某叉车轮辋螺栓松动问题分析与改进.pdf

第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()某叉车轮辋螺栓松动问题分析与改进卓纳麟(安徽合力股份有限公司,安徽合肥 )摘要:以发生松动断裂的某叉车驱动轮轮辋螺栓为研究对象,结合W o r k b e n c h有限元分析与德国V D I 标准规范对轮辋螺栓进行强度校核.首先使用有限元分析方法得到考虑工况下螺栓受到的力和力矩,然后接合V D I 中的公式和数据计算得到R 工作应力和R 交变应力的安全系数,从而实现了轮辋螺栓的强度校核.校核结果表明R 工作应力的安全系数不满足要求.基于尽量少进行结构变动的原则,只改变轮辋螺栓的规格,使用M 细牙螺栓替换原M 细牙螺栓,再次校核结果表明强度满足要求,最终顺利通过强化试验,充分验证了分析的准确性.关键词:有限元;叉车;轮辋螺栓;松动中图分类号:T P U 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:卓纳麟(),男,安徽安庆人,工程师,硕士,从事叉车整体设计工作.引言德国的V D I 标准规范是对高强度螺栓进行校核的准确、可靠方法,它由德国机械工程师协会在 年首次制定,经历多次修订,已经应用三十多年,得到无数次的检验,该标准规范是公认的高强度螺栓校核的有效方法.V D I 标准规范包括P a r t 和P a r t 两个部分,P a r t 针对单螺栓连接进行评估,具体内容包括螺栓的设计选型与强度校核;P a r t 则针对多螺栓连接给出分析计算方法.在使用V D I 标准规范校核多螺栓连接问题时,需要结合使用P a r t 和P a r t 的内容,通常要求给出P a r t 中的个校核结果,包括R 工作应力、R 交变应力、R 表面压强和R 滑移 .对于简单的单螺栓连接结构可以结合V D I 用手工计算的方式对螺栓进行校核,但对于多螺栓连接结构,受力往往很复杂,手工计算难以实现;利用有限元方法很容易获得多螺栓连接结构的力、力矩和应力结果,因为螺栓存在应力集中等原因,所以很难直接使用分析得到的应力结果对螺栓进行评价,.将二者结合则能取长补短,实现对多螺栓连接结构中螺栓的校核.叉车中轮辋与轮毂之间使用螺栓螺母进行紧固连接,为了保证安装装配的同心度满足要求,通常会采用锥面螺母或球面螺母,通过与轮辋上的锥面孔进行配合,便能实现通过螺母直接定位轮辋的目的.某叉车的轮辋螺栓在进行强化试验时出现松动甚至断裂的问题,本文以此为研究对象,首先使用W o r k b e n c h有限元分析手段获得螺栓受力,再通过V D I 标准对螺栓强度进行校核,最后对结构进行改进,使螺栓强度满足要求.基于W o r k b e n c h的轮辋有限元分析某叉车的轮辋螺栓损坏情况如图所示.图轮辋螺栓损坏情况 有限元仿真模型建立使用有限元软件AN S Y S W o r k b e n c h对轮辋及螺栓进行建模分析,同时在分析结果中获取螺栓受到的外力和外力矩,用于螺栓计算校核.分析模型中仅考虑对螺栓会产生直接作用的零件,包括轮辋、输出轴,不考虑轮胎以及与输出轴配合的其他零件.首先对三维模型进行简化处理,去掉离螺栓较远的小倒角、小圆角、键槽等特征,在轮辋的外圆上切割出圆心角为 的区域用于施加轮子受到的地面支撑力;进行网格划分时为了能对螺栓连接位置的局部网格进行更多的控制,将轮辋切割成两圈,轮辋外圈的网格可以不做特别要求,轮辋内圈的螺栓安装孔部分划分成精细规则的网格.对螺栓进行适当的几何处理与简化,包括将螺栓与螺母的螺纹段简化为圆柱面,直径取为螺纹的小径,螺母及螺栓头部将六角形简化为圆形.最终得到的用于分析的几何模型如图所示.图简化处理后的几何模型划分网格时使用AN S Y S W o r k b e n c h默认的二阶单元,轮辋外圈和输出轴设置网格尺寸为mm,轮辋内圈和输出轴的螺栓安装位置网格尺寸为mm,控制螺栓孔表面网格形状为直角三角形并将局部网格尺 寸 继 续 细 化 为 mm.螺 栓 和 螺 母 使 用“M u l t i Z o n e”方法划分六面体网格,并控制网格尺寸为mm,最终得到 的网格模 型 包 含 个 单 元、个节点,如图所示.图划分得到的网格模型将模型中分割得到的轮辋外圈和轮辋内圈之间建立绑定接触,螺母与螺栓之间建立绑定接触,其他装配接触面之间建立摩擦接触,摩擦因数取为.分析考虑的工况为该前移式叉车空载轮负荷最大时轮子受地面支撑力的工况,取 倍动载系数以考虑颠簸等带来的影响.约束输出轴上两处轴承安装配合面,一处约束个平移自由度,一处约束个平移自由度和绕Y轴的旋转自由度.载荷通过两个载荷步施加,第一载荷步施加螺栓的预紧力,第二载荷步施加轮子受到的地面支撑力.轮辋螺栓规格为M 细牙螺栓,强度等级为 级,根据预紧扭矩要求查表得到其预紧力为 N,考虑 倍动载系数的支撑力为 N,得到的加载模型如图所示.分析结果通过设置“A n a l y s i sS e t t i n g s”中的输出控制部分,可以分析输出接触面的接触力,以供后期基于V D I 标准规范进行螺栓计算校核时使用.图加载模型分析得到的轮辋螺栓应力云图如图所示,在螺栓头部的直角位置存在应力奇异现象,应力很大,在螺栓与螺母配合段位置应力也很大,如果只对裸露的螺纹段标注大应力,可以得到大应力为 MP a.由于没有系统有效的有限元分析方法来直接利用结果应力对螺栓进行校核,因此该分析结果中的大应力不适合直接使用.图轮辋螺栓应力云图 基于V D I 的轮辋螺栓校核由于螺母是球面螺母,对R 和R 的计算存在困难,因此本次校核内容只包括R 和R.其中R 工作应力用来校核螺栓在单次受载时静强度是否超过材料的屈服极限,考察的是螺栓是否发生塑性变形;R 交变应力用来校核螺栓在承受交变载荷时的疲劳强度,考察的是螺栓是否发生疲劳,.通过有限元分析可以得到螺栓头部受力以及螺栓螺纹段受到的接触反力和反力矩,包括第一载荷步中只有螺栓预紧而产生的以及第二载荷步中轮辋承受支撑力产生 的力和力矩.结合V D I 中P a r t 和P a r t 的计算公式及表格数据,可以得到轮辋螺栓的强度校核结果,如表所示.其中计算R 交变应力项目时假设交变载荷循环次数为 万次.年第期卓纳麟:某叉车轮辋螺栓松动问题分析与改进由表可以看出:在考虑的分析工况下,轮辋螺栓的R 工作应力项目的安全系数为 ,小于,静强度不满足要求,单次加载后可能会产生塑性变形,当多次承载后便可能导致螺栓被拉长,预紧力下降,从而发生松动甚至断裂的问题;R 交变应力的安全系数为 ,大于,疲劳强度满足要求.表轮辋M 细牙螺栓强度校核结果类别数值R 工作应力工作状态等效应力(MP a)螺栓屈服强度(MP a)安全系数 R 交变应力疲劳交变应力(MP a)螺栓疲劳极限应力幅(MP a)安全系数 结构改进与分析校核通常提高螺栓强度的措施有:螺栓自身加强,包括增加螺栓强度等级、加大螺栓的尺寸规格、使用细牙螺栓代替粗牙螺栓;对被紧固连接零部件进行结构改进,以改善相同工况下的螺栓受到的力和力矩,通常需要对零部件进行加强处理.本次分析的轮辋等零部件由于是现有的产品,进行结构改进会涉及模具变动,不是简单易行的方法,同时考虑前文基于V D I 标准规范对螺栓进行的校核结果中只是R 工作应力项目的安全系数偏小,稍作加强便能使其满足要求,因此决定对轮辋螺栓进行加强,将原M 细牙螺栓替换为M 细牙螺栓,强度等级仍然选用 级.根据预紧扭矩要求查表得到其预紧力为 N.进行相同工况的分析,再次结合V D I 得到改进后的螺栓强度结果,如表所示.表轮辋M 细牙螺栓强度校核结果类别数值R 工作应力工作状态等效应力(MP a)螺栓屈服强度(MP a)安全系数 R 交变应力疲劳交变应力(MP a)螺栓疲劳极限应力幅(MP a)安全系数 由表可以看出:螺栓改用大尺寸规格后,强度校核结果中的R 和R 项目的安全系数均明显提高,均能满足要求,因此不需要再对轮辋和输出轴等零件进行加强处理.使用M 细牙螺栓替换原轮辋螺栓装车,进行强化试验,没有再发生螺栓松动问题,问题得到解决.结束语有限元法可以对复杂结构进行分析校核,得到应力结果、零件受力结果,但难以直接根据分析结果对螺栓进行校核,V D I 可以很好地对螺栓进行计算校核,但是对多螺栓连接结构手工计算螺栓受力很困难.将二者结合可以取长补短,实现对多螺栓连接结构的校核.本文正是接合有限元法和V D I 实现了轮辋螺栓的强度校核,使用有限元法得到考虑工况下螺栓受到的力和力矩,再使用V D I 计算得到R 工作应力和R 交变应力的安全系数,从而实现了轮辋螺栓的强度校核.参考文献:德国工程师协会 V D I P a r t高强度螺栓连接系统计算 单圆柱螺栓连接S德国:德国工程师协会,:德国工程师协会 V D I P a r t高强度螺栓连接系统计算 多螺栓连接S德国:德国工程师协会,:谢普康,商潭苏,谢克艳,等基于V D I 的某型柴油机缸盖螺栓紧固规范研究J拖拉机与农用运输车,():王红志,周保君,刘铁基于AN S Y S的三维螺栓联接静强度分析J机电工程技术,():何玉林,张立刚,韩德海,等风力机轮毂和轴承螺栓联接接触分析J重庆大学学报,():,沈辉,胡春阳,张岩基于H y p e r W o r k s的某型叉车驱动轮轮辋强度分析J现代机械,():柳黎,柳雪春基于V D I设计的列车大型疲劳试验台液压作动器连接螺栓强度分析J中国高新科技,():李娅娜,苏张思麒 V D I 标准关键参数对螺栓强度校核的影响研究J机械制造,():A n a l y s i sa n dI m p r o v e m e n t o fL o o s eB o l t so nF o r k l i f tR i mZ H U ON a l i n(A n h u iH e l iC o,L t d,H e f e i ,C h i n a)A b s t r a c t:T a k i n gt h er i mb o l to ft h ed r i v i n gw h e e lo faf o r k l i f tt r u c kt h a th a sl o o s e n e s sa n df r a c t u r ea st h er e s e a r c ho b j e c t,t h es t r e n g t ho f t h er i mb o l t i sc h e c k e di nc o m b i n a t i o nw i t ht h eW o r k b e n c hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dt h eG e r m a nV D I s t a n d a r ds p e c i f i c a t i o n F i r s t,t h e f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o d i su s e dt oo b t a i nt h e f o r c ea n dm o m e n t o f f o r c eo f t h eb o l tu n d e r t h ew o r k i n gc o n d i t i o nu n d e r c o n s i d e r a t i o n,a n dt h e nt h es a f e t yf a c t o ro fR w o r k i n gs t r e s sa n dR a l t e r n a t i n gs t r e s s i sc a l c u l a t e db yc o m b i n i n gt h e f o r m u l aa n dd a t a i nV D I ,t h u s,t h e s t r e n g t hc h e c ko f t h e r i mb o l t i s r e a l i z e d T h e c h e c kr e s u l t s s h o wt h a t t h e s a f e t y f a c t o ro fR w o r k i n gs t r e s sd o e sn o tm e e t t h e r e q u i r e m e n t s B a s e do n t h ep r i n c i p l eo fm i n i m i z i n gs t r u c t u r a l c h a n g e s,o n l y t h e s p e c i f i c a t i o n so f r i mb o l t sw e r ec h a n g e d,a n dM f i n e t h r e a db o l t sw e r eu s e dt or e p l a c et h eo r i g i n a lM f i n et h r e a db o l t s T h er e c h e c kr e s u l t ss h o wt h a t t h e s t r e n g t hm e e t s t h e r e q u i r e m e n t s,a n d f i n a l l y i tp a s s e dt h e i n t e n s i v e t e s t s u c c e s s f u l l y,w h i c hf u l l yv e r i f i e dt h ea c c u r a c yo f t h ea n a l y s i s K e y w o r d s:f i n i t ee l e m e n t;f o r k l i f t;r i mb o l t;l o o s e机 械 工 程 与 自 动 化 年第期