趙文元 ，楊嘉鵬 ，董曉紅 ，黃 卉

（新疆工程學(xué)院控制工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

我國常用的耕整地農(nóng)機主要由圓盤犁、圓盤耙、聯(lián)合整地機等構(gòu)成，具有工作效率高、作業(yè)質(zhì)量好的優(yōu)點。隨著時代的發(fā)展，耕整地機械已基本替代了傳統(tǒng)的人力勞動，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力。機械化耕整地技術(shù)是通過農(nóng)業(yè)機械化方式對農(nóng)田和農(nóng)作物進行管理，可以有效提高土壤的透氣蓄水能力，改善土壤結(jié)構(gòu)，覆蓋殘茬和雜草，防治病蟲害，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。同時，應(yīng)用現(xiàn)代化設(shè)計、仿真、制造等技術(shù)，可以有效降低農(nóng)機的故障率，極大地提高農(nóng)機的可靠性。農(nóng)機的使用極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作效率，為我國糧食生產(chǎn)安全提供了重要保障。

螺栓連接是機械裝備的常用連接件，是繼焊接、鉚接之后發(fā)展起來的一種連接方式，具有施工簡便、可拆換、受力好、不松動、安全性高等優(yōu)點。根據(jù)其受力狀況，可以分為摩擦型連接、承壓型連接和張拉型連接三種類型。目前，我國在螺栓連接設(shè)計方面還沒有形成統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范。螺栓連接的強度分析最常用的方法有解析法和有限元法。在用解析法分析螺栓強度時，需要對模型進行簡化，但是部分參數(shù)的計算極其復(fù)雜，從而限制了解析法的推廣和使用。近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元分析成為螺栓連接強度分析的主要方法。應(yīng)用有限元法分析的精度和所采用的模型類型有很大關(guān)系[1]，有限元分析中最常用的模型類型包括三維軸對稱模型、二維軸對稱模型和梁單元等。三維軸對稱模型可用于有偏置載荷的場合，但其在分析中忽略了螺紋升角的影響；二維軸對稱模型雖考慮了螺紋的存在，但忽略了螺旋效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響；梁單元模型對結(jié)構(gòu)進行了簡化，忽略了螺紋細節(jié)。因此，每一種分析方法都存在一定的不足，從而都影響了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[2]。

課題組以深松機的緊固螺栓和鏟座為研究對象，建立三維模型，應(yīng)用靜力學(xué)、接觸理論和有限元計算方法對深松機鏟座及緊固螺栓的力學(xué)性能進行了分析和研究。研究結(jié)果為整地機械的優(yōu)化設(shè)計、故障分析、零件選用及設(shè)備的維護提供了相關(guān)理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 深松機鏟座有限元模型

深松機鏟座機構(gòu)主要由緊固螺栓、上壓板、鏟座和深耕鏟構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過實際測量相關(guān)零件參數(shù)，應(yīng)用SolidWorks進行三維建模和裝配，結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。由于螺紋的受力分析極其復(fù)雜，因此在實際的建模過程中，對螺栓和螺母的模型進行了簡化，在分析時對螺栓和螺母按綁定處理。將建好的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件Workbench進行計算求解。

圖1 鑿式犁的三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 鏟座的尺寸結(jié)構(gòu)圖

生產(chǎn)深松機所用的材料要求很高，要具有高強度、剛度和韌性，還要求耐腐蝕。本實驗采用的材料為Q235碳鋼，參數(shù)如表1所示。

表1 Q235碳鋼材料參數(shù)

在ANSYS中進行分析時，網(wǎng)格劃分的大小和關(guān)鍵位置的網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分越緊密，計算量越大，計算的結(jié)果也越精確，而一些關(guān)鍵位置網(wǎng)格劃分類型的選擇也會直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在網(wǎng)格劃分時，應(yīng)用Workbench自動劃分網(wǎng)格功能，以確保關(guān)鍵位置的網(wǎng)格精度符合要求。深松機鏟座網(wǎng)格劃分圖，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

2 預(yù)緊力的計算及邊界條件的設(shè)置

2.1 預(yù)緊力的計算

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。當(dāng)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[3-5]為：

將式（1）整理得

式中，Tf為擰緊力矩；Fpre為預(yù)緊力；P為螺紋節(jié)距；dp為外螺紋有效直徑；ρ＇為當(dāng)量摩擦角；α為牙形半角；β為螺紋升角；μs為螺紋副摩擦因數(shù)；μw為螺母支撐面摩擦因數(shù)；dw為支撐面等效直徑；B為螺母對邊距；Di為螺栓孔直徑。

當(dāng)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[1-3]為：

式中，φ為螺母轉(zhuǎn)角；Kt為螺栓剛度；Kc為夾持件剛度。

在實際結(jié)構(gòu)中，鏟座是通過螺栓和螺母固定在機架上，依靠螺栓的預(yù)緊力，鏟座和機架產(chǎn)生摩擦力，限制了深耕鏟各個方向的自由度，從而達到固定深耕鏟的目的[4-6]。

2.2 邊界條件的設(shè)置

對裝配體進行分析時，接觸對的設(shè)置直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。預(yù)緊力的加載只能在非接觸面區(qū)域，根據(jù)實際接觸狀態(tài)，將上壓板與機架、鏟座和機架、螺栓和鏟座、螺母和上壓板的接觸都設(shè)置為摩擦接觸，摩擦系數(shù)為0.15。螺栓與螺母設(shè)為綁定約束[7]，如圖4所示。

圖4 連接件的邊界條件設(shè)置圖

在實際工作環(huán)境中，深松機與拖拉機是連接在一起的。因此，在邊界條件的設(shè)置中，機架設(shè)為固定約束。螺栓的預(yù)緊力是在擰緊力矩作用下，連接件之間螺桿產(chǎn)生的沿螺栓軸線方向的預(yù)緊力[8]。預(yù)緊力的大小和螺栓與螺母之間的摩擦力、螺母與被連接件之間的摩擦力、螺栓的擰緊力矩有關(guān)。在分析中，預(yù)緊力的添加是通過控制螺桿的收縮量來添加，收縮的長度為3 mm。

3 有限元仿真計算結(jié)果分析

3.1 鏟座的整體結(jié)構(gòu)分析

在設(shè)置完所有的關(guān)鍵參數(shù)及邊界條件后進行求解分析。先分析鏟座及螺栓整體，鏟座的形狀、螺栓分布及預(yù)緊力設(shè)置都存在對稱性。因此，鏟座、螺栓、上壓板的總變形、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的分布也存在對稱性。在螺栓預(yù)緊力的作用下，鏟座固定位置的機架出現(xiàn)了擠壓變形，靠近螺栓部分的機架出現(xiàn)了應(yīng)力、應(yīng)變集中現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)突變處的應(yīng)力和應(yīng)變最大，如圖5、圖6、圖7所示。因此，深松機在設(shè)計時，機架和螺栓應(yīng)該有足夠的剛度。如果機架剛度不夠，預(yù)緊力過大則會使機架產(chǎn)生塑性變形，從而出現(xiàn)鏟座松動的現(xiàn)象。

圖5 鏟座的變形云圖

圖6 鏟座的應(yīng)力云圖

圖7 鏟座的應(yīng)變云圖

3.2 上壓板的結(jié)構(gòu)分析

分析上壓板時，將其他零部件進行隱藏。螺栓在預(yù)緊時，兩側(cè)的預(yù)緊力相等，上壓板的結(jié)構(gòu)對稱。因此，上壓板兩側(cè)的變形、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變存在對稱性，如圖8、圖9、圖10所示。分析圖8發(fā)現(xiàn)，上壓板的中間變形較小，越靠近外側(cè)，變形越大。分析圖9和圖10發(fā)現(xiàn)，上壓板的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變分布存在集中的現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)突變的位置應(yīng)力、應(yīng)變最大?？椎奈恢靡渤隽藨?yīng)力、應(yīng)變集中的現(xiàn)象，這是因為在螺栓預(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。從梁板的等效應(yīng)力、等效應(yīng)變分布可以看出，螺栓連接各部件時，上壓板對螺栓產(chǎn)生了橫向剪切。

圖8 上壓板的變形云圖

圖9 上壓板的應(yīng)力云圖

圖10 上壓板的應(yīng)變云圖

3.3 螺栓的結(jié)構(gòu)分析

為了觀察螺栓的計算結(jié)果，將其他所有的部件隱藏，對螺栓進行了剖切觀察。螺栓的等效應(yīng)力分布圖如圖11所示，螺栓在固定鏟座的時候，出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均的情況，靠近機架主梁的一側(cè)與背側(cè)應(yīng)力不相等。這是因為機架主梁存在一定剛度，在螺栓預(yù)緊力的作用下，主梁、螺栓、上壓板之間產(chǎn)生了相互作用的內(nèi)力。因此，靠近機架的一側(cè)應(yīng)力較大，背側(cè)應(yīng)力較小。如果兩側(cè)的應(yīng)力大小分布差距過大，則會使螺栓出現(xiàn)彎曲失效現(xiàn)象，如圖12所示。

圖11 螺栓的應(yīng)力云圖

圖12 螺栓連接彎曲失效圖

螺栓兩側(cè)等效應(yīng)力沿外輪廓線的分布情況如圖13所示，分析對比發(fā)現(xiàn)，靠近機架一側(cè)的應(yīng)力較大，為拉伸應(yīng)力；外側(cè)的集中應(yīng)力較小，為擠壓應(yīng)力。螺栓與螺母接觸的位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，該位置最容易形成裂紋，在外部載荷的沖擊下，就會出現(xiàn)裂紋的拓展，從而發(fā)生斷裂。根據(jù)實驗統(tǒng)計，螺栓最常見的疲勞斷裂位置是螺栓與螺母嚙合的第一個螺牙的牙底處，這是因為螺栓和螺紋連接處的結(jié)構(gòu)發(fā)生了突變，螺牙的牙底出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在外部載荷的作用下，此處最容易發(fā)生疲勞斷裂，發(fā)生的概率為65%。

圖13 等效應(yīng)力沿外輪廓線的分布圖

螺栓的應(yīng)變云圖，如圖14所示；螺栓兩側(cè)等效應(yīng)變沿外輪廓線的分布情況，如圖15所示。分析可知，螺栓應(yīng)變的分布情況和應(yīng)力的分布情況相似。因此，本實驗仿真分析的結(jié)果與實際實驗結(jié)果相似。

圖14 螺栓的應(yīng)變云圖

圖15 等效應(yīng)變沿外輪廓線的分布圖

4 結(jié)論

課題組采用靜力學(xué)、接觸分析理論和有限元計算方法，對深松機的鏟座、緊固螺栓和上壓板接受力進行了分析研究，為深松機關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用提供了分析數(shù)據(jù)，得到了以下結(jié)論：

1）在無外部載荷作用時，如果螺栓和被連接件存在結(jié)構(gòu)對稱，則在添加相同的預(yù)緊力后該結(jié)構(gòu)的變形、等效應(yīng)力、等效應(yīng)變同樣對稱。在機械設(shè)計時，機架應(yīng)該有足夠的剛度，否則當(dāng)預(yù)緊力過大，機架就極易產(chǎn)生塑性變形。

2）在螺栓預(yù)緊時，上壓板的變形存在對稱性，最外側(cè)的變形最大，結(jié)構(gòu)突變出的位置出現(xiàn)了應(yīng)力、應(yīng)變集中的現(xiàn)象。上壓板與螺栓連接的孔處存在應(yīng)力和應(yīng)變分布不均的現(xiàn)象，在內(nèi)力的作用下，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，主梁、螺栓、上壓板之間產(chǎn)生了相互作用力。因此，靠近機架的一側(cè)應(yīng)力、應(yīng)變較大；背側(cè)應(yīng)力、應(yīng)變較小；螺栓與螺母接觸的位置應(yīng)力、應(yīng)變最大。在外部載荷沖擊的情況下，該位置最容易發(fā)生疲勞斷裂。