30-40%，而活塞桿螺紋第一圈(總共18圈)占總載荷的10%-15%。
設(shè)計額定工作拉力1178kn，40.7MPa作用下，導(dǎo)向套螺紋處設(shè)計的安全系數(shù)為3.5，導(dǎo)向套螺紋損壞的臨界力為4123kn；缸筒螺紋處設(shè)計的安全系數(shù)大約為3.56，導(dǎo)致缸筒螺紋損壞的臨界力大約為4193kn；兩螺紋處計算應(yīng)力基本一致，安全系數(shù)不同主要是因為缸筒和導(dǎo)向套材質(zhì)不同(30CrMnSi與42CrMo)。
設(shè)計額定工作拉力1178kn，40.7MPa作用下，如不考慮下腔存在的壓強，活塞桿螺紋處的安全系數(shù)為2.6,即當(dāng)下腔沒有壓力時，活塞桿螺紋處將比導(dǎo)向套處螺紋先損壞。如下腔應(yīng)力達到30.52MPa以上，導(dǎo)向套螺紋處將比活塞桿處螺紋先損壞。
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