轨道压板螺栓焊缝动力学等效模拟研究

范　勤，葛文豪，魏国前

(武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081)



轨道压板螺栓焊缝动力学等效模拟研究

范勤，葛文豪，魏国前

(武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081)

摘要：针对起重机轨道压板螺栓焊缝的开裂现象，提出一种等效模拟的动力学仿真方法对其进行分析。以某炼钢厂铸造起重机为对象，采用Adams和HyperMesh进行联合仿真，在Adams中借助拉压弹簧阻尼器等效模拟螺母的挤压以及焊缝的连接，以减少有限元分析的计算量；在HyperMesh中将桥架梁作柔性化处理，以提高整个仿真模型在竖直方向的振动精度。将有限元仿真结果与实测值进行比较，结果表明，焊缝处应力值的仿真结果与实测值相一致。这验证了等效螺栓焊缝动力学仿真方法的正确性和有效性。

关键词：小车轨道；轨道压板；螺栓焊缝；刚柔耦合；等效模拟；弹簧阻尼器；动力学仿真

起重机作为特种生产设备，它的设计、制造、安装、维修、检测都有对应的标准与安全技术规范，但小车轨道作为桥式起重机的直接承重部件，其固定方案却是参考铁路轨道标准设计的，其中一套压板式轨道固定方案，是利用螺栓焊接、螺母紧固的方式，用压板将轨道固定在起重机桥架梁上[1]。这种固定方式具有安装维护方便等优点，但在工作级别较高的铸造桥式起重机小车轨道上应用时，由于承载小车移动引起主梁弹性变形，使得压板螺栓焊缝受到交变应力作用，易出现断裂现象。因此，起重机轨道固定装置的研究备受重视。吴爱京[2]分析了起重机轨道的力学特点以及轨道压板的安全性。魏国前等[3]研究了起重机轨道压板的布置方式对压板受力状态的影响。饶刚等[4]研究了起重机增容对压板螺栓焊缝受力的影响。以上研究都是从静力学角度展开分析，得出的应力结果用于解释轨道压板螺栓焊缝开裂的现象存在较大误差；而如果从动力学角度进行分析，则面临整机的压板、螺栓、焊缝数量过多，造成动力学方法在有限元分析中难以实现的困难。为此，本文将某炼钢厂铸造起重机小车轨道的螺栓用拉压弹簧阻尼器来等效模拟，从而减少有限元模型的单元和节点数量，使其有限元模拟分析成为可能。

1动力学仿真分析

1.1起重机基本参数

本台铸造起重机为四梁结构，跨度为25 m，主小车起重量为180 t，额定行走速度为36 m/min。轨道压板螺栓的公称直径为24 mm，弹性模量为21 GPa，连接长度为27 mm。轨道压板螺栓焊缝的焊接材料为E4303，抗拉极限为420 MPa。

1.2等效螺栓焊缝动力学模型的建立

韩铁拴等[5]以轨道截面为研究对象，将螺母的挤压与焊缝的连接用弹簧替换，提出简化方程：

(1)

式中：F为螺栓总拉力；Kf为螺栓等效连接刚度；ΔL为主梁弹性变形量。

Shigley等[6]通过数字分析和有限元分析来计算螺栓等效连接刚度，提出螺栓等效连接刚度公式：

(2)

式中：d为螺栓公称直径；E为连接材料的弹性模量；L为连接长度。

为了提高竖直方向振动的精度，本研究在Adams中选用多柔体系统动力学模型进行求解分析，运动学微分方程如下：

(3)

有限元单元的运动学求解迭代次数随着柔性体质量矩阵M数量的增加而增大。质量矩阵M由每个质量单元的平动、旋转以及模态自由度组成。整机的压板、螺栓、焊缝质量单元数量过多，导致质量矩阵M数量过多，运动学求解迭代难以进行。如果将轨道固定装置中螺栓与焊缝的运动学模型用Adams中的拉压弹簧阻尼器力学模型替代，减少整机运动学模型的求解迭代次数，则轨道固定装置的动力学有限元分析成为可能。拉压弹簧阻尼器力学模型公式如下：

(4)

式中：C为粘滞阻尼系数；r为弹簧两端的相对位移，r0为弹簧两端的初始相对位移，本文中取r-r0=ΔL；K1为弹簧刚度系数，本文中取K1=Kf；F0为弹簧的预紧力。

1.3等效螺栓焊缝动力学仿真方法

将Creo中生成的3D模型分别导入Adams与HyperMesh中进行联合仿真[7]，在HyperMesh中保留铸造起重机的主要构件桥架梁，删除其余构件，将桥架梁柔性化处理，其中螺栓与桥架梁焊接处的环形焊缝采用多点约束单元模拟，用于后续刚性体压板与柔性体桥架梁的连接。将HyperMesh中生成的中性文件导入Adams中作刚柔替换，在刚柔耦合后的刚性节点处添加拉压弹簧阻尼器，将压板压在轨道与桥架梁上，添加合适的约束和驱动，进行有限元动力学仿真。

1.3.1三维模型的建立

本台铸造起重机的副主梁与端梁为对接连接，其自重载荷以及副小车自重载荷对主梁影响很小，为简化计算，在3D建模时将其省略。由于本次模拟的工况为满载小车在跨中区域移动，故建模时轨道固定装置只重点描述跨中区域8 m范围内的部分，其余部分以及大车车轮等均作简化处理。主小车以质量、惯性矩相同的等效立方体替代。利用Creo软件建立铸造起重机的3D模型。

1.3.2创建柔性体

为提高仿真中整机系统竖直方向的振动精度，保证轨道压板螺栓焊缝动力学特性与实际相吻合，须将钢丝绳及桥架梁柔性化。由于钢丝绳结构简单，故在Adams中直接采用离散柔性构件连接(Build/Flexible Bodies/Discrete Flexible Link)，其原理是将一个构件离散成若干段刚性构件，这些刚性构件之间彼此采用柔性梁连接起来[8]；而桥架梁结构复杂，因此将桥架梁导入HyperMesh中进行柔性化处理，处理过程中，桥架梁在轨道压板螺栓焊缝环形区域处须用多点约束单元进行处理，刚性节点外置，并设为高刚度、小质量的结构点单元。焊缝的等效处理结果如图1所示。

图1　焊缝的等效处理结果

将采用HyperMesh柔性化处理后的桥架梁以中性文件形式导入Adams中进行刚柔替换，得到柔性化后起重机的整机模型如图2所示。

图2　铸造起重机整机模型

1.3.3边界条件与驱动的添加

车轮与小车用旋转副约束；小车轮与轨道、轨道与桥架梁、压板与轨道均用Contact约束；桥架梁与地面用固定副约束；压板与桥架梁用拉压弹簧阻尼器约束。由式(2)计算可得螺栓等效连接刚度为9.1 GN/m，故设置拉压弹簧阻尼器的刚度为9.1 GN/m，阻尼为0，添加预作用力58 kN来模拟螺栓预紧力。

添加运动副后，在小车轮旋转副处添加驱动来模拟小车的行走工况：0～10 s，小车从跨中向西开4000 mm；10～30 s，小车反向向东开8000 mm；30～40 s，小车向西开4000 mm回到跨中。

1.4仿真结果与分析

由于轨道压板螺栓焊缝数量多，为了方便后续研究，提取图3所示典型位置(1#～4#螺栓)处的拉压弹簧阻尼器应力，用此代替螺栓焊缝应力。提取得的等效焊缝应力如图4所示。由图4中可以看出，小车来回运动一个周期，焊缝的最小应力为120 MPa，最大应力为220 MPa，应力幅值为100 MPa。实际生产中，小车持续来回运动，轨道压板螺栓焊缝承受脉动循环应力。

图3　应力提取的位置

图4　螺栓等效焊缝应力曲线

2实测验证

2.1测量方法

图5所示为自制压板螺栓压力传感器，使用前对其进行标定。实测中，在测点处采用压板螺栓压力传感器替代弹簧垫圈，在传感器外圆柱面上粘贴8片电阻应变片，4片横向，4片纵向，并连接成全桥形式。测点布置位置选在图3所示的1#～4#螺栓处。

图5　压板螺栓压力传感器

2.2测试过程与结果分析

测试前，先将4个螺栓压力传感器分别装入图3中相应螺栓处，测得连接螺栓预紧过程的受拉信号曲线如图6所示。由图6可以看出，由于人为操作原因，4个螺栓达到规定预紧力58 kN的时间各不相同，但最终受力误差均在10%以内，属于正常现象，可忽略不计。

然后进行持续约45 min的应力测试工况，测试过程中吊车的运行情况如表1所示，得到螺栓受力信号曲线如图7所示。

(a) 1#测点

(b) 2#测点

(c)3#测点

(d) 4#测点

时间/min吊车运行情况0～4主小车停在东端,副小车向西行驶,并停至跨中。4～10主小车从东端向西行驶,并在跨中作短时间停留,大车向南行驶。10～12.5主小车继续向西行驶,并在靠近西端的位置吊起载荷。12.5～15主小车向东行驶,经过跨中1/4轨距处,然后停至跨中。15～35小车停止运行,测试几何参数。35～40主小车上升制动、下降制动、再上升制动。40～43主小车向西开4m,反向向东开8m,再向西开4m。43～45大车向北行驶10m,反向向南行驶10m。

由于整个应力测试工况持续时间很长，某一短时间段的螺栓应力微小波动被整体时间段的应力波拉直，但是从图7中仍可看出各测点处螺栓受力出现明显波动的时间段(特别是40～43 min)都是小车经过跨中区域的时间段，而远离跨中区域的小车行驶以及大车南北行驶都对测点螺栓受力影响很小，这种现象与理论相符合。

螺栓型号为M24，焊缝内环直径为24 mm，外环直径为32 mm，焊缝环形面积为352 mm2，通常认为角焊缝以45°方向的最小截面为有效截面[9]，故焊缝有效截面面积取248 mm2。将整个测试时间历程的螺栓受力测试结果换算为焊缝应力，结果如表2所示。

(a) 1#测点

(b) 2#测点

(c)3#测点

(d) 4#测点

测点螺栓所受拉力/kN最小值最大值 焊缝应力/MPa最小值最大值1#34.38255.7201382242#32.89653.2241322143#30.66454.7361232204#33.88754.981136221

2.3模拟结果与实测结果对比

测点处螺栓在人工预紧时，小车位于端部且处于空载状态。从静力学角度分析的话，测量处焊缝受力最小值出现在小车满载停于跨中时，其值约为43 kN，最大值出现在小车停于端部区域时，其值约为54 kN。但是，实测中，40～43 min小车满载来回跨中区域行驶时，产生的焊缝应力最小值约为32 kN，最大值约为54 kN，焊缝应力实测最小值突破静力学最小值，正好符合动力学振动叠加理论。

有限元仿真工况与现场测试时40～43 min阶段的工况相类似，都是小车满载来回跨中区域行驶。仿真值与实测结果比较如表3所示。由表3中可以看出，焊缝处应力值的模拟结果与实测结果的误差较小，表明仿真结果是有效的。

表3　焊缝应力仿真值与实测结果的比较

3结语

本文采用等效螺栓焊缝动力学仿真方法，从动力学角度对起重机轨道压板螺栓焊缝开裂的现象进行了分析，并将有限元仿真结果与现场实测数据进行对比，验证了等效螺栓焊缝动力学仿真方法的正确性与有效性。等效螺栓焊缝动力学仿真方法不仅可以减少轨道压板螺栓焊缝分析的计算量，又可以提高计算精度，为复杂机构的动力学仿真提供了一种简化途径。等效螺栓焊缝动力学仿真将有限元与动力学相结合，可以求出螺栓焊缝在各种工况下的动应力，形成应力谱，为进一步进行焊缝疲劳分析提供力学依据。

参考文献

[1]徐志良. 起重机轨道固定装置的合理选用[J].起重运输机械，2010(5)：56-58.

[2]吴爱京.起重机轨道压板受力计算[J].起重运输机械，2007(11)：14-17.

[3]魏国前，刘峰.起重机轨道压板布置对压板受力状况的影响研究[J].现代制造工程，2009(8)：130-134.

[4]饶刚，朱平.起重机增容后主小车轨道压板螺栓焊缝开裂研究[J].机电产品开发与创新，2008，21(2)：64-66.

[5]韩铁拴，王中明，王甲子.酸轧机组活套轨道压板螺栓松动研究[J].冶金设备，2013( S1)：13-15.

[6]Shigley J E, Mischke C R, Budynas R G, et al.Mechanical engineering design[M]. New York:McGraw-Hill, 2004:382-384.

[7]曹建永，王铁. 基于ANSYS和ADAMS的观光车车架联合仿真[J].机械设计与制造，2012(11)：100-102.

[8]董达善，孙友刚，刘龙.基于虚拟样机技术的钢丝绳动张力仿真研究[J].机床与液压，2013，41(17)：156-158，162.

[9]刘声扬.高强螺栓和焊缝混合连接的受力性能分析[J].工业建筑，1985(6)：24-27.

[责任编辑郑淑芳]

Equivalent simulation of dynamics of the rail clamp bolt weld

FanQin,GeWenhao,WeiGuoqian

(College of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

Abstract:To resolve the breakage of the rail clamp bolt weld on cranes, an equivalent dynamics simulation method was proposed. With a steelworks ladle crane as the object, Adams and HyperMesh joint simulation was carried out. In Adams, tension and compression spring damper plate was employed to simulate weld nut squeezing and weld connection in order to reduce the amount of finite element calculation. In HyperMesh, bridge beams received flexible treatment to improve the vibration accuracy of the simulation model in the vertical direction. The finite element simulation results were compared with the measured values, and it is shown that the simulation results of the stress on the weld agree well with the measured values, which suggests that the proposed equivalent dynamics simulation method is correct and effective.

Key words：trolley-rail; rail clamp; bolt weld; rigid-flexible coupling; equivalent simulation; spring-damper; dynamic simulation

收稿日期：2015-12-31

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11472200).

作者简介：范勤(1960-)，男，武汉科技大学教授.E-mail:877271593@qq.com

中图分类号：TH215

文献标志码：A

文章编号：1674-3644(2016)03-0209-05