大型封頭與變位機(jī)機(jī)械連接卡具的研制

黃沙

哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司 河北秦皇島 066206

1 工裝整體設(shè)計(jì)

由于本公司的封頭在制造時(shí)端部均帶有防變形環(huán)，出于設(shè)計(jì)及制造上的便利，在考慮封頭與卡具的連接時(shí)，我們選擇了最簡(jiǎn)單的方式即直接用肋板將封頭防變形環(huán)和卡具頂部焊接。肋板尺寸不大，因此焊接量并不大，而在拆除時(shí)可以直接將其氣割掉，使用時(shí)非常方便?？ň唧w的結(jié)構(gòu)采用了箱體式設(shè)計(jì)。中間的主承重板為δ＝55的整張鋼板制成，底板上有四種中心距不同的排孔，分別對(duì)應(yīng)不同的變位機(jī)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅保證了卡具的強(qiáng)度，而且使之具有了一定的通用性。此套工裝的機(jī)械連接體現(xiàn)在卡具體與變位機(jī)的連接方式上?？ň叩撞孔湓谶^渡盤上，緊固螺栓穿過過渡盤上的長(zhǎng)槽與變位機(jī)工作臺(tái)T的形槽里的T形螺母連接。此種結(jié)構(gòu)的卡具適用性非常廣，不受封頭外形尺寸的影響，在一定重量范圍之內(nèi)的封頭，只要其裝焊了防變形環(huán)，就可以使用此套卡具進(jìn)行裝卡。

2 螺栓強(qiáng)度校核

作為在變位機(jī)上承重用的卡具，安全性是此套工裝設(shè)計(jì)過程中需要考慮的重點(diǎn)。此套工裝主要的受載元件為卡具體、緊固螺栓、T形螺母等，基于基本的力學(xué)分析判斷，此套卡具的承載能力將主要取決于緊固螺栓的強(qiáng)度等級(jí)。由于變位機(jī)工作臺(tái)的T形槽只適用于M48的螺栓，在螺栓規(guī)格既定的情況下，我們運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)螺栓的受力情況進(jìn)行了有限元分析。

在將模型導(dǎo)入Workbench之后，我們?cè)O(shè)立了與螺栓數(shù)量一樣多的梁?jiǎn)卧ㄈ鐖D所示），它可以替代螺栓，在后期的求解過程中可以反應(yīng)真實(shí)情況下螺栓的受力大小。梁?jiǎn)卧脑O(shè)立能大大簡(jiǎn)化模型，在此次分析過程中我們就沒有建立緊固螺栓、T形螺母、T形槽以及變位機(jī)工作臺(tái)等。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，封頭內(nèi)壁堆焊時(shí)變位機(jī)幾乎翻轉(zhuǎn)至90°，我們對(duì)模型設(shè)立了如下的約束及加載：過渡盤和變位機(jī)工作臺(tái)之間由螺栓將二者緊密連接，在模擬中將過渡盤底面設(shè)置成固定面，實(shí)質(zhì)上是做了一個(gè)簡(jiǎn)化處理，即不考慮過渡盤自身的強(qiáng)度和變形，將其當(dāng)做變位機(jī)工作臺(tái)的一部分。這種假設(shè)能夠反應(yīng)緊固螺栓的受力大小，這種簡(jiǎn)化處理并不影響我們重點(diǎn)關(guān)注的卡具緊固螺栓的強(qiáng)度，因此假設(shè)是可以接受的。

由于主要的載荷來自于封頭的自重，因此模型中只要加載重力加速度即可，沒有添加其它負(fù)荷。這里需要說明的是，卡具體與過渡盤之間的連接用“Rough”來表示。在實(shí)際中我們?cè)诳ň唧w底板周邊設(shè)置了若干小擋塊，防止可能出現(xiàn)的卡具體水平位移，在這里使用“Rough”連接可以體現(xiàn)擋塊的作用。而由于肋板與卡具體和防變形環(huán)相接處均焊接，因此使用“Bonded”連接比較恰當(dāng)。在前面提到過，卡具體和過渡盤之間的螺栓連接使用了梁?jiǎn)卧癇eam”來表示，其數(shù)量與緊固螺栓數(shù)量一致。

至于網(wǎng)格的劃分，由于此次模擬重點(diǎn)關(guān)注梁?jiǎn)卧癇eam”的受力情況，對(duì)模型中其它部件并沒有實(shí)施強(qiáng)度校核，因此在網(wǎng)格劃分時(shí)直接利用軟件功能自動(dòng)生成。在經(jīng)過上述準(zhǔn)備步驟之后，模型就可以進(jìn)行求解了。我們插入了“Total Deformation”和“Beam Probe”兩個(gè)求解選項(xiàng)。

從求解信息來看，變形趨勢(shì)符合我們的預(yù)期，條件設(shè)定較為合理。從32個(gè)“Beam Probe”梁?jiǎn)卧戳χ形覀冞x取了軸向力最大的一個(gè)，其值為F=2.42×105N。

在得到螺栓軸向力之后，我們按以下步驟進(jìn)行螺栓的應(yīng)力計(jì)算：

（1）剩余預(yù)緊力。由于本模型是按照靜態(tài)條件下構(gòu)建的，因此剩余預(yù)緊力也按靜力平衡條件下計(jì)算。剩余預(yù)緊力=（0.2-0.6）F，取 F"＝ 0.5F＝ 0.5×2.42×105N=1.21×105N。

（2）螺栓總拉力 F0=F+F"=（2.42+1.21）×105N=3.63×105N。

（3）螺栓的靜強(qiáng)度計(jì)算。螺栓危險(xiǎn)剖面直徑的強(qiáng)度計(jì)算公式為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，我們選取了35CrMo做為螺栓的制造材料，在經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚碇螅?5CrMo的屈服強(qiáng)度為835MPa，要比計(jì)算得出的=663MPa高出不少，能夠滿足螺栓的強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，在工程領(lǐng)域中，有限元分析（FEA）越來越多的用于仿真模擬，來求解真實(shí)的工程問題。在本例中，我們對(duì)卡具進(jìn)行了有限元靜力分析，實(shí)際生產(chǎn)中封頭是處于低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，從嚴(yán)格意義上來講模型并非處于靜力狀態(tài)，但是考慮到旋轉(zhuǎn)速率很小，在這里仍將其看作近似靜態(tài)處理。這也是本例中存在的不足之處。將從靜力分析中得到的數(shù)據(jù)用于進(jìn)一步的理論計(jì)算，從而得出實(shí)際需要的數(shù)據(jù)。由于本例中采用的是近似分析，在最后螺栓的選材時(shí)選用了屈服強(qiáng)度大大超過許用應(yīng)力的材料，進(jìn)一步的保證了實(shí)際應(yīng)用中的安全可靠。