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基于比例預(yù)緊的起重機(jī)回轉(zhuǎn)支承連接螺栓優(yōu)化

2018-08-01

李炳田　余欽偉　張志偉　柏見濤　左其偉
（徐工機(jī)械建設(shè)機(jī)械分公司）

　　摘　要：本文采用非線性有限元軟件模擬了不同比例螺栓預(yù)緊力下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移，研究了轉(zhuǎn)臺座圈與回轉(zhuǎn)支承連接面間的縫隙與螺栓預(yù)緊力間的關(guān)系及螺栓連接周圈結(jié)構(gòu)位移的變化規(guī)律;在保持預(yù)緊力的狀態(tài)下，進(jìn)一步研究了優(yōu)化螺栓布置方式對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移的影響。
　　關(guān)鍵詞：起重機(jī)；轉(zhuǎn)臺；回轉(zhuǎn)支承；預(yù)緊力；螺栓
　　起重機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括上車吊臂、轉(zhuǎn)臺、底盤等，載荷由重物通過吊臂傳遞到轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺將經(jīng)過初次平衡的載荷由回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)傳遞到底盤。回轉(zhuǎn)支承在整車載荷傳遞途徑中主要承受垂直方向的載荷和彎矩。

　　工程實(shí)際中，回轉(zhuǎn)支承與轉(zhuǎn)臺通過周圈均布的高強(qiáng)預(yù)緊力螺栓連接。研究不同螺栓預(yù)緊力狀況下，被連接結(jié)構(gòu)縫隙的大小與螺栓預(yù)緊力之間的關(guān)系，可據(jù)此判斷螺栓預(yù)緊力施加是否滿足要求;同時(shí)，研究螺栓連接面周圈位移規(guī)律可進(jìn)一步明確周圈螺栓受載狀況，為螺栓排布及優(yōu)化提供依據(jù)。

　　1　研究范圍及方法
　　預(yù)緊力螺栓連接結(jié)構(gòu)中存在著摩擦、接觸、彎曲等特征，一般很難用解析法計(jì)算。有限元軟件ANSYS能夠綜合考慮摩擦、接觸、彎曲、預(yù)緊力等各種非線性因素，通過建立三維有限元模型，可以比較準(zhǔn)確地得到螺栓及被連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，是當(dāng)前研究螺栓連接結(jié)構(gòu)問題比較通用的方法。

　　起重機(jī)設(shè)計(jì)中，一般按照起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范選取結(jié)構(gòu)件Z不利載荷為設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)。本文選取了某型號的起重機(jī)的起臂工況、額定吊載工況、125%試驗(yàn)工況3種典型工況，分別計(jì)算了在1.25倍試驗(yàn)工況下，螺栓施加40%、60%、80%、100%比例預(yù)緊力時(shí)結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力、轉(zhuǎn)臺座圈局部結(jié)構(gòu)的位移分布；常規(guī)的螺栓排布方式與優(yōu)化的螺栓排布方式整體結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力、各部件的位移和應(yīng)力。

　　2　計(jì)算模型及簡化
　　本文將與回轉(zhuǎn)支承非線性接觸的局部，包含回轉(zhuǎn)支承、轉(zhuǎn)臺和底盤、螺栓等均采用SOLID186實(shí)體單元，其他部分采用殼單元。
　　2.1邊界條件
　　吊臂載荷通過轉(zhuǎn)臺上各鉸點(diǎn)輸入，轉(zhuǎn)臺與底盤通過回轉(zhuǎn)支承連接，底盤與地面采用固定連接，回轉(zhuǎn)支承分別通過內(nèi)、外兩排螺栓與轉(zhuǎn)臺和底盤設(shè)置非線性接觸連接。

　　2.2載荷及螺栓預(yù)緊力施加
　　轉(zhuǎn)臺上各鉸點(diǎn)輸入載荷見下表1：

表1 轉(zhuǎn)臺各鉸點(diǎn)輸入載荷

　　螺栓預(yù)緊力通過PRETS179單元模擬。第1載荷步僅施加螺栓預(yù)緊力，M30螺栓預(yù)緊力按照標(biāo)準(zhǔn)取650kN，第2載荷步施加結(jié)構(gòu)載荷，同時(shí)預(yù)緊力鎖定在初始值。

　　3　結(jié)果匯總及對比
　　依據(jù)上節(jié)給出的模型及邊界條件，本文進(jìn)行了多種工況組合的計(jì)算，本節(jié)內(nèi)容將對計(jì)算情況分別進(jìn)行匯總及對比分析。
　　3.1螺栓預(yù)緊力對比分析結(jié)果
　　通過對螺栓分別施加40%、60%、80%、100%預(yù)緊力來考察預(yù)緊力對整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移的影響，同時(shí)，為進(jìn)一步研究預(yù)緊力大小對轉(zhuǎn)臺座圈與回轉(zhuǎn)支承貼合面縫隙的影響，提取了座圈面上周圈節(jié)點(diǎn)Y向位移，施加40%預(yù)緊力位移33.95mm、施加60%預(yù)緊力位移33.62mm、施加80%預(yù)緊力位移33.56mm、施加100%預(yù)緊力33.63mm。

　　計(jì)算結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，螺栓預(yù)緊力的大小對整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移變化影響較小。預(yù)緊力從40%增加到100%后，結(jié)構(gòu)的位移相對變化量不超過1mm，除與螺栓接觸面外，其他結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布及大小基本沒有變化;轉(zhuǎn)臺與座圈連接后側(cè)面Y向位移呈現(xiàn)正弦分布，Z大值點(diǎn)發(fā)生在正后方點(diǎn)；當(dāng)螺栓預(yù)緊力小于額定值的60%時(shí)，轉(zhuǎn)臺座圈與回轉(zhuǎn)支承接觸面之間的間隙增大；當(dāng)預(yù)緊大于60%時(shí)，基本上對間隙無影響。

　　3.2螺栓排布優(yōu)化分析結(jié)果
　　螺栓拉伸Z大值點(diǎn)在轉(zhuǎn)臺正后方，由Z后側(cè)往兩邊呈現(xiàn)逐步減小的趨勢。據(jù)此可優(yōu)化轉(zhuǎn)臺兩側(cè)約1/3螺栓。選取典型工況，對優(yōu)化前后整機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移進(jìn)行對比分析，計(jì)算結(jié)果對比表明，優(yōu)化后的螺栓排布方式對整機(jī)位移和應(yīng)力基本不會產(chǎn)生影響?？紤]到優(yōu)化后螺栓排布方式為局部的變化，因此，還需要考慮轉(zhuǎn)臺底面與回轉(zhuǎn)支承連接部分應(yīng)力分布的變化。

　　4　結(jié)論
　　根據(jù)以上計(jì)算和對比，初步可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：①在一定范圍內(nèi)，螺栓預(yù)緊力的大小對整體結(jié)構(gòu)的位移影響較小，因此，無法從整體變形上推斷預(yù)緊力是否足夠。②預(yù)緊力的大小對轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)支承連接面上的Y向位移有一定的影響，對實(shí)際工程來說，當(dāng)轉(zhuǎn)臺座圈面無缺陷時(shí)，可以據(jù)此初步判斷預(yù)緊力施加的是否足夠。另外，當(dāng)預(yù)緊力在額定值60%以下時(shí)較容易判斷，60%以上時(shí)判斷起來較為困難。③優(yōu)化的螺栓排布方式對結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移基本不產(chǎn)生影響，因此，可據(jù)此優(yōu)化1/3的螺栓數(shù)量，為整機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低成本起到積極的作用。

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　　作者簡介：李炳田（1980