球鉸滑片間距對球鉸受力影響分析

楊 康，鄭朋飛，何平根，韓家山，路 暢

(中船雙瑞(洛陽)特種裝備股份有限公司,河南 洛陽 471000)

1 概述

轉體球鉸在橋梁建設中得到越來越多的應用,目前應用技術已日趨成熟[1-2]。轉體球鉸主要由上球鉸、下球鉸及非金屬滑片等部分組成[3-4]。

非金屬滑片主要起到傳力和減小摩擦作用,滑片間距可能會對球鉸受力產生影響,但相關研究較少。球鉸不同球半徑的大小同樣可能會對球鉸受力產生影響[5]。因此,為探究球半徑對球鉸受力產生的影響,本文對不同球半徑的球鉸受力情況進行對比研究分析。

本文以一座連續橋30 000 kN的轉體球鉸為例,結合轉體項目實際情況對球鉸進行三維建模并采用有限元計算的方法對球鉸進行分析,分別建立了不同滑片間距和不同球半徑球鉸的三維模型,并通過有限元計算對比分析了球鉸滑片間距和球半徑對球鉸受力的影響。

2 轉體球鉸靜態受力特性影響分析

上、下球鉸由球面面板、網格筋等組成,網格筋主要由內、外環筋和直筋相交而成[6-7]。銷軸穿過上、下球鉸,放置在銷軸套筒中,可以抵抗球鉸轉動時的傾覆力矩(見圖1)。

2.1 球鉸仿真模型的構建

根據實際分析、計算的需要,球鉸靜態受力分析時,只考慮球鉸豎向載荷,銷軸不參與球鉸傳力[8-10]。根據有限元計算要求對球鉸、混凝土承臺建立三維模型[11](見圖2),并進行兩種模型的有限元計算對比具體方式如下:

1)保持球鉸滑片數量不變的情況下改變球鉸滑片的間距。

2)保持球鉸滑片間距、球鉸滑片數量不變的情況下,改變球鉸的球半徑的兩種球鉸建模方式分別建立5種模型。建模情況如表1所示。

表1 球鉸建模參數

2.2 球鉸的有限元結果分析

2.2.1 滑片應力分析

滑片應力分析見表2,表3,圖3。

表2 球鉸滑片不同間距滑片應力 MPa

表3 不同SR/D球鉸滑片應力 MPa

從表2,表3及圖3可知,雖然球鉸滑片間距不同,但球鉸滑片所受應力的分布特性相同。球鉸滑片所受應力分布不均勻,外圈所受的應力與內圈所受應力相差較大,滑片所受應力從內圈到外圈沿半徑方向增大。通過提取同一圈滑片上的應力,得到同一圈滑片上應力最大值和最小值相差在6%以內,因此球鉸靜態受力時相同半徑上的球鉸滑片受力大小基本相同。球鉸滑片隨間距減小,所受應力也在減小。由圖3(c),圖3(d)和圖3(e)及表3對比分析可知,在球鉸滑片間距相同時,球鉸面板球半徑的變化對球鉸滑片受力影響相對較小。

2.2.2 滑片變形分析

滑片變形分析見表4,表5,圖4。

表4 不同間距球鉸滑片變形 mm

表5 不同SR/D球鉸滑片變形 mm

從表4,表5及圖4可知,靠近球鉸中心的滑片相對變形量較小,靠近球鉸外側的滑片相對變形量較大。通過提取同圈球鉸滑片的相對變形量,同圈上球鉸滑片最小變形量與最大變形量相差4%以內。

2.2.3 上球鉸應力分析

上球鉸應力分析見表6,表7,圖5。

表6 滑片不同間距的上球鉸受力 MPa

表7 不同SR/D上球鉸受力

從表6,表7及圖5可知,靠近球鉸中心位置的球鉸面板所受的應力較小,離球鉸中心位置較遠球鉸面板所受應力較大,上球鉸的最大應力出現在球鉸面板的外側。球鉸面板所受最大應力的位置對應球鉸滑片最外圈,該圈上的球鉸滑片受力最大。隨著球鉸滑片間距的減小,球鉸面板所受最大的應力減小。從表7可知,球鉸滑片的間距相同時,SR/D取值的不同對上球鉸的受力影響稍小。

2.2.4 上球鉸受力變形分析

上球鉸受力變形分析見表8,表9,圖6。

表8 滑片不同間距上球鉸變形 mm

表9 不同SR/D上球鉸變形 mm

從表8,表9及圖6可知,靠近球鉸中心位置的上球鉸面板相對變形量較小,靠近球鉸邊緣位置上球鉸相對變形量較大。最大相對變形量出現在球鉸面板的最外側,由于球鉸滑片最外圈受到的應力最大,因此對應上球鉸面板最外側相對變形最大。

2.2.5 下球鉸受力分析

下球鉸受力分析見表10,表11,圖7。

表10 滑片不同間距下球鉸受力 MPa

表11 不同SR/D下球鉸受力

從表10,表11和圖7可知,下球鉸面板處所受應力較大位置主要位于球鉸滑片約束坑內,距離球鉸中心較遠的位置下球鉸面板所受的應力較大,離球鉸中心距離較近球鉸面板所受的應力較小,該分布情況與球鉸滑片受力情況趨勢相似。當球鉸滑片間距相同時,球半徑SR對下球鉸的受力影響相對較小。

2.2.6 下球鉸受力變形分析

下球鉸受力變形分析見表12,表13,圖8。

表12 不同滑片間距的下球鉸變形 mm

表13 不同SR/D下球鉸變形 mm

從表12,表13和圖8可知,下球鉸相對最大變形部分分布于球鉸滑片約束坑處。

3 結論

通過對不同滑片間距及不同球半徑的球鉸建模仿真對比分析得到以下結論:

1)球鉸靜態受力時,球鉸滑片的受力、變形在球面上分布不均勻。內圈與外圈受力相差較大,靠近外圈的球鉸滑片受力、變形較大,靠近球鉸中心的滑片受力較小。同圈上的球鉸滑片受力、變形情況相差較小。工程應用時,應適當提高球鉸滑片的安全系數,防止球鉸滑片平均壓力較大時,內圈滑片所受應力較小,外圈滑片應力過大從而發生損壞。

2)球鉸滑片數量不變時,滑片間距較小時,球鉸滑片、上、下球鉸受力情況相對較好。因此,對于受豎向力較大的球鉸,在滑片數量不變情況下,可在合理尺寸范圍內降低滑片間距,改善球鉸受力情況。

3)當球鉸滑片間距一定時,球鉸球半徑SR與球鉸半徑D比值SR/D對球鉸滑片及上、下球鉸的受力情況影響相對較小。因此,球鉸設計、制造時可適當增大球鉸球半徑,在不改變球鉸受力情況下可減小球鉸的整體結構重量。