吊鉤梯形圓螺紋有限元分析

趙 波 張中華

(徐工機(jī)械建設(shè)機(jī)械分公司 江蘇 徐州 221002)

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吊鉤梯形圓螺紋有限元分析

趙 波 張中華

(徐工機(jī)械建設(shè)機(jī)械分公司 江蘇 徐州 221002)

對(duì)履帶起重機(jī)吊鉤螺紋聯(lián)接部位建立了符合實(shí)際情況的三維模型,進(jìn)行了三維有限元分析,研究了吊鉤螺紋聯(lián)接部位的應(yīng)力狀態(tài)和變形情況,并對(duì)吊鉤螺紋聯(lián)接部位進(jìn)行了工作強(qiáng)度的校核，為吊鉤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的理論依據(jù)。

吊鉤；梯形圓螺紋；有限元；履帶起重機(jī)

一、引言

吊鉤作為起重機(jī)在工作時(shí)的主承載部件，其設(shè)計(jì)質(zhì)量的好壞直接影響著起重機(jī)的安全性能和可靠性指標(biāo)，因此吊鉤的設(shè)計(jì)在起重機(jī)的設(shè)計(jì)當(dāng)中非常重要[1]。吊鉤主要依靠螺紋聯(lián)接來(lái)傳遞載荷，其聯(lián)接結(jié)構(gòu)為整個(gè)吊鉤結(jié)構(gòu)薄弱部位，聯(lián)接可靠性直接影響到整機(jī)的安全可靠性，對(duì)于保證功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。尤其是大噸位的吊鉤，為滿足相對(duì)應(yīng)的承載要求，螺紋尺寸設(shè)計(jì)規(guī)格比較大，安全系數(shù)高，造成了吊鉤結(jié)構(gòu)的自重很大，對(duì)吊鉤整體結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)、性能指標(biāo)都是不利的。如何精確地得到吊鉤螺紋聯(lián)接部位的最大應(yīng)力分布,對(duì)其結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要的理論意義。

基于ANSYS有限元分析軟件以某履帶起重機(jī)產(chǎn)品100噸吊鉤為例建立了螺紋聯(lián)接部位的三維有限元模型,進(jìn)行了靜力學(xué)分析,得出最大應(yīng)力分布，并進(jìn)行了強(qiáng)度校核。

二、吊鉤結(jié)構(gòu)介紹

吊鉤一般是由鉤頭1、橫梁2、螺母3、軸承4、滑輪架5、滑輪總成6等主要結(jié)構(gòu)組成。如圖1、圖2所示。其中螺母與鉤頭通過(guò)梯形螺紋聯(lián)接，是研究的區(qū)域。若吊鉤鉤頭承載載荷后，通過(guò)鉤頭上部螺紋傳遞載荷到螺母上，再通過(guò)軸承將載荷傳遞到橫梁上，最后通過(guò)滑輪架傳遞給滑輪總成。吊鉤承載載荷比較大，螺紋一般采用梯形圓螺紋。

圖1 吊鉤剖視圖

圖2 吊鉤螺紋區(qū)域局部放大視圖

三、數(shù)學(xué)模型理論

若吊鉤承載力小，在計(jì)算吊鉤計(jì)算時(shí)，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算螺紋承載。螺紋副應(yīng)力分布的研究方法主要包括第一圈承載簡(jiǎn)化法、均值假設(shè)簡(jiǎn)化法以及指數(shù)假設(shè)簡(jiǎn)化法。

(一)第一圈承載簡(jiǎn)化法——起重機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。假定第一圈螺紋承受有效載荷的一半，剪切面的高度為螺距的一半，校核螺紋牙強(qiáng)度[2]。

(二)均值假設(shè)簡(jiǎn)化法——均勻載荷假設(shè)的簡(jiǎn)單計(jì)算方法。假設(shè)各圈螺紋受力相等，則每圈承受載荷為F/n，校核螺紋牙的強(qiáng)度[3]。

(三)指數(shù)假設(shè)簡(jiǎn)化法。假設(shè)螺紋承受指數(shù)載荷分布，第一圈螺紋承載載荷的F/2，第二圈承受載荷的F/4，第三圈承受載荷的F/8…………第n圈承受載荷的F/2n[4].

前三種理論簡(jiǎn)化計(jì)算偏安全，忽略了螺紋的彎曲應(yīng)力，忽略了摩擦系數(shù)對(duì)載荷分布的影響，本文基于接觸理論對(duì)螺紋承載進(jìn)有限元分析計(jì)算。

四、吊鉤螺紋有限元模型建立

(一)建立幾何模型。以某噸位履帶起重機(jī)用100噸吊鉤為例，設(shè)計(jì)為TY110x12梯形圓螺紋，H=1.866P，簡(jiǎn)化螺紋的截面圖。本文即采用CAD軟件Pro/E建立幾何模型,它比實(shí)物僅簡(jiǎn)化了一些圓孔倒角及鉤頭部分等對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小的因素。

(二)建立有限元模型。本文基于ANSYS軟件對(duì)吊鉤螺紋聯(lián)接部位進(jìn)行建模，建立三維模型，采用接觸分析法對(duì)鉤頭螺紋聯(lián)接部位的進(jìn)行有限元計(jì)算。螺紋聯(lián)接結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型以及有限元模型如圖3，圖4。該有限元單元類型包括solid45、solid186兩種實(shí)體單元。

圖3 螺紋部分三維簡(jiǎn)化圖

圖4 螺紋部分有限元模型圖

(三)邊界條件與載荷。TY110x12梯形圓螺紋吊鉤承受100噸載荷，慮到動(dòng)載荷系數(shù)，按照1.25承載系數(shù)計(jì)算。螺旋副承受軸向載荷125噸，摩擦因子μ=0.1，嚙合數(shù)N=8。

五、模擬結(jié)果對(duì)比分析

(一)螺栓的應(yīng)力應(yīng)變分析

吊鉤螺紋材料為34Cr2Ni2Mo,屈服強(qiáng)度σs為700 MPa，強(qiáng)度極限σb為1000 MPa。

螺紋副在工作時(shí)最危險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)生在第一螺紋根部,存在著應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大主應(yīng)力σmax=628MPa,應(yīng)力小于螺紋材料的屈服極限σs=700MPa,滿足校核要求。最大剪切應(yīng)力Τmax=280MPa，剪切強(qiáng)度滿足要求。

鉤頭螺紋處應(yīng)力分布，可以提取螺紋牙最大等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力，如同所示，各圈螺紋最大等效應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力成遞減方式下降，前三圈遞減較快，第6圈,、第7圈及第6圈遞減較小，趨向平穩(wěn)，且最大應(yīng)力較小，可見(jiàn)螺紋圈數(shù)有優(yōu)化的空間。

(二)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

理論計(jì)算及有限元計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表1，有限元計(jì)算方法可見(jiàn)計(jì)算彎曲應(yīng)力，顯示彎曲應(yīng)力對(duì)螺紋牙應(yīng)力影響，計(jì)算更全面。

表1 結(jié)果匯總

六、結(jié)論

針對(duì)本文所作的有限元計(jì)算工作，可得到以下幾點(diǎn)有益的結(jié)論：

1.建立吊鉤螺旋副的有限元模型，由分析結(jié)果可知，螺紋處最大等效應(yīng)力隨圈增大而遞減。

2.梯形螺紋根部應(yīng)力集中由軸向載荷和局部彎曲載荷共同作用所致。

3.研究表明，螺紋圈數(shù)及吊鉤的材料有進(jìn)一步的優(yōu)化空間。

[1]陳昱璇.基于靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的起重機(jī)吊鉤分析與研究[D]太原科技大學(xué)2015

[2]GB/T10051.1-2010,起重吊鉤[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.

[3]錢學(xué)毅等.滑動(dòng)螺旋副螺紋牙根應(yīng)力有限元分析[J].北京：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006.

[4]吳宗澤 機(jī)械設(shè)計(jì)[M]北京： 高等教育出版社 2001