大型封頭與變位機機械連接卡具的研制

黃沙

哈電集團（秦皇島）重型裝備有限公司 河北秦皇島 066206

1 工裝整體設計

由于本公司的封頭在制造時端部均帶有防變形環，出于設計及制造上的便利，在考慮封頭與卡具的連接時，我們選擇了最簡單的方式即直接用肋板將封頭防變形環和卡具頂部焊接。肋板尺寸不大，因此焊接量并不大，而在拆除時可以直接將其氣割掉，使用時非常方便?？ň唧w的結構采用了箱體式設計。中間的主承重板為δ＝55的整張鋼板制成，底板上有四種中心距不同的排孔，分別對應不同的變位機，這種結構設計不僅保證了卡具的強度，而且使之具有了一定的通用性。此套工裝的機械連接體現在卡具體與變位機的連接方式上。卡具底部座落在過渡盤上，緊固螺栓穿過過渡盤上的長槽與變位機工作臺T的形槽里的T形螺母連接。此種結構的卡具適用性非常廣，不受封頭外形尺寸的影響，在一定重量范圍之內的封頭，只要其裝焊了防變形環，就可以使用此套卡具進行裝卡。

2 螺栓強度校核

作為在變位機上承重用的卡具，安全性是此套工裝設計過程中需要考慮的重點。此套工裝主要的受載元件為卡具體、緊固螺栓、T形螺母等，基于基本的力學分析判斷，此套卡具的承載能力將主要取決于緊固螺栓的強度等級。由于變位機工作臺的T形槽只適用于M48的螺栓，在螺栓規格既定的情況下，我們運用ANSYS軟件對螺栓的受力情況進行了有限元分析。

在將模型導入Workbench之后，我們設立了與螺栓數量一樣多的梁單元（如圖所示），它可以替代螺栓，在后期的求解過程中可以反應真實情況下螺栓的受力大小。梁單元的設立能大大簡化模型，在此次分析過程中我們就沒有建立緊固螺栓、T形螺母、T形槽以及變位機工作臺等。

在實際生產過程中，封頭內壁堆焊時變位機幾乎翻轉至90°，我們對模型設立了如下的約束及加載：過渡盤和變位機工作臺之間由螺栓將二者緊密連接，在模擬中將過渡盤底面設置成固定面，實質上是做了一個簡化處理，即不考慮過渡盤自身的強度和變形，將其當做變位機工作臺的一部分。這種假設能夠反應緊固螺栓的受力大小，這種簡化處理并不影響我們重點關注的卡具緊固螺栓的強度，因此假設是可以接受的。

由于主要的載荷來自于封頭的自重，因此模型中只要加載重力加速度即可，沒有添加其它負荷。這里需要說明的是，卡具體與過渡盤之間的連接用“Rough”來表示。在實際中我們在卡具體底板周邊設置了若干小擋塊，防止可能出現的卡具體水平位移，在這里使用“Rough”連接可以體現擋塊的作用。而由于肋板與卡具體和防變形環相接處均焊接，因此使用“Bonded”連接比較恰當。在前面提到過，卡具體和過渡盤之間的螺栓連接使用了梁單元“Beam”來表示，其數量與緊固螺栓數量一致。

至于網格的劃分，由于此次模擬重點關注梁單元“Beam”的受力情況，對模型中其它部件并沒有實施強度校核，因此在網格劃分時直接利用軟件功能自動生成。在經過上述準備步驟之后，模型就可以進行求解了。我們插入了“Total Deformation”和“Beam Probe”兩個求解選項。

從求解信息來看，變形趨勢符合我們的預期，條件設定較為合理。從32個“Beam Probe”梁單元反力中我們選取了軸向力最大的一個，其值為F=2.42×105N。

在得到螺栓軸向力之后，我們按以下步驟進行螺栓的應力計算：

（1）剩余預緊力。由于本模型是按照靜態條件下構建的，因此剩余預緊力也按靜力平衡條件下計算。剩余預緊力=（0.2-0.6）F，取 F"＝ 0.5F＝ 0.5×2.42×105N=1.21×105N。

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

（3）螺栓的靜強度計算。螺栓危險剖面直徑的強度計算公式為

根據計算結果，我們選取了35CrMo做為螺栓的制造材料，在經過適當的熱處理之后，35CrMo的屈服強度為835MPa，要比計算得出的=663MPa高出不少，能夠滿足螺栓的強度要求。

3 結論

隨著計算機技術的迅速發展，在工程領域中，有限元分析（FEA）越來越多的用于仿真模擬，來求解真實的工程問題。在本例中，我們對卡具進行了有限元靜力分析，實際生產中封頭是處于低速旋轉運動的狀態，從嚴格意義上來講模型并非處于靜力狀態，但是考慮到旋轉速率很小，在這里仍將其看作近似靜態處理。這也是本例中存在的不足之處。將從靜力分析中得到的數據用于進一步的理論計算，從而得出實際需要的數據。由于本例中采用的是近似分析，在最后螺栓的選材時選用了屈服強度大大超過許用應力的材料，進一步的保證了實際應用中的安全可靠。