趙文元 ,潘江如 ,楊嘉鵬 ,熱阿宛·吾肯
(新疆工程學(xué)院控制工程學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830000)
緊固件廣泛應(yīng)用于各種農(nóng)業(yè)機(jī)械中,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用。但是由于耕作環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣,在外部沖擊載荷的作用下,很容易出現(xiàn)緊固件磨損、變形、斷裂等問題,從而導(dǎo)致農(nóng)機(jī)的故障,極大地降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。因此,緊固件的質(zhì)量直接影響到農(nóng)業(yè)機(jī)械整體的可靠性。經(jīng)過多年的技術(shù)積累,緊固件不僅規(guī)格、品種繁多,而且用途各異,緊固件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、系列化程度也越來越高,許多產(chǎn)品已經(jīng)形成了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)。其中,標(biāo)準(zhǔn)類產(chǎn)品通用性最強(qiáng),可以應(yīng)用于多種行業(yè)和工作環(huán)境。非標(biāo)準(zhǔn)類產(chǎn)品多用于特定的領(lǐng)域或者有特定的用途,其最大的特點(diǎn)就是專用性。
隨著我國工業(yè)的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)的升級,對各類高質(zhì)量零件的需求也在不斷上升。而提高緊固件質(zhì)量和性能,可以推動緊固件行業(yè)快速發(fā)展。由于巨大的市場需求,我國已經(jīng)形成了相對完整的緊固件產(chǎn)業(yè)鏈,但對產(chǎn)品設(shè)計、制造起步較晚,許多特種緊固件、高精緊固件仍然需要進(jìn)口。在緊固件設(shè)計和加工生產(chǎn)的過程中應(yīng)用現(xiàn)代化的設(shè)計、仿真、加工等技術(shù),可以極大地提高設(shè)備的可靠性,從而降低設(shè)備的故障率。目前,我國已經(jīng)形成了許多機(jī)械緊固件(例如螺釘、螺栓和螺母)行業(yè)規(guī)范。根據(jù)用途和使用環(huán)境,對使用的材料也做出了相關(guān)要求。在緊固件設(shè)計時,應(yīng)該按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計相關(guān)尺寸,并確保其可靠性。根據(jù)緊固件的使用場合,對設(shè)計的緊固件應(yīng)該做好相應(yīng)的表面處理。
螺栓是最常用的緊固件,具有安裝簡便、拆卸方便、不易松動的優(yōu)點(diǎn)。為了確保機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)行,在進(jìn)行裝配時需要對螺栓施加合適的預(yù)緊力。如果施加的預(yù)緊力過大,就會導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)承載能力下降,同時螺栓也容易出現(xiàn)松動、屈服、延遲斷裂等情況。如果預(yù)緊力不足,就會導(dǎo)致連接松動,使設(shè)備不能正常運(yùn)行。此外,在沖擊載荷的作用下,連接螺栓松脫、斷裂,也會影響機(jī)械結(jié)構(gòu)連接剛度的一致性和連續(xù)性,改變機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有模態(tài),使機(jī)械設(shè)備解體。因此,在螺栓的使用過程中,如何給螺栓添加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力是設(shè)備正常運(yùn)行的關(guān)鍵之一。
螺栓強(qiáng)度分析常用的方法有有限元分析法和解析法。使用解析法分析時,需要對模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行簡化。簡化后的分析結(jié)果存在一定的誤差,而且計算復(fù)雜,從而限制了其推廣和使用。近年來,隨著CAD和CAM 技術(shù)的推廣和普及,有限元分析法逐步取代解析法成為螺栓強(qiáng)度分析的主要方法。有限元分析法分析結(jié)果的精度和模型的建模精度、邊界條件的設(shè)置有很大關(guān)系[1]。
本研究以螺栓及其他連接件為研究對象,建立裝配體模型,應(yīng)用接觸理論、有限元分析法和靜力學(xué)理論對螺栓及連接件的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析,得到的結(jié)論為螺栓及其連接件設(shè)計、選用提供了相關(guān)理論依據(jù)。
在對裝配體進(jìn)行有限元仿真分析時,主要面臨的問題包括模型的簡化、材料的屬性設(shè)置以及有限元網(wǎng)格的劃分及零件之間的接觸類型的設(shè)置。其中任何一項(xiàng)出現(xiàn)偏差,都會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圓盤耙支腿的緊固機(jī)構(gòu)主要由連接螺栓、螺母、連接板、固定支腿構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。通過實(shí)際測量各零件參數(shù)后進(jìn)行三維建模和裝配,相關(guān)尺寸如圖2 所示。由于螺紋受力極其復(fù)雜,因此在分析時,對模型進(jìn)行了簡化,在設(shè)置各個零件之間的接觸類型時,螺母和螺栓設(shè)置為綁定約束。
圖1 螺栓固定的三維結(jié)構(gòu)
圖2 連接件的尺寸結(jié)構(gòu)
螺栓及連接件所用的材料要求具有很高的強(qiáng)度和剛度,普通材料在外力作用下不容易發(fā)生彎曲和變形。本研究中所有的材料采用Q235碳鋼,參數(shù)見表1。
表1 Q235材料的參數(shù)
在ANSYS 中進(jìn)行分析時,關(guān)鍵位置的網(wǎng)格劃分密度、網(wǎng)格的劃分方法會直接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分越密,計算量越大,但計算的結(jié)果越精確。而一些關(guān)鍵位置網(wǎng)格劃分方法的選擇,同樣會影響到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究應(yīng)用自動劃分網(wǎng)格方法,并調(diào)整關(guān)鍵位置的網(wǎng)格劃分精度和方法,盡量減小計算誤差,網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。
圖3 網(wǎng)格劃分圖
螺栓最常用的預(yù)緊方法有轉(zhuǎn)角控制式、扭矩控制式和屈服控制式。對以擰緊力矩給出的預(yù)緊載荷,預(yù)緊力和擰緊力矩的關(guān)系為[3-5]:
其中:
將式(1)整理得:
式中,Tf——擰緊力矩;Fpre——預(yù)緊力;dp——外螺紋有效直徑;P——螺紋節(jié)距;α——牙形半角;ρ'——當(dāng)量摩擦角;μs——螺紋副摩擦因數(shù);β——螺紋升角;B——螺母對邊距;Di——螺栓孔直徑;μw——螺母支撐面摩擦因數(shù);dw——支撐面等效直徑。
對以螺母轉(zhuǎn)角給出的預(yù)緊載荷,預(yù)緊力和螺母轉(zhuǎn)角的關(guān)系為[1-3]:
式中,?——螺母轉(zhuǎn)角;Kc——夾持件剛度;Kt——螺栓剛度。
在實(shí)際結(jié)構(gòu)中,固定支腿依靠螺栓的預(yù)緊力固定在機(jī)架上,使機(jī)架和固定支腿、機(jī)架和連接板之間產(chǎn)生摩擦力,從而限制了固定支腿在各個方向上的自由度,以達(dá)到固定的目的[4-6]。
在進(jìn)行有限元分析時,預(yù)緊力只能施加在模型非接觸面區(qū)域,因此在分析過程中,要對螺栓進(jìn)行體切割。在設(shè)置各個零件之間的接觸類型時,應(yīng)該根據(jù)各個零件的實(shí)際接觸狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。其中,連接板與機(jī)架、固定支腿和機(jī)架、螺母與固定支腿、螺母與連接板之間的接觸都設(shè)置為摩擦接觸,摩擦系數(shù)為0.15[7-9]。螺栓和連接板、螺栓和固定支腿的螺孔的接觸狀態(tài)設(shè)置為分離,螺栓與螺母設(shè)為綁定約束[10],螺栓及連接件的邊界條件設(shè)置如圖4 所示。在實(shí)際工作環(huán)境中,機(jī)架由拖拉機(jī)拖動,工作時與拖拉機(jī)相對位置不變,因此機(jī)架設(shè)為固定約束。在分析中,四個螺栓添加相同的預(yù)緊力,預(yù)緊力設(shè)置為6 000 N。
圖4 螺栓及連接件的邊界條件設(shè)置
在對模型進(jìn)行材料賦予、網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置后進(jìn)行分析求解。首先分析螺栓及連接件整體結(jié)構(gòu),為了更清晰地觀察各部分的結(jié)構(gòu)變化,沿著螺栓徑向剖切。
由于螺栓分布、連接件的形狀、預(yù)緊力設(shè)置都是對稱的,由圖5、圖6、圖7 可知,四個螺栓、連接件、上連接板的應(yīng)力、應(yīng)變、總變形的分布也存在對稱性。在螺栓的預(yù)緊力的作用下,機(jī)架主梁的四個角出現(xiàn)了應(yīng)力、應(yīng)變集中的現(xiàn)象。因此,在深耕機(jī)機(jī)架設(shè)計時,機(jī)架應(yīng)該有最高的剛度,以保證在預(yù)緊力過大或者外部載荷沖擊時機(jī)架不發(fā)生塑性變形,從而避免出現(xiàn)固定失效。應(yīng)力和應(yīng)變的最大位置在固定支腿突變處,如圖8 所示。這是因?yàn)楣潭ㄖ雀鞑糠謩偠炔町愝^大,在外力作用下,各部分的變形量不同。
圖5 鏟座的應(yīng)力云圖
圖6 鏟座的應(yīng)變云圖
圖7 鏟座的變形云圖
圖8 鏟座應(yīng)力局部放大圖
分析上連接板時,將其他零部件進(jìn)行隱藏。分析圖9、圖10、圖11 發(fā)現(xiàn),由于連接板的結(jié)構(gòu)對稱、四個螺栓的螺栓預(yù)緊力相等,因此連接板兩側(cè)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力對稱分布。分析圖9 發(fā)現(xiàn),越靠近連接板外側(cè),變形越大,中間變形較小。分析圖10 和圖11發(fā)現(xiàn),連接板的連接孔位置出現(xiàn)等效應(yīng)力、等效應(yīng)變分布集中的現(xiàn)象。這是因?yàn)樵诼菟A(yù)緊力的作用下,各個零件之間產(chǎn)生了相互作用的內(nèi)力,螺栓連接各部件時,上壓板對螺栓產(chǎn)生了橫向剪切。
圖9 上連接板的總變形云圖
圖10 上連接板的應(yīng)變云圖
圖11 上連接板的應(yīng)力云圖
為了分析螺栓和螺母的受力狀況,將連接板和固定支腿隱藏,并對螺栓和螺母沿徑向剖切。
圖12 為螺栓的應(yīng)力云圖,當(dāng)給螺栓施加預(yù)緊力時,由于各個零件之間的相互作用,螺栓兩側(cè)應(yīng)力分布不均??拷鼨C(jī)架主梁側(cè)應(yīng)力大于背側(cè)應(yīng)力。這是因?yàn)闄C(jī)架是實(shí)心結(jié)構(gòu),具有較大的剛度,在螺栓預(yù)緊力的作用下沒有發(fā)生較大的變形。如果兩側(cè)的應(yīng)力分布不均,在外部沖擊載荷的作用下會導(dǎo)致螺栓彎曲或者疲勞斷裂。
圖12 螺栓的應(yīng)力云圖
圖13 為螺栓兩側(cè)等效應(yīng)力沿路徑的分布情況,對比后發(fā)現(xiàn)螺栓靠近機(jī)架一側(cè)應(yīng)力較大,應(yīng)力類型為拉伸應(yīng)力;背側(cè)的應(yīng)力較小,應(yīng)力類型為擠壓應(yīng)力。螺母與螺栓連接的位置應(yīng)力最大,在外部載荷的作用下,該位置最容易出現(xiàn)彎曲或者疲勞失效。分析圖14和圖15可知,螺栓應(yīng)變的分布和應(yīng)力的分布相似。
圖13 螺栓應(yīng)力沿外輪廓線的分布
圖14 螺栓的應(yīng)變云圖
圖15 螺栓應(yīng)變沿外輪廓線的分布
根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn),螺栓最容易出現(xiàn)疲勞斷裂的位置是螺栓與螺母嚙合的第一個螺牙的牙底處。因此,仿真分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。
本研究采用接觸理論、靜力學(xué)理論和有限元分析方法,對在螺栓預(yù)緊力作用下的各連接件的力學(xué)性能進(jìn)行了分析研究,得到的結(jié)論為螺栓等連接件的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用提供了分析數(shù)據(jù),結(jié)論如下:
1)如果螺栓分布和連接件的結(jié)構(gòu)對稱,且每個螺栓的預(yù)緊力相同,則該被連接件和螺栓的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、變形同樣對稱。在農(nóng)機(jī)設(shè)計時,機(jī)架的主梁應(yīng)該有較高的剛度,否則當(dāng)預(yù)緊力過大或者在外部載荷的沖擊下,機(jī)架主梁容易產(chǎn)生變形,從而導(dǎo)致固定失效。
2)螺栓連接時,連接板的連接孔位置出現(xiàn)等效應(yīng)力、等效應(yīng)變集中的現(xiàn)象。螺栓連接各部件時,上壓板對螺栓產(chǎn)生了橫向剪切。
3)在螺栓預(yù)緊力的作用下,機(jī)架、螺栓、連接板之間生產(chǎn)了相互作用力。對比后發(fā)現(xiàn)螺栓靠近機(jī)架一側(cè)應(yīng)力較大,應(yīng)力類型為拉伸應(yīng)力;背側(cè)的應(yīng)力較小,應(yīng)力類型為擠壓應(yīng)力。螺母與螺栓連接處應(yīng)力最大,該位置最容易出現(xiàn)斷裂。