鋼箱梁高強度螺栓自動擰緊機結構設計與有限元分析

摘要：通過對鋼箱梁施工現場的調研，設計了一款專用于鋼箱梁的高強度螺栓自動擰緊機。首先通過方案對比，確定了擰緊機整體結構采用龍門架式的設計構型，并明確了主要組成部分包括行走機構、升降軸、直線模組、擰緊機構等。同時利用軟件SolidWorks對螺栓擰緊機的結構設計方案進行了細化，完成了其三維模型的構建，并對其工作過程進行了分析。其次，本文借助有限元仿真軟件ANSYS Workbench對擰緊機的關鍵承力構件進行了應力與應變分析。結果表明，在兩倍靜力載荷條件下，橫梁、升降軸、支座的最大變形量分別約為0.2 mm、0.014 mm、0.1 mm，均小于材料的最大許用應變，確保了結構設計的可靠性。此外，相較于Q235材料而言，采用6063-T6鋁型材的升降軸，雖然其等效應變和總變形量有所上升，但質量減少了約21%，在保證結構剛性的同時滿足了輕量化的設計。

關鍵詞：鋼箱梁；螺栓擰緊；結構設計；有限元分析

中圖分類號：TH122；TU69""""""""""" 文獻標志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.005

文章編號：1006-0316 （2025） 01-0030-07

Structural Design and Finite Element Analysis of High-Strength BoltAutomatic Tightening Machine for Steel Box Girder

Abstract：Based on the construction site survey of steel box girders， a novel automatic tightening machine specifically designed for the high-strength bolts on steel box girders has been developed in this paper. Firstly， it is determined that the overall structure of the automatic tightening machine adopts a gantry style design through scheme comparison， and the main components include walking mechanism， lifting shaft， linear module， tightening mechanism， etc. At the same time， the structural design scheme of the bolt tightening machine was refined， and the 3D model of bolt tightening machine was carried out using modeling software SolidWorks， and the working principle was analyzed. In addition， the stress and strain analysis of key load-bearing components of the tightening machine was conducted using finite element simulation software ANSYS Workbench. The results show that under double static load conditions， the maximum deformations of the crossbeam， lifting shaft， and support bracket are approximately 0.2 mm， 0.014 mm， and 0.1 mm， respectively， all of which are less than the maximum allowable strain of the material， ensuring the reliability of the structural design. Furthermore， the lifting shaft made of 6063-T6 aluminum profile has an increased equivalent strain and total deformation compared to Q235 material， but its mass has been reduced by about 21%， ensuring structural rigidity while meeting the requirements of lightweight design.

Key words：steel box girder；bolt tightening；structural design；finite element analysis

鋼箱梁因其高強度、高抗震性、自重輕、結構新穎、易安裝施工等優點[1]，現已在大跨距橋梁和城市立交橋建設中得到了廣泛應用。雖然鋼箱梁有諸多優點，但在實際施工建造時，特別是在鋼箱梁進行螺栓連接時，仍需較多人工進行擰緊作業，這就降低了鋼梁箱的施工效率。同時，采用人工進行高強螺栓擰緊，不僅勞動強度大、作業效率低、操作一致性差，而且還存在較大的安全隱患。因此，設計一款高強度螺栓自動擰緊設備，對于降低人工作業強度與風險、提高螺栓施擰效率、改善螺栓施擰精度與穩定性、提升螺栓施擰自動化和智能化等都具有極高工程實踐意義。

目前，有關螺栓自動擰緊裝置的設計與研究已見諸多報道[1-12]。例如，T. IKUO等[2]開發了一種用于多次加工時裝配的螺栓緊固系統，該系統由螺栓擰緊桿和螺栓儲存器組成，可應用于具有多位置和姿態偏差的零件擰緊。魏企業等[3]利用Pro/E軟件設計了一款新型的航空發動機轉子裝配的螺栓自動擰緊機并借助有限元軟件對關鍵承力件進行了校核分析。李鑫等[4]針對塔機標準節螺栓設計了一種自動擰緊裝置，并通過PLC編程實現了控制系統的力矩監測。田永成等[5]開發了一款在線式輪裝制動盤螺栓自動擰緊機，利用扭矩控制和角度控制相結合的方法實現對螺栓擰緊力的控制。楊潤剛等[6]設計了基于機器視覺的機車齒輪轂全自動雙軸擰緊機。竭盡超等[7]開發了一款基于視覺的發動機絲堵螺栓自動擰緊設備。張曉紅[8]探究了機器人自動擰緊螺栓機構在變速器裝配方面的應用。然而，截止目前，圍繞鋼箱梁施工建造領域的高強度螺栓自動施擰裝置的開發與研究仍為空白。因此，本文借助三維建模軟件設計開發一款專用于鋼箱梁的高強度螺栓自動擰緊機構，并利用有限元仿真軟件ANSYS Workbench對其關鍵承力構件進行應力應變分析。本文不僅可以拓展螺栓自動擰緊裝置的設計與研究，也為后續鋼箱梁自動化施工設備的開發提供一定借鑒。

1 結構設計與工作過程分析

1.1 方案對比

本文所提出的鋼箱梁高強度螺栓自動擰緊機設計主要是針對主梁間的橫隔板與箱梁腹板上的螺栓連接，如圖1所示。

結合現場施工需求與條件，本文擬定了兩種整體結構設計方案，分別是懸臂式結構和龍門架式結構，見圖2和圖3所示。方案一懸臂式結構主要由行走機構、支撐立柱、橫梁、升降軸、直線模組、擰緊機構等組成。其中，行走機構在鋼箱梁頂板上沿縱向移動，立柱與橫架固定，升降軸在橫架端部沿豎直方向移動，升降軸底端固定連接一直線模組，擰緊機構與直線模組上的絲杠滑塊連接并可沿直線模組橫向移動。方案二采用了龍門架式結構，主要包括行走支架、橫梁、升降軸、直線模組、擰緊機構等部分。其中，行走支架由行走機構和支架組成，行走支架橫跨在兩個主箱梁頂板上并可沿縱向移動，升降軸除了可以豎直升降外也可沿橫梁進行左右水平移動，升降軸底部固定直線模組，擰緊機構沿直線模組橫向移動。

將以上兩種方案對比可以看到，懸臂式結構設計整體較為緊湊、體積更小，但將升降軸、直線模組、擰緊機構等重要運動部件設置在同一側極易導致整體發生側翻，雖可在其行走機構上加裝配重塊等來預防，但又會導致整機重量和行走功耗的上升。龍門架式結構設計雖然體積稍大，但其結構更加穩定可靠，且升降軸可沿橫梁左右大范圍移動，這就方便擰緊機行走機構在同一工位處可以完成橫隔板左右兩端連接螺栓的施擰作業，相較于懸臂式設計方案只能沿主箱梁一側移動和施擰，龍門架式設計可使螺栓施擰作業更加高效。綜上，本文螺栓自動擰緊機采用方案二，即龍門架式整體結構設計。

1.2 工作過程分析

利用三維建模軟件SolidWorks對龍門架式擰緊機方案進行細化，得其整體三維結構如圖4所示。設計細化后的螺栓擰緊機主要由四大機械結構部分組成，分別是龍門行走機構、升降機構、直線模組機構以及擰緊機構。其中，龍門行走機構主要由行走支架、行走輪、驅動電機、磁力座、橫梁等組成。在兩個驅動電機的帶動下，左右兩對行走輪可實現同步或異步行進，從而實現擰緊機在鋼箱梁上的前進和轉向。當達到預定施擰位置后，放下設在左右支架上的磁力座（設定吸力約為1000 kgf），磁力座通電后即可與鋼箱梁頂板牢牢吸在一起從而固定整個擰緊機并保持其在后續擰緊作業時的穩定。橫梁上設置有電控柜和觸摸式操控器，以方便工作人員操作。升降機構與移動座相連接，而移動座在伺服電機帶動下通過齒輪齒條可沿橫梁左右移動，從而實現升降軸沿橫梁運動。升降軸上也設置有滑槽和齒條，在伺服電機驅動下，升降軸通過齒輪齒條傳動實現沿移動座豎直上下運動。升降軸底端通過連接板與直線模組相連接。直線模組由伺服電機、滾珠絲桿、移動滑塊、聯軸器、導軌、型材外殼等組成。施擰機構的支座與直線模組中的移動滑塊相連接，并在直線模組伺服電機的帶動下實現左右移動。施擰機構由支座、電動扳手、扭矩傳感器、擰緊頭、電缸、夾具等組成。夾具上固定連接電動扳手和電缸，電動扳手與擰緊頭之間安裝動態扭矩傳感器。此外，為了保證擰緊頭與螺栓的定位精度，夾具體上安裝一對超聲波距離傳感器（測距儀）和攝影頭，利用機器視覺技術對預擰螺栓組進行圖像采集與坐標標定，通過相機坐標與實際坐標轉換后，電

缸和電動扳手同步起動，電缸推桿將電動扳手、扭矩傳感器和擰緊頭向前推出，同時擰緊頭在電動扳手主軸帶動下緩慢轉動，當擰緊頭與待擰螺栓頭（或螺母）卡套好后，待擰螺栓便隨擰緊頭的旋轉直至達到擰緊狀態。在擰緊過程中，扭矩傳感器負責檢測和記錄每個螺栓扭矩的變化，操控器屏幕上會實時顯示并保存每個螺栓的扭矩數值。

2 有限元分析

為了提升結構設計質量，保證結構設計可靠性，目前常用的方法除了傳統公式計算外，有限元分析法也以其獨有的計算優勢得到了廣泛地應用[13]。采用有限元數值分析不僅可以節省設計計算周期，更能對相關結構的應力應變狀態進行直觀分析[14-15]。基于此，本文利用有限元仿真軟件ANSYS Workbench對鋼箱梁高強度螺栓自動擰緊機的部分關鍵承力構件，即橫梁、升降軸、支座等的應力與應變狀態進行分析，并探討相關結構設計的優化。為了便于計算，本文對相關模型進行了適當簡化，并假定所選材料各向同性，且物性參數不受溫度變化影響。

2.1 橫梁分析

橫梁主要承載升降機構、直線模組、擰緊機構等部件重量的作用，因此只對其進行靜力學分析。本文所設計的橫梁截面為矩形，尺寸為5200 mm×300 mm×200 mm，壁厚為5 mm，材料選用Q235。為了保證結構設計的可靠性，采用兩倍載荷的施加條件。圖5為橫梁的受力變形情況。

從圖5可以看到，最大的變形、應力與應變均主要集中在橫梁與移動座的連接處。在兩倍載荷施加下，橫梁的最大等效應變量為3.34E-5，而根據材料的應力應變關系式可知[1]，應變計算如下：

式中：為應變；為應力；E為材料的彈性模量，普通碳鋼彈性模型約為206 GPa。

材料Q235的屈服應力極限為235 MPa，將其代入上式可得材料的最大許用應變量約為1.14E-3。可見，橫梁的應變量遠小于材料最大許用應變量，表明該橫梁結構滿足剛度要求。同時，在兩倍載荷條件下，橫梁最大變形量約為0.2 mm，相較于5200 mm長度的橫梁而言，其變形量較小且在橫梁的加工直線度誤差范圍內，不影響裝配和使用。

2.2 升降軸分析

升降軸在工作時主要承受直線模組和施擰機構的重力影響。為了實現在滿足強度要求下的輕量化設計需求，本文所設計的升降軸選用了6063-T6鋁型材，屈服強度為215 MPa，彈性模量為69 GPa，尺寸為2500×200×100 mm，壁厚為6 mm。為了保證結構設計的可靠性，同樣采用兩倍載荷的施加條件。圖6為升降軸的受力變形情況。

由圖6可以看出，在兩倍載荷條件下，升降軸的總變量約為0.014 mm，可知其變形量相對較小，不影響正常裝配和使用。此外從圖6中可以看到，升降軸的最大等效應變和應力均主要集中在上端固定端的邊緣處，其中最大等效應變約6.38E-6，遠小于材料最大許用應變量3.1E-3，因此滿足升降軸強度與剛性需求。表1為6063-T6鋁型材與同尺寸且壁厚為5 mm的Q235矩形鋼受力的分析比較，可以看到，相較于矩形鋼，采用鋁型材的升降軸質量減少約21%，但其總變形量相差不大，且最大等效應變也遠小于材料許用應變，這也進一步表明采用鋁型材的升降軸可以滿足擰緊機的結構強度設計。

2.3 支座分析

支座在擰緊機工作時不僅承載施擰機構的重量，同時還要承受擰緊頭在擰緊螺栓時產生的一定的反力扭矩。圖7為支座施加兩倍載荷后的受力情況。可以看到，支座的總變形量、最大等效應變和最大等效應力分別約為0.1 mm、7.15E-5和13 MPa，在支座采用Q235優質碳鋼的條件下，其最大等效應變依然小于材料的最大許用應變，且總變形量也較小，不會造成螺栓擰緊力精度的下降，故該支座結構滿足擰緊時的強度及剛度要求。

3 結論

根據鋼梁箱高強度螺栓的施擰工藝，討論并確定了龍門架式的螺栓自動擰緊機結構設計方案，并利用SolidWorks軟件針對鋼梁箱高強度螺栓自動擰緊機進行了三維建模，同時借助有限元仿真軟件ANSYS Workbench對該螺栓自動擰緊機的主要承力構件進行了應力和應變分析與校核，初步驗證了相關結構設計的可靠性。所設計鋼箱梁高強度螺栓自動擰緊機，不但可有效降低人工勞動強度和作業風險、提高螺栓施擰效率以及扭矩的精準控制等，也為我國建筑自動化領域的設備開發提供一定的參考。

參考文獻：

[1]W W LIN，T YODA. Bridge Engineering[M]. Oxford：Butterworth-Heinemann Elsevier Inc，2017：111-136.

[2]T IKUO，S MASATO. Development on Tightening System of Bolt for Assembling During Machining[J]. IFAC Proceedings Volumes，2003，36（23）：125-129.

[3]魏企業，石宏，孫方成，等. 航空發動機轉子裝配螺栓自動擰緊機設計與分析[J]. 機械，2017，6（44）：67-70.

[4]李鑫，李昭辰，耿貴軍，等. 塔機標準節螺栓自動擰緊裝置設計與研究[J]. 建筑機械，2023，（11）：93-95.

[5]田永成，黃丙慶，李云鵬. 在線式輪裝制動盤螺栓自動擰緊機的設計和應用[J]. 機床與液壓，2020，48（4）：120-122.

[6]楊潤剛，劉兵，鄧連生. 基于機器視覺的機車齒輪轂全自動雙軸擰緊機的設計和應用[J]. 起重運輸機械，2020，（6）：59-64.

[7]竭盡超，梁忠耀. 基于視覺的發動機絲堵螺栓自動擰緊設備設計開發[J]. 時代汽車，2021，（2）：151-152+155.

[8]張曉紅. 機器人自動擰緊螺栓機構在變速器裝配方面的優勢[J]. 機械管理開發，2020，35（10）：88-89.

[9]吳連偉，張德君，甘洋洋，等. 發動機螺栓擰緊綜合防錯技術研究及應用[J]. 今日制造與升級，2021，（7）：44-46.

[10]宋卓希，李潤澤，肖嘯. 協作機器人在發動機總成線螺栓擰緊裝配中的應用研究[J]. 時代汽車，2021，（9）：6-7.

[11]楊濤，王安琪，呂品德，等. 車橋輪轂螺栓擰緊設備的機構設計[J]. 電子技術，2020，49（6）：102-103.

[12]梁志超. 汽車平衡軸螺栓組自動擰緊系統開發[D]. 西安：西安理工大學，2019.

[13]王正軍，孫立明. ANSYS 18.0有限元分析基礎與實例教程[M]. 北京：機械工業出版，2018.

[14]ZHOU Liming，YOU Qianbing，XIONG Ji，et al. Dry wear behaviors of graphite/cermet self-lubricating composite under different sliding conditions and simulation of temperature field[J]. International Journal of Refractory Metal and Hard materials，2018（73）：85-90.

[15]楊皓瑜. 基于ANSYS的電弧爐導電橫臂結構優化設計[D]. 西安：西安理工大學，2024.