鋼箱梁高強(qiáng)度螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析

摘要：通過對(duì)鋼箱梁施工現(xiàn)場的調(diào)研，設(shè)計(jì)了一款專用于鋼箱梁的高強(qiáng)度螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)。首先通過方案對(duì)比，確定了擰緊機(jī)整體結(jié)構(gòu)采用龍門架式的設(shè)計(jì)構(gòu)型，并明確了主要組成部分包括行走機(jī)構(gòu)、升降軸、直線模組、擰緊機(jī)構(gòu)等。同時(shí)利用軟件SolidWorks對(duì)螺栓擰緊機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了細(xì)化，完成了其三維模型的構(gòu)建，并對(duì)其工作過程進(jìn)行了分析。其次，本文借助有限元仿真軟件ANSYS Workbench對(duì)擰緊機(jī)的關(guān)鍵承力構(gòu)件進(jìn)行了應(yīng)力與應(yīng)變分析。結(jié)果表明，在兩倍靜力載荷條件下，橫梁、升降軸、支座的最大變形量分別約為0.2 mm、0.014 mm、0.1 mm，均小于材料的最大許用應(yīng)變，確保了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。此外，相較于Q235材料而言，采用6063-T6鋁型材的升降軸，雖然其等效應(yīng)變和總變形量有所上升，但質(zhì)量減少了約21%，在保證結(jié)構(gòu)剛性的同時(shí)滿足了輕量化的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁；螺栓擰緊；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析

中圖分類號(hào)：TH122；TU69""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.005

文章編號(hào)：1006-0316 （2025） 01-0030-07

Structural Design and Finite Element Analysis of High-Strength BoltAutomatic Tightening Machine for Steel Box Girder

Abstract：Based on the construction site survey of steel box girders， a novel automatic tightening machine specifically designed for the high-strength bolts on steel box girders has been developed in this paper. Firstly， it is determined that the overall structure of the automatic tightening machine adopts a gantry style design through scheme comparison， and the main components include walking mechanism， lifting shaft， linear module， tightening mechanism， etc. At the same time， the structural design scheme of the bolt tightening machine was refined， and the 3D model of bolt tightening machine was carried out using modeling software SolidWorks， and the working principle was analyzed. In addition， the stress and strain analysis of key load-bearing components of the tightening machine was conducted using finite element simulation software ANSYS Workbench. The results show that under double static load conditions， the maximum deformations of the crossbeam， lifting shaft， and support bracket are approximately 0.2 mm， 0.014 mm， and 0.1 mm， respectively， all of which are less than the maximum allowable strain of the material， ensuring the reliability of the structural design. Furthermore， the lifting shaft made of 6063-T6 aluminum profile has an increased equivalent strain and total deformation compared to Q235 material， but its mass has been reduced by about 21%， ensuring structural rigidity while meeting the requirements of lightweight design.

Key words：steel box girder；bolt tightening；structural design；finite element analysis

鋼箱梁因其高強(qiáng)度、高抗震性、自重輕、結(jié)構(gòu)新穎、易安裝施工等優(yōu)點(diǎn)[1]，現(xiàn)已在大跨距橋梁和城市立交橋建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。雖然鋼箱梁有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際施工建造時(shí)，特別是在鋼箱梁進(jìn)行螺栓連接時(shí)，仍需較多人工進(jìn)行擰緊作業(yè)，這就降低了鋼梁箱的施工效率。同時(shí)，采用人工進(jìn)行高強(qiáng)螺栓擰緊，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、操作一致性差，而且還存在較大的安全隱患。因此，設(shè)計(jì)一款高強(qiáng)度螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備，對(duì)于降低人工作業(yè)強(qiáng)度與風(fēng)險(xiǎn)、提高螺栓施擰效率、改善螺栓施擰精度與穩(wěn)定性、提升螺栓施擰自動(dòng)化和智能化等都具有極高工程實(shí)踐意義。

目前，有關(guān)螺栓自動(dòng)擰緊裝置的設(shè)計(jì)與研究已見諸多報(bào)道[1-12]。例如，T. IKUO等[2]開發(fā)了一種用于多次加工時(shí)裝配的螺栓緊固系統(tǒng)，該系統(tǒng)由螺栓擰緊桿和螺栓儲(chǔ)存器組成，可應(yīng)用于具有多位置和姿態(tài)偏差的零件擰緊。魏企業(yè)等[3]利用Pro/E軟件設(shè)計(jì)了一款新型的航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子裝配的螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)并借助有限元軟件對(duì)關(guān)鍵承力件進(jìn)行了校核分析。李鑫等[4]針對(duì)塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)螺栓設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)擰緊裝置，并通過PLC編程實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的力矩監(jiān)測。田永成等[5]開發(fā)了一款在線式輪裝制動(dòng)盤螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)，利用扭矩控制和角度控制相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓擰緊力的控制。楊潤剛等[6]設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的機(jī)車齒輪轂全自動(dòng)雙軸擰緊機(jī)。竭盡超等[7]開發(fā)了一款基于視覺的發(fā)動(dòng)機(jī)絲堵螺栓自動(dòng)擰緊設(shè)備。張曉紅[8]探究了機(jī)器人自動(dòng)擰緊螺栓機(jī)構(gòu)在變速器裝配方面的應(yīng)用。然而，截止目前，圍繞鋼箱梁施工建造領(lǐng)域的高強(qiáng)度螺栓自動(dòng)施擰裝置的開發(fā)與研究仍為空白。因此，本文借助三維建模軟件設(shè)計(jì)開發(fā)一款專用于鋼箱梁的高強(qiáng)度螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)構(gòu)，并利用有限元仿真軟件ANSYS Workbench對(duì)其關(guān)鍵承力構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。本文不僅可以拓展螺栓自動(dòng)擰緊裝置的設(shè)計(jì)與研究，也為后續(xù)鋼箱梁自動(dòng)化施工設(shè)備的開發(fā)提供一定借鑒。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作過程分析

1.1 方案對(duì)比

本文所提出的鋼箱梁高強(qiáng)度螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)設(shè)計(jì)主要是針對(duì)主梁間的橫隔板與箱梁腹板上的螺栓連接，如圖1所示。

結(jié)合現(xiàn)場施工需求與條件，本文擬定了兩種整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，分別是懸臂式結(jié)構(gòu)和龍門架式結(jié)構(gòu)，見圖2和圖3所示。方案一懸臂式結(jié)構(gòu)主要由行走機(jī)構(gòu)、支撐立柱、橫梁、升降軸、直線模組、擰緊機(jī)構(gòu)等組成。其中，行走機(jī)構(gòu)在鋼箱梁頂板上沿縱向移動(dòng)，立柱與橫架固定，升降軸在橫架端部沿豎直方向移動(dòng)，升降軸底端固定連接一直線模組，擰緊機(jī)構(gòu)與直線模組上的絲杠滑塊連接并可沿直線模組橫向移動(dòng)。方案二采用了龍門架式結(jié)構(gòu)，主要包括行走支架、橫梁、升降軸、直線模組、擰緊機(jī)構(gòu)等部分。其中，行走支架由行走機(jī)構(gòu)和支架組成，行走支架橫跨在兩個(gè)主箱梁頂板上并可沿縱向移動(dòng)，升降軸除了可以豎直升降外也可沿橫梁進(jìn)行左右水平移動(dòng)，升降軸底部固定直線模組，擰緊機(jī)構(gòu)沿直線模組橫向移動(dòng)。

將以上兩種方案對(duì)比可以看到，懸臂式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體較為緊湊、體積更小，但將升降軸、直線模組、擰緊機(jī)構(gòu)等重要運(yùn)動(dòng)部件設(shè)置在同一側(cè)極易導(dǎo)致整體發(fā)生側(cè)翻，雖可在其行走機(jī)構(gòu)上加裝配重塊等來預(yù)防，但又會(huì)導(dǎo)致整機(jī)重量和行走功耗的上升。龍門架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然體積稍大，但其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定可靠，且升降軸可沿橫梁左右大范圍移動(dòng)，這就方便擰緊機(jī)行走機(jī)構(gòu)在同一工位處可以完成橫隔板左右兩端連接螺栓的施擰作業(yè)，相較于懸臂式設(shè)計(jì)方案只能沿主箱梁一側(cè)移動(dòng)和施擰，龍門架式設(shè)計(jì)可使螺栓施擰作業(yè)更加高效。綜上，本文螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)采用方案二，即龍門架式整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 工作過程分析

利用三維建模軟件SolidWorks對(duì)龍門架式擰緊機(jī)方案進(jìn)行細(xì)化，得其整體三維結(jié)構(gòu)如圖4所示。設(shè)計(jì)細(xì)化后的螺栓擰緊機(jī)主要由四大機(jī)械結(jié)構(gòu)部分組成，分別是龍門行走機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、直線模組機(jī)構(gòu)以及擰緊機(jī)構(gòu)。其中，龍門行走機(jī)構(gòu)主要由行走支架、行走輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、磁力座、橫梁等組成。在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下，左右兩對(duì)行走輪可實(shí)現(xiàn)同步或異步行進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)擰緊機(jī)在鋼箱梁上的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向。當(dāng)達(dá)到預(yù)定施擰位置后，放下設(shè)在左右支架上的磁力座（設(shè)定吸力約為1000 kgf），磁力座通電后即可與鋼箱梁頂板牢牢吸在一起從而固定整個(gè)擰緊機(jī)并保持其在后續(xù)擰緊作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定。橫梁上設(shè)置有電控柜和觸摸式操控器，以方便工作人員操作。升降機(jī)構(gòu)與移動(dòng)座相連接，而移動(dòng)座在伺服電機(jī)帶動(dòng)下通過齒輪齒條可沿橫梁左右移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)升降軸沿橫梁運(yùn)動(dòng)。升降軸上也設(shè)置有滑槽和齒條，在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，升降軸通過齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)沿移動(dòng)座豎直上下運(yùn)動(dòng)。升降軸底端通過連接板與直線模組相連接。直線模組由伺服電機(jī)、滾珠絲桿、移動(dòng)滑塊、聯(lián)軸器、導(dǎo)軌、型材外殼等組成。施擰機(jī)構(gòu)的支座與直線模組中的移動(dòng)滑塊相連接，并在直線模組伺服電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)。施擰機(jī)構(gòu)由支座、電動(dòng)扳手、扭矩傳感器、擰緊頭、電缸、夾具等組成。夾具上固定連接電動(dòng)扳手和電缸，電動(dòng)扳手與擰緊頭之間安裝動(dòng)態(tài)扭矩傳感器。此外，為了保證擰緊頭與螺栓的定位精度，夾具體上安裝一對(duì)超聲波距離傳感器（測距儀）和攝影頭，利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)預(yù)擰螺栓組進(jìn)行圖像采集與坐標(biāo)標(biāo)定，通過相機(jī)坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，電

缸和電動(dòng)扳手同步起動(dòng)，電缸推桿將電動(dòng)扳手、扭矩傳感器和擰緊頭向前推出，同時(shí)擰緊頭在電動(dòng)扳手主軸帶動(dòng)下緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)擰緊頭與待擰螺栓頭（或螺母）卡套好后，待擰螺栓便隨擰緊頭的旋轉(zhuǎn)直至達(dá)到擰緊狀態(tài)。在擰緊過程中，扭矩傳感器負(fù)責(zé)檢測和記錄每個(gè)螺栓扭矩的變化，操控器屏幕上會(huì)實(shí)時(shí)顯示并保存每個(gè)螺栓的扭矩?cái)?shù)值。

2 有限元分析

為了提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性，目前常用的方法除了傳統(tǒng)公式計(jì)算外，有限元分析法也以其獨(dú)有的計(jì)算優(yōu)勢得到了廣泛地應(yīng)用[13]。采用有限元數(shù)值分析不僅可以節(jié)省設(shè)計(jì)計(jì)算周期，更能對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行直觀分析[14-15]?；诖?，本文利用有限元仿真軟件ANSYS Workbench對(duì)鋼箱梁高強(qiáng)度螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)的部分關(guān)鍵承力構(gòu)件，即橫梁、升降軸、支座等的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行分析，并探討相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。為了便于計(jì)算，本文對(duì)相關(guān)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化，并假定所選材料各向同性，且物性參數(shù)不受溫度變化影響。

2.1 橫梁分析

橫梁主要承載升降機(jī)構(gòu)、直線模組、擰緊機(jī)構(gòu)等部件重量的作用，因此只對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。本文所設(shè)計(jì)的橫梁截面為矩形，尺寸為5200 mm×300 mm×200 mm，壁厚為5 mm，材料選用Q235。為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，采用兩倍載荷的施加條件。圖5為橫梁的受力變形情況。

從圖5可以看到，最大的變形、應(yīng)力與應(yīng)變均主要集中在橫梁與移動(dòng)座的連接處。在兩倍載荷施加下，橫梁的最大等效應(yīng)變量為3.34E-5，而根據(jù)材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式可知[1]，應(yīng)變計(jì)算如下：

式中：為應(yīng)變；為應(yīng)力；E為材料的彈性模量，普通碳鋼彈性模型約為206 GPa。

材料Q235的屈服應(yīng)力極限為235 MPa，將其代入上式可得材料的最大許用應(yīng)變量約為1.14E-3?？梢?，橫梁的應(yīng)變量遠(yuǎn)小于材料最大許用應(yīng)變量，表明該橫梁結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。同時(shí)，在兩倍載荷條件下，橫梁最大變形量約為0.2 mm，相較于5200 mm長度的橫梁而言，其變形量較小且在橫梁的加工直線度誤差范圍內(nèi)，不影響裝配和使用。

2.2 升降軸分析

升降軸在工作時(shí)主要承受直線模組和施擰機(jī)構(gòu)的重力影響。為了實(shí)現(xiàn)在滿足強(qiáng)度要求下的輕量化設(shè)計(jì)需求，本文所設(shè)計(jì)的升降軸選用了6063-T6鋁型材，屈服強(qiáng)度為215 MPa，彈性模量為69 GPa，尺寸為2500×200×100 mm，壁厚為6 mm。為了保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，同樣采用兩倍載荷的施加條件。圖6為升降軸的受力變形情況。

由圖6可以看出，在兩倍載荷條件下，升降軸的總變量約為0.014 mm，可知其變形量相對(duì)較小，不影響正常裝配和使用。此外從圖6中可以看到，升降軸的最大等效應(yīng)變和應(yīng)力均主要集中在上端固定端的邊緣處，其中最大等效應(yīng)變約6.38E-6，遠(yuǎn)小于材料最大許用應(yīng)變量3.1E-3，因此滿足升降軸強(qiáng)度與剛性需求。表1為6063-T6鋁型材與同尺寸且壁厚為5 mm的Q235矩形鋼受力的分析比較，可以看到，相較于矩形鋼，采用鋁型材的升降軸質(zhì)量減少約21%，但其總變形量相差不大，且最大等效應(yīng)變也遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)變，這也進(jìn)一步表明采用鋁型材的升降軸可以滿足擰緊機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。

2.3 支座分析

支座在擰緊機(jī)工作時(shí)不僅承載施擰機(jī)構(gòu)的重量，同時(shí)還要承受擰緊頭在擰緊螺栓時(shí)產(chǎn)生的一定的反力扭矩。圖7為支座施加兩倍載荷后的受力情況?？梢钥吹?，支座的總變形量、最大等效應(yīng)變和最大等效應(yīng)力分別約為0.1 mm、7.15E-5和13 MPa，在支座采用Q235優(yōu)質(zhì)碳鋼的條件下，其最大等效應(yīng)變依然小于材料的最大許用應(yīng)變，且總變形量也較小，不會(huì)造成螺栓擰緊力精度的下降，故該支座結(jié)構(gòu)滿足擰緊時(shí)的強(qiáng)度及剛度要求。

3 結(jié)論

根據(jù)鋼梁箱高強(qiáng)度螺栓的施擰工藝，討論并確定了龍門架式的螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并利用SolidWorks軟件針對(duì)鋼梁箱高強(qiáng)度螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)進(jìn)行了三維建模，同時(shí)借助有限元仿真軟件ANSYS Workbench對(duì)該螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)的主要承力構(gòu)件進(jìn)行了應(yīng)力和應(yīng)變分析與校核，初步驗(yàn)證了相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。所設(shè)計(jì)鋼箱梁高強(qiáng)度螺栓自動(dòng)擰緊機(jī)，不但可有效降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)、提高螺栓施擰效率以及扭矩的精準(zhǔn)控制等，也為我國建筑自動(dòng)化領(lǐng)域的設(shè)備開發(fā)提供一定的參考。

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