网站地图 原创论文网,覆盖经济,法律,医学,建筑,艺术等800余专业,提供60万篇论文资料免费参考
主要服务:论文发表、论文修改服务,覆盖专业有:经济、法律、体育、建筑、土木、管理、英语、艺术、计算机、生物、通讯、社会、文学、农业、企业

球铰结构的原设计方案及其改进

来源:原创论文网 添加时间:2019-09-02

  摘    要: 针对某建筑项目抗震所用的球铰关节结构,通过分析提出原有结构设计的不合理之处,进而对结构进行了优化设计,同时采用仿真分析手段验证了优化方案的合理性和可靠性。

  关键词: 球铰; 关节轴承; 抗震; 结构优化;

  1 、引言

  球铰作为一种典型的运动副,具有3个转动自由度,可绕某一点的任意方向旋转,在并联机构中得到越来越多应用[1,2]。球铰可以采用滑动配合或者滚动配合。滚动球铰摩擦阻力小,局限性是承载能力差、额定载荷较低,因此在并联机构设计中仍然以滑动球铰为主[3]。目前,在建筑抗震设计中,常常使用球铰关节来释放建筑结构某些自由度,改善结构内部的应力分布,减少应力集中现象,确保建筑结构的安全。常见球铰结构有盆式橡胶支座、球型铰支座,它通过抗震构造和液压减震元件的缓冲,消化吸收了地震所带来的冲击能量,减轻地震对建筑结构的破坏性[4]。

  因此,本文利用了球铰关节的抗震特点,设计并优化了某建筑项目所用到的球铰关节的结构。该球铰要求使用年限为50年,建筑钢结构安全等级为一级,建筑抗震设防为重点设防类。作为钢结构的铰接节点,该球铰结构主要承受拉力,设计载荷为1 000 kN,安全系数取1.5,极限载荷为1 500 k N,旋转摆动角±6°。为了解该球铰结构的受力情况,本文采用了有限元软件,对球铰关节进行仿真分析,通过对几何模型的边界条件设置、接触对设置、材料模型和网格划分等要素的设置,建立了球铰关节的仿真模型。为确保模型受力情况与节点实际受力一致,建模时将底座下部采用螺栓固定,受力杆件承受拉向的极限载荷,以此考察球铰关节的受力情况,评价结构的合理性和可靠性。

  2 、原始结构设计方案

  2.1、 初始设计结构

  某建筑项目原有球铰结构设计方案如图1所示,主要部件包括球头杆、球铰底座、球铰盖板三部分,其中球铰底座和球铰盖板以螺纹连接方式锁固,球头杆的球头部分落在底座和盖板内表面所包围的球窝中,而球头杆柄部带有内螺纹与外部建筑杆件进行连接固定。

球铰结构的原设计方案及其改进

  初始设计时,三个零件件均选用GCr15材料,热处理硬度要求为54HRC~60HRC。

  图1 球铰关节的原始设计方案结构
图1 球铰关节的原始设计方案结构

  2.2 、结构仿真分析

  通过有限元建模仿真分析,原球铰结构方案的极限载荷作用下的球头杆应力分布如图2所示,盖板应力分布如图3所示,底座应力分布如图4所示,位移分布如图5所示。

  图2 球头杆应力分布
图2 球头杆应力分布

  图3 盖板应力分布
图3 盖板应力分布

  图4 底座应力分布
图4 底座应力分布

  图5 位移分布
图5 位移分布

  从应力分布来看,球头杆最大等效应力为380.5 MPa,出现在球头杆柄部的内螺纹上,该零件应力较大区域主要在柄部和球面顶部;球铰盖板最大等效应力为321.0 MPa,出现在盖板的顶面开口内倒角处,而内螺纹上部也出现一定程度的应力集中;球铰底座最大等效应力为176.6 MPa,出现在外圆柱面与下部法兰的连接处。由图5可知,球铰的球头杆位移量最大,其数值最大为2.073 mm,而底座和盖板则变形较小,均在1.2 mm以下。

  2.3、 原结构存在问题

  通过观察原结构设计方案,可以看出该方案存在以下问题: (1) 原设计方案的球铰关节结构较为简单,在使用过程中内部球面滑动摩擦副会有磨损、黏合现象,润滑、防水、防尘与防腐蚀等问题会使产品寿命变短,无法保证50年的使用寿命。 (2) 球铰关节结构的轴向游隙无法精确调整,影响使用安装精度,容易造成过紧卡死或者过松窜动的现象。 (3) 结构受力时,零件内部的应力分布高低差别较大,球头杆内螺纹、盖板的顶部端口处存在较大应力集中现象,而整体结构的下部分基本处于低应力区,承载安全系数富裕度较大。 (4) 球铰关节各零件均采用GCr15材料,而零件的壁厚差别较大,在热处理过程中无法实现整体淬硬,存在表层硬度偏高、芯部硬度偏低现象,在壁厚差别较大的地方更容易引起淬火裂纹、变形不一致的问题,造成产品装配精度低和使用寿命短等问题。可见,原设计方案并不是最佳方案,需要进一步优化设计球铰关节节点的结构,改善内部受力和加工所存在的工艺问题。

  3、 优化设计后方案

  3.1、优化后结构

  根据上面所述的结构问题,对原有球铰关节的结构进行了调整,优化后的结构方案如图6所示。此结构引入了一种关节轴承的新型球铰结构,零件包括销轴、底座、底板、两套带自润滑材料角接触关节轴承和一套防护装置(包括O形密封圈、环形紧箍圈、不锈钢波纹管密封罩、内六角螺钉、压板等组成)。

  新旧结构对比,主要变化如下:原有球头杆零件变为销轴和关节轴承内圈3个零件,壁厚均匀性较为一致,热处理变形小、硬度分布更为均匀。球铰底座和盖板变为底座、底板和关节轴承外圈4个零件,各零件的壁厚较为一致,热处理变形小、硬度分布更为均匀。底板与底座采用螺纹连接结构,可起到调整轴承径向游隙作用,待轴承游隙调整好后,可对底板进行点焊加固,防止螺纹松懈造成游隙变大,从而防止结构受冲击时带来的轴向窜动。两套角接触关节轴承外圈和内圈材料为钢/钢,内圈外球面镶嵌固体自润滑材料,可有效保证结构的自润滑作用,从而实现免维护并延长使用寿命。新结构考虑了防水、防尘、防腐蚀因素,增加了顶部的防护罩等装置,可防止外部杂物进入内部造成轴承卡死损坏,从而延长产品的使用寿命。新结构的外形尺寸做了适当减小,使结构更加紧凑,内部受力更加合理,质量由原来的350 kg减少至310 kg,减去约11%。

  此外,新方案的销轴可实现360°周向转动、±10°摆动,能承受轴向和侧向高载荷的静载或动载作用,用在普通建筑的抗震结构中,可承受一般地震冲击和外部激励交变载荷的频繁作用。总之,新结构方案设计易于维护,维护成本低,使用寿命更长。

  图6 优化的球铰关节设计方案结构
图6 优化的球铰关节设计方案结构

  3.2、 结构仿真分析

  同理,新结构方案的球铰关节,在轴向极限载荷为1 500 k N作用下,其主要承载零件的等效应力分布及位移分布分别如图7~图12所示。

  图7 销轴应力分布
图7 销轴应力分布

  图8 上、下轴承外圈应力分布
图8 上、下轴承外圈应力分布

  图9 上、下轴承内圈应力分布
图9 上、下轴承内圈应力分布

  图1 0 底座应力分布
图1 0 底座应力分布

  图1 1 底板应力分布
图1 1 底板应力分布

  图1 2 位移分布
图1 2 位移分布

  从图7~图11可看出,销轴最大等效应力为409.2 MPa,发生在中部凸台与销轴连接过渡圆角处;外圈最大等效应力为317.9 MPa,出现在上轴承外圈,而下轴承外圈受力很小;内圈最大等效应力为262.5 MPa,同样出现在上轴承内圈;底座最大等效应力为345.5 MPa,出现在底部台阶与外圆柱面过渡圆角上;底板最大等效应力为129.8 MPa,出现在螺纹的最下部。

  由图12可知,球铰结构的最大位移量为3.049 mm,比原结构位移量2.073 mm略大,但此位移属于弹性变形量,载荷卸除时可恢复原状态,不影响节点的使用。由此可得,各零件的最大等效应力均低于材料的屈服强度,不仅能够满足设计承载载荷要求,而且内部应力分布更加合理、均匀。

  4、结论

  球铰结构的原设计方案构造简单,在润滑、防水、防尘与防腐蚀方面并未考虑,而且承载时内部应力分布不是非常合理。新优化设计的球铰关节结构更加紧凑,各零件的壁厚分布更加均匀,内部受力更加合理,而且解决了防水、防尘、防腐蚀和润滑等问题。优化后的球铰结构质量比原来的减轻了40 kg,所减质量比例达到了11%。

  参考文献:

  [1]刘天柱.基于3-RPS并联机构的自调平升降机设计与研究[D].淄博:山东理工大学,2017.
  [2]苗蓉.基于BP神经网络的并联机构误差分析[J].机床与液压,2017, 45 (11) :13-17.
  [3]刘良宝,吴振强,张洁,等.滑动球铰的精度分析及减摩优化[J].航空精密制造技术,2018, 54 (6) :28-31, 36.
  [4]金巧,谢飞.民用建筑抗震滑移球铰支座应用[J].江苏建筑,2013 (5) :24-26.

重要提示:转载本站信息须注明来源:原创论文网,具体权责及声明请参阅网站声明。
阅读提示:请自行判断信息的真实性及观点的正误,本站概不负责。