大型封头与变位机机械连接卡具的研制

黄沙

哈电集团（秦皇岛）重型装备有限公司 河北秦皇岛 066206

1 工装整体设计

由于本公司的封头在制造时端部均带有防变形环，出于设计及制造上的便利，在考虑封头与卡具的连接时，我们选择了最简单的方式即直接用肋板将封头防变形环和卡具顶部焊接。肋板尺寸不大，因此焊接量并不大，而在拆除时可以直接将其气割掉，使用时非常方便。卡具体的结构采用了箱体式设计。中间的主承重板为δ＝55的整张钢板制成，底板上有四种中心距不同的排孔，分别对应不同的变位机，这种结构设计不仅保证了卡具的强度，而且使之具有了一定的通用性。此套工装的机械连接体现在卡具体与变位机的连接方式上。卡具底部座落在过渡盘上，紧固螺栓穿过过渡盘上的长槽与变位机工作台T的形槽里的T形螺母连接。此种结构的卡具适用性非常广，不受封头外形尺寸的影响，在一定重量范围之内的封头，只要其装焊了防变形环，就可以使用此套卡具进行装卡。

2 螺栓强度校核

作为在变位机上承重用的卡具，安全性是此套工装设计过程中需要考虑的重点。此套工装主要的受载元件为卡具体、紧固螺栓、T形螺母等，基于基本的力学分析判断，此套卡具的承载能力将主要取决于紧固螺栓的强度等级。由于变位机工作台的T形槽只适用于M48的螺栓，在螺栓规格既定的情况下，我们运用ANSYS软件对螺栓的受力情况进行了有限元分析。

在将模型导入Workbench之后，我们设立了与螺栓数量一样多的梁单元（如图所示），它可以替代螺栓，在后期的求解过程中可以反应真实情况下螺栓的受力大小。梁单元的设立能大大简化模型，在此次分析过程中我们就没有建立紧固螺栓、T形螺母、T形槽以及变位机工作台等。

在实际生产过程中，封头内壁堆焊时变位机几乎翻转至90°，我们对模型设立了如下的约束及加载：过渡盘和变位机工作台之间由螺栓将二者紧密连接，在模拟中将过渡盘底面设置成固定面，实质上是做了一个简化处理，即不考虑过渡盘自身的强度和变形，将其当做变位机工作台的一部分。这种假设能够反应紧固螺栓的受力大小，这种简化处理并不影响我们重点关注的卡具紧固螺栓的强度，因此假设是可以接受的。

由于主要的载荷来自于封头的自重，因此模型中只要加载重力加速度即可，没有添加其它负荷。这里需要说明的是，卡具体与过渡盘之间的连接用“Rough”来表示。在实际中我们在卡具体底板周边设置了若干小挡块，防止可能出现的卡具体水平位移，在这里使用“Rough”连接可以体现挡块的作用。而由于肋板与卡具体和防变形环相接处均焊接，因此使用“Bonded”连接比较恰当。在前面提到过，卡具体和过渡盘之间的螺栓连接使用了梁单元“Beam”来表示，其数量与紧固螺栓数量一致。

至于网格的划分，由于此次模拟重点关注梁单元“Beam”的受力情况，对模型中其它部件并没有实施强度校核，因此在网格划分时直接利用软件功能自动生成。在经过上述准备步骤之后，模型就可以进行求解了。我们插入了“Total Deformation”和“Beam Probe”两个求解选项。

从求解信息来看，变形趋势符合我们的预期，条件设定较为合理。从32个“Beam Probe”梁单元反力中我们选取了轴向力最大的一个，其值为F=2.42×105N。

在得到螺栓轴向力之后，我们按以下步骤进行螺栓的应力计算：

（1）剩余预紧力。由于本模型是按照静态条件下构建的，因此剩余预紧力也按静力平衡条件下计算。剩余预紧力=（0.2-0.6）F，取 F"＝ 0.5F＝ 0.5×2.42×105N=1.21×105N。

（2）螺栓总拉力 F0=F+F"=（2.42+1.21）×105N=3.63×105N。

（3）螺栓的静强度计算。螺栓危险剖面直径的强度计算公式为

根据计算结果，我们选取了35CrMo做为螺栓的制造材料，在经过适当的热处理之后，35CrMo的屈服强度为835MPa，要比计算得出的=663MPa高出不少，能够满足螺栓的强度要求。

3 结论

随着计算机技术的迅速发展，在工程领域中，有限元分析（FEA）越来越多的用于仿真模拟，来求解真实的工程问题。在本例中，我们对卡具进行了有限元静力分析，实际生产中封头是处于低速旋转运动的状态，从严格意义上来讲模型并非处于静力状态，但是考虑到旋转速率很小，在这里仍将其看作近似静态处理。这也是本例中存在的不足之处。将从静力分析中得到的数据用于进一步的理论计算，从而得出实际需要的数据。由于本例中采用的是近似分析，在最后螺栓的选材时选用了屈服强度大大超过许用应力的材料，进一步的保证了实际应用中的安全可靠。