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(jī)主要由圓盤犁、圓盤耙、聯(lián)合整地機(jī)等構(gòu)成，具有工作效率高、作業(yè)質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。隨著時(shí)代的發(fā)展，耕整地機(jī)械已基本替代了傳統(tǒng)的人力勞動(dòng)，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力。機(jī)械化耕整地技術(shù)是通過農(nóng)業(yè)機(jī)械化方式對(duì)農(nóng)田和農(nóng)作物進(jìn)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(shí)，應(yīng)用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)、仿真、制造等技術(shù)，可以有效降低農(nóng)機(jī)的故障率，極大地提高農(nóng)機(jī)的可靠性。農(nóng)機(jī)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(jī)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(dòng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)。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(jì)方面還沒有形成統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范。螺栓連接的強(qiáng)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(qiáng)度時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行簡化，但是部分參數(shù)的計(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析成為螺栓連接強(qiáng)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(duì)稱模型、二維軸對(duì)稱模型和梁單元等。三維軸對(duì)稱模型可用于有偏置載荷的場(chǎng)合，但其在分析中忽略了螺紋升角的影響；二維軸對(duì)稱模型雖考慮了螺紋的存在，但忽略了螺旋效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；梁單元模型對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，忽略了螺紋細(xì)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(jī)的緊固螺栓和鏟座為研究對(duì)象，建立三維模型，應(yīng)用靜力學(xué)、接觸理論和有限元計(jì)算方法對(duì)深松機(jī)鏟座及緊固螺栓的力學(xué)性能進(jìn)行了分析和研究。研究結(jié)果為整地機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障分析、零件選用及設(shè)備的維護(hù)提供了相關(guān)理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

1 深松機(jī)鏟座有限元模型

深松機(jī)鏟座機(jī)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(shí)際測(cè)量相關(guān)零件參數(shù)，應(yīng)用SolidWorks進(jìn)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(shí)際的建模過程中，對(duì)螺栓和螺母的模型進(jìn)行了簡化，在分析時(shí)對(duì)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(jìn)行計(jì)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(jī)所用的材料要求很高，要具有高強(qiáng)度、剛度和韌性，還要求耐腐蝕。本實(shí)驗(yàn)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(jìn)行分析時(shí)，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(jì)算量越大，計(jì)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(huì)直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在網(wǎng)格劃分時(shí)，應(yīng)用Workbench自動(dòng)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(jī)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(jì)算及邊界條件的設(shè)置

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

2.2 邊界條件的設(shè)置

對(duì)裝配體進(jìn)行分析時(shí)，接觸對(duì)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(shí)際接觸狀態(tài)，將上壓板與機(jī)架、鏟座和機(jī)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(shí)際工作環(huán)境中，深松機(jī)與拖拉機(jī)是連接在一起的。因此，在邊界條件的設(shè)置中，機(jī)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(jì)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(jìn)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(duì)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(duì)稱性。在螺栓預(yù)緊力的作用下，鏟座固定位置的機(jī)架出現(xiàn)了擠壓變形，靠近螺栓部分的機(jī)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(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)架和螺栓應(yīng)該有足夠的剛度。如果機(jī)架剛度不夠，預(yù)緊力過大則會(huì)使機(jī)架產(chǎn)生塑性變形，從而出現(xiàn)鏟座松動(dòng)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?cè)茍D

3.2 上壓板的結(jié)構(gòu)分析

分析上壓板時(shí)，將其他零部件進(jìn)行隱藏。螺栓在預(yù)緊時(shí)，兩側(cè)的預(yù)緊力相等，上壓板的結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)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?yàn)樵诼菟A(yù)緊力的作用下，各個(gè)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(shí)，上壓板對(duì)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?cè)茍D

3.3 螺栓的結(jié)構(gòu)分析

為了觀察螺栓的計(jì)算結(jié)果，將其他所有的部件隱藏，對(duì)螺栓進(jìn)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(shí)候，出現(xiàn)了應(yīng)力分布不均的情況，靠近機(jī)架主梁的一側(cè)與背側(cè)應(yīng)力不相等。這是因?yàn)闄C(jī)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(jī)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(huì)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(duì)比發(fā)現(xiàn)，靠近機(jī)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(huì)出現(xiàn)裂紋的拓展，從而發(fā)生斷裂。根據(jù)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，螺栓最常見的疲勞斷裂位置是螺栓與螺母嚙合的第一個(gè)螺牙的牙底處，這是因?yàn)槁菟ê吐菁y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?cè)茍D，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(shí)驗(yàn)仿真分析的結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似。

圖14 螺栓的應(yīng)變?cè)茍D

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(jì)算方法，對(duì)深松機(jī)的鏟座、緊固螺栓和上壓板接受力進(jìn)行了分析研究，為深松機(jī)關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)，如果螺栓和被連接件存在結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)稱。在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)架應(yīng)該有足夠的剛度，否則當(dāng)預(yù)緊力過大，機(jī)架就極易產(chǎn)生塑性變形。

2）在螺栓預(yù)緊時(shí)，上壓板的變形存在對(duì)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(duì)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(jī)架的一側(cè)應(yīng)力、應(yīng)變較大；背側(cè)應(yīng)力、應(yīng)變較?。宦菟ㄅc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。