球铰结构的原设计方案及其改进_精选

1、 精编范文 球铰结构的原设计方案及其改进温馨提示：本文是笔者精心整理编制而成，有很强的的实用性和参考性，下载完成后可以直接编辑，并根据自己的需求进行修改套用。球铰结构的原设计方案及其改进 本文关键词：设计方案, 改进, 结构球铰结构的原设计方案及其改进 本文简介：摘要：针对某建筑项目抗震所用的球铰关节结构, 通过分析提出原有结构设计的不合理之处, 进而对结构进行了优化设计, 同时采用仿真分析手段验证了优化方案的合理性和可靠性。关键词：球铰;关节轴承;抗震;结构优化;1、引言球铰作为一种典型的运动副, 具有3个转动自由度, 可绕某一点的任意方向旋转, 在并球铰结构的原设计方案及其改进 本文内容：

2、摘 要：针对某建筑项目抗震所用的球铰关节结构, 通过分析提出原有结构设计的不合理之处, 进而对结构进行了优化设计, 同时采用仿真分析手段验证了优化方案的合理性和可靠性。关键词：球铰; 关节轴承; 抗震; 结构优化;1 、引言球铰作为一种典型的运动副, 具有3个转动自由度, 可绕某一点的任意方向旋转, 在并联机构中得到越来越多应用1,2。球铰可以采用滑动配合或者滚动配合。滚动球铰摩擦阻力小, 局限性是承载能力差、额定载荷较低, 因此在并联机构设计中仍然以滑动球铰为主3。目前, 在建筑抗震设计中, 常常使用球铰关节来释放建筑结构某些自由度, 改善结构内部的应力分布, 减少应力集中现象, 确保建筑结

3、构的安全。常见球铰结构有盆式橡胶支座、球型铰支座, 它通过抗震构造和液压减震元件的缓冲, 消化吸收了地震所带来的冲击能量, 减轻地震对建筑结构的破坏性4。因此, 本文利用了球铰关节的抗震特点, 设计并优化了某建筑项目所用到的球铰关节的结构。该球铰要求使用年限为50年, 建筑钢结构安全等级为一级, 建筑抗震设防为重点设防类。作为钢结构的铰接节点, 该球铰结构主要承受拉力, 设计载荷为1 000 kN, 安全系数取1.5, 极限载荷为1 500 k N, 旋转摆动角±6°。为了解该球铰结构的受力情况, 本文采用了有限元软件, 对球铰关节进行仿真分析, 通过对几何模型的边界条件

4、设置、接触对设置、材料模型和网格划分等要素的设置, 建立了球铰关节的仿真模型。为确保模型受力情况与节点实际受力一致, 建模时将底座下部采用螺栓固定, 受力杆件承受拉向的极限载荷, 以此考察球铰关节的受力情况, 评价结构的合理性和可靠性。2 、原始结构设计方案2.1、 初始设计结构某建筑项目原有球铰结构设计方案如图1所示, 主要部件包括球头杆、球铰底座、球铰盖板三部分, 其中球铰底座和球铰盖板以螺纹连接方式锁固, 球头杆的球头部分落在底座和盖板内表面所包围的球窝中, 而球头杆柄部带有内螺纹与外部建筑杆件进行连接固定。初始设计时, 三个零件件均选用GCr15材料, 热处理硬度要求为54HRC60H

5、RC。图1 球铰关节的原始设计方案结构2.2 、结构仿真分析通过有限元建模仿真分析, 原球铰结构方案的极限载荷作用下的球头杆应力分布如图2所示, 盖板应力分布如图3所示, 底座应力分布如图4所示, 位移分布如图5所示。图2 球头杆应力分布图3 盖板应力分布图4 底座应力分布图5 位移分布从应力分布来看, 球头杆最大等效应力为380.5 MPa, 出现在球头杆柄部的内螺纹上, 该零件应力较大区域主要在柄部和球面顶部；球铰盖板最大等效应力为321.0 MPa, 出现在盖板的顶面开口内倒角处, 而内螺纹上部也出现一定程度的应力集中；球铰底座最大等效应力为176.6 MPa, 出现在外圆柱面与下部法兰

6、的连接处。由图5可知, 球铰的球头杆位移量最大, 其数值最大为2.073 mm, 而底座和盖板则变形较小, 均在1.2 mm以下。2.3、 原结构存在问题通过观察原结构设计方案, 可以看出该方案存在以下问题： (1) 原设计方案的球铰关节结构较为简单, 在使用过程中内部球面滑动摩擦副会有磨损、黏合现象, 润滑、防水、防尘与防腐蚀等问题会使产品寿命变短, 无法保证50年的使用寿命。 (2) 球铰关节结构的轴向游隙无法精确调整, 影响使用安装精度, 容易造成过紧卡死或者过松窜动的现象。 (3) 结构受力时, 零件内部的应力分布高低差别较大, 球头杆内螺纹、盖板的顶部端口处存在较大应力集中现象, 而

7、整体结构的下部分基本处于低应力区, 承载安全系数富裕度较大。 (4) 球铰关节各零件均采用GCr15材料, 而零件的壁厚差别较大, 在热处理过程中无法实现整体淬硬, 存在表层硬度偏高、芯部硬度偏低现象, 在壁厚差别较大的地方更容易引起淬火裂纹、变形不一致的问题, 造成产品装配精度低和使用寿命短等问题。可见, 原设计方案并不是最佳方案, 需要进一步优化设计球铰关节节点的结构, 改善内部受力和加工所存在的工艺问题。3、 优化设计后方案3.1、优化后结构根据上面所述的结构问题, 对原有球铰关节的结构进行了调整, 优化后的结构方案如图6所示。此结构引入了一种关节轴承的新型球铰结构, 零件包括销轴、底座

8、、底板、两套带自润滑材料角接触关节轴承和一套防护装置（包括O形密封圈、环形紧箍圈、不锈钢波纹管密封罩、内六角螺钉、压板等组成）。新旧结构对比, 主要变化如下：原有球头杆零件变为销轴和关节轴承内圈3个零件, 壁厚均匀性较为一致, 热处理变形小、硬度分布更为均匀。球铰底座和盖板变为底座、底板和关节轴承外圈4个零件, 各零件的壁厚较为一致, 热处理变形小、硬度分布更为均匀。底板与底座采用螺纹连接结构, 可起到调整轴承径向游隙作用, 待轴承游隙调整好后, 可对底板进行点焊加固, 防止螺纹松懈造成游隙变大, 从而防止结构受冲击时带来的轴向窜动。两套角接触关节轴承外圈和内圈材料为钢/钢, 内圈外球面镶嵌固

9、体自润滑材料, 可有效保证结构的自润滑作用, 从而实现免维护并延长使用寿命。新结构考虑了防水、防尘、防腐蚀因素, 增加了顶部的防护罩等装置, 可防止外部杂物进入内部造成轴承卡死损坏, 从而延长产品的使用寿命。新结构的外形尺寸做了适当减小, 使结构更加紧凑, 内部受力更加合理, 质量由原来的350 kg减少至310 kg, 减去约11%。此外, 新方案的销轴可实现360°周向转动、±10°摆动, 能承受轴向和侧向高载荷的静载或动载作用, 用在普通建筑的抗震结构中, 可承受一般地震冲击和外部激励交变载荷的频繁作用。总之, 新结构方案设计易于维护, 维护成本低, 使用寿

10、命更长。图6 优化的球铰关节设计方案结构3.2、 结构仿真分析同理, 新结构方案的球铰关节, 在轴向极限载荷为1 500 k N作用下, 其主要承载零件的等效应力分布及位移分布分别如图7图12所示。图7 销轴应力分布图8 上、下轴承外圈应力分布图9 上、下轴承内圈应力分布图1 0 底座应力分布图1 1 底板应力分布图1 2 位移分布从图7图11可看出, 销轴最大等效应力为409.2 MPa, 发生在中部凸台与销轴连接过渡圆角处；外圈最大等效应力为317.9 MPa, 出现在上轴承外圈, 而下轴承外圈受力很小；内圈最大等效应力为262.5 MPa, 同样出现在上轴承内圈；底座最大等效应力为345

11、.5 MPa, 出现在底部台阶与外圆柱面过渡圆角上；底板最大等效应力为129.8 MPa, 出现在螺纹的最下部。由图12可知, 球铰结构的最大位移量为3.049 mm, 比原结构位移量2.073 mm略大, 但此位移属于弹性变形量, 载荷卸除时可恢复原状态, 不影响节点的使用。由此可得, 各零件的最大等效应力均低于材料的屈服强度, 不仅能够满足设计承载载荷要求, 而且内部应力分布更加合理、均匀。4、结论球铰结构的原设计方案构造简单, 在润滑、防水、防尘与防腐蚀方面并未考虑, 而且承载时内部应力分布不是非常合理。新优化设计的球铰关节结构更加紧凑, 各零件的壁厚分布更加均匀, 内部受力更加合理, 而且解决了防水、防尘、防腐蚀和润滑等问题。优化后的球铰结构质量比原来的减轻了40 kg, 所减质量比例达到了11%。参考文献：1刘天柱.基于3-RPS并联机构的自调平升降机设计与研究D.淄博：山东理工大学, 20_.2苗蓉.基于BP神经网络的并联机构误差分析J.机床与液压, 20_, 45 (11) :13