【文章內(nèi)容簡介】 第二章 鋼包回轉(zhuǎn)臺的載荷參數(shù)及螺栓受力計算引言：由于鋼包回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)支承工作狀況比較差，要承受很高的軸向載荷、傾覆力矩，這些載荷都是由齒圈，滾圈的滾道和齒輪所傳遞和承受，因此回轉(zhuǎn)支承在選擇材料上要考慮材料的抗拉、抗壓、疲勞強度都比較高，并有足夠的韌性和耐磨性能。鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)支承的聯(lián)接螺栓強度計算的條件，是求取支承上所承受的負荷，主要包括總軸向力Fa，總傾覆力矩M。鋼包回轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)及安裝形式，其自重及兩側(cè)盛滿鋼水的鋼包通過底座全部作用到基礎(chǔ)上，所有的傾翻力由底座的96個螺栓來承受。 鋼包回轉(zhuǎn)臺的載荷參數(shù)鋼包自重G=160t鋼水重量=310t鋼包回轉(zhuǎn)臺半徑e=6300mm空包帶蓋重P1=163t滿包帶蓋重P2=473t滿包不帶蓋重P3=470t 鋼包回轉(zhuǎn)臺各種工作狀況分析鋼包回轉(zhuǎn)臺承載約有以下5種工況：（1）兩側(cè)鋼包滿包；（2）一側(cè)鋼包滿包，另一側(cè)鋼包空包；（3）一側(cè)鋼包滿包，另一側(cè)鋼包空包（4）一側(cè)鋼包空包，另一側(cè)鋼包無包（5）兩側(cè)均是空包。最大偏載發(fā)生在一側(cè)鋼包滿包，另一側(cè)無鋼包的工況，在這種工況下回轉(zhuǎn)臺就會產(chǎn)生最大的傾翻力矩。 鋼包回轉(zhuǎn)臺基礎(chǔ)載荷和螺栓受力計算鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)支承是一種高承載能力的新型支承，主要應(yīng)用于負荷較大，較復(fù)雜的場合。鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)支承螺栓將其緊固在底座上的，因此回轉(zhuǎn)支承上所承受的負載和傾覆力矩都是通過聯(lián)接螺栓傳遞到設(shè)備的下部及基礎(chǔ)上，這樣螺栓就成為整體的重要零件之一，若螺栓損壞將造成嚴重的后果，因此對螺栓的設(shè)計與計算具有重要的意義。一般情況下，鋼包回轉(zhuǎn)臺的聯(lián)接螺栓有兩組，經(jīng)查閱相關(guān)資料，鋼包回轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)支承是三排滾柱式，所以內(nèi)滾圈上一組。外滾圈上一組，并且內(nèi)外滾圈的螺栓的規(guī)格和數(shù)量一般相同，螺栓的數(shù)目應(yīng)為偶數(shù)，基本是均勻分布在整個滾圈的圓周上的。由于內(nèi)滾圈上的螺栓的分布圓直徑比外滾圈上的小，因此單個螺栓所受的載荷比較大，所以螺栓的承載能力計算應(yīng)該以內(nèi)滾圈上的螺栓受載能力為準。鋼包回轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)支承上作用的軸向載荷Fa、傾覆力矩M皆由聯(lián)接螺栓來傳遞，當軸向載荷直徑較大時，必須給螺栓材料規(guī)定下的預(yù)緊力，因為：（1） 螺栓是在變動載荷下工作的，需要采用預(yù)緊力來提高其疲勞強度；（2） 防止回轉(zhuǎn)支承在受載過程中產(chǎn)生縫隙，避免附加沖擊。對于三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承，如果螺栓松弛或損壞，直接影響支承內(nèi)部的軸向間隙，使?jié)L道發(fā)生傾斜，接觸應(yīng)力增大間接使軸承發(fā)生破裂，使支承遭到破壞。螺栓沿圓周均勻分布，其最大工作外載荷的分布線密度：公式中 B兩個螺栓間的圓周距離 螺栓中心分度圓直徑螺栓工作外負載荷的線密度所以螺栓上外負荷所產(chǎn)生的總力矩即受載最大螺栓上的全部工作外負荷為聯(lián)接螺栓的預(yù)緊力Py螺栓預(yù)緊應(yīng)力公式中Ky聯(lián)接面緊密性的安全系數(shù)，取Ky=~2 X基本符合系數(shù)，取X=~ 螺紋根部處的斷面積預(yù)緊時螺紋上的摩擦力矩預(yù)緊扭矩作用在螺栓上的最大計算負載為：螺紋內(nèi)徑斷面的拉應(yīng)力螺紋內(nèi)徑斷面的切應(yīng)力對塑性變形的安全系數(shù)螺栓循環(huán)應(yīng)變幅值螺栓疲勞強度安全系數(shù)根據(jù)設(shè)計老師提供部分圖紙及部分數(shù)據(jù)，選擇的三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》等資料確定，其內(nèi)滾圈螺栓分布圓直徑=2625mm ，螺栓數(shù)目n=96，螺栓直徑d=42mm,螺栓孔直徑=45mm，被連接零件總高度h=317mm ，軸向力Fa=4720KN ，傾翻力矩M= m 螺栓材料選用40Cr，調(diào)質(zhì)到屈服極限=900（Mpa）。計算結(jié)果如下：（1） 受載最大的螺栓上工作外負荷 =（2） 螺栓安裝時的預(yù)緊力Py=（3） 螺栓上的預(yù)緊應(yīng)力= （4） 預(yù)緊扭矩（5）作用在螺栓上的最大計算負荷為：（5） 螺紋內(nèi)徑斷面的拉應(yīng)力=（6） 預(yù)緊時螺紋上的摩擦力矩（7） 螺紋內(nèi)徑斷面的切應(yīng)力（8） 螺紋內(nèi)徑斷面的最大合成應(yīng)力（9） 塑性變形的安全系數(shù)（可用）（10） 螺栓循環(huán)應(yīng)變幅值（11） 螺栓疲勞強度安全系數(shù)根據(jù)《機械設(shè)計手冊》查得，根據(jù)材料40Cr，查表得螺栓屈服極限為900Mpa。結(jié)論：所選的螺栓安裝時滿足工作條件下的強度要求。小結(jié)：通過以上選型計算和承載能力計算可以得出：（1） 三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承適宜受力情況較復(fù)雜的場合，能夠同時承受較大的軸向力和傾覆力矩。（2） 選擇的三排滾柱式回轉(zhuǎn)支承能夠滿足本設(shè)計題目所要求的鋼包回轉(zhuǎn)臺的承載要求：軸向力4720KN、m.（3） 所選的回轉(zhuǎn)支承采用螺栓滿足工作時的強度要求。第三章 鋼包回轉(zhuǎn)臺聯(lián)接螺栓受力分析的方法 有限元方法的發(fā)展 有限元是近似求解一般連續(xù)域問題的數(shù)值方法。它首先應(yīng)用于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析，然后又在熱傳導、電磁場、流體力學等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。離散化的思想可以追溯到20世紀40年代．1941年A．Hrennikoff首次提出用構(gòu)架方法求解彈性力學問題，當時稱為離散元素法，僅限于用桿系結(jié)構(gòu)來構(gòu)造離散模型．如果原結(jié)構(gòu)是桿系，這種方法是精確方法，發(fā)展到現(xiàn)在就是大家熟知的結(jié)構(gòu)分析的矩陣方法．究其實質(zhì)這還不能說就是有限單元法的思想．1943年Rcourant在求解扭轉(zhuǎn)問題時為了表征翹曲函數(shù)而將截面分成若干三角形區(qū)域，在各三角形區(qū)域設(shè)定一個線性的翹曲函數(shù)．這是對里茲法的推廣，實質(zhì)上就是有限單元法的基本思想，這一思想真正用于工程中是在電子計算機出現(xiàn)后。20世紀50年代因航空工業(yè)的需要，美國波音公司的專家首次采用三結(jié)點三角形單元，將矩陣位移法用到平面問題上．同時。聯(lián)邦德國斯圖加特大學的J．H．Argyris教授發(fā)表了一組能量原理與矩陣分析的論文，為這一方法的理論基礎(chǔ)作出了杰出貢獻．1960年美國的R．W．C10ugh教授在一篇題為“平面應(yīng)力分析的有限單元法”的論文中首先使用有限單元法(the Finite E1ement Method)一詞，此后這一名稱得到廣泛承認．20世紀60年代有限單元法發(fā)展迅速，除力學界外，許多數(shù)學家也參與了這一工作，奠定了有限單元法的理論基礎(chǔ)，搞清了布限單元法與變分法之間的關(guān)系，發(fā)展了各種各樣的單元模式，擴大了有限單元法的應(yīng)用范圍。20世紀70年代以來，有限單元法進一步得到蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用范圍擴展到所有工程領(lǐng)域，成為連續(xù)介質(zhì)問題數(shù)值解法中最活躍的分支。由變分法有限元擴展到加權(quán)殘數(shù)法與能量平衡法有限元，由彈性力學平面問題擴展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴展到穩(wěn)定性問題、動力問題和波動問題，由線性問題擴展到非線性問題，分析的對象從彈性材料擴展到塑性、粘彈性，粘塑性和復(fù)合材料等，由結(jié)構(gòu)分析擴展到結(jié)構(gòu)優(yōu)化乃至設(shè)計自動化，從固體力學擴展到流體力學、傳熱學、電磁學等領(lǐng)域。它使復(fù)雜的工程分析問題迎刃而解。有限單元法的基本思想是將物體（即連續(xù)的求解域）離散成有限個且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合，來模擬或逼近原來的物體，從而將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題求解的一種數(shù)值分析法。物體被離散后，通過對其中各個單元進行單元分析，最終得到對整個物體的分析。網(wǎng)格劃分中每一個小的塊體稱為單元。確定單元形狀、單元之間相互聯(lián)結(jié)的點稱為節(jié)點。單元上節(jié)點處的結(jié)構(gòu)內(nèi)力為節(jié)點力，外力（有集中力，分布力等）為節(jié)點載荷。有限元方法是與工程應(yīng)用密切結(jié)合的，是直接為產(chǎn)品設(shè)計服務(wù)的。因而隨著有限元的理論發(fā)展與完善，各種大大小小、專用的、通用的有限元結(jié)構(gòu)分析程序也大量涌現(xiàn)出來。專用的分析軟件主要是針對特定類型的工程或產(chǎn)品用于產(chǎn)品性能分析、預(yù)測和優(yōu)化的軟件。它以在某個領(lǐng)域中的應(yīng)用深入而見長，如美國ETA公司的汽車專用CAE軟件LS/DYNA3D及ETA/FEMB等。數(shù)值模擬技術(shù)通過計算機程序在工程中得到廣泛的應(yīng)用．到20世紀80年代初期，國際上較大型的面向工程的有限元通用程序達到幾百種，其中著名的有：ANSYS，NASTRAN，ABAQUS，ASKA，ADINA，SAP與COSMOS等．它們多采用FORTRAN語言編寫，規(guī)模達幾萬條甚至幾十萬條語句，其功能越來越完善，不僅包含多種條件下的有限元分析程序，而且?guī)в泄δ軓姶蟮那疤幚砗秃筇幚沓绦颍捎谟邢拊ㄓ贸绦蚴褂梅奖恪⒂嬎憔雀?，其計算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)．大型通用有限元分析軟件不斷吸取計算方法和計算機技術(shù)的最新進展，將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，己成為解決現(xiàn)代工程學問題必不可少的有力工具。 有限元法分析的一般步驟 結(jié)構(gòu)離散化結(jié)果離散化就是將結(jié)構(gòu)分成有限個小的單元體，單元與單元、單元與邊界之間通過節(jié)點聯(lián)結(jié)。結(jié)構(gòu)的離散化是有限元分析的第一步，關(guān)系到計算精度與計算效率，是有限元法的基礎(chǔ)步驟，包含以下三個方面的內(nèi)容：（1）單元類型選擇。離散化首先要選定單元類型，這包括單元形狀、單元節(jié)點數(shù)與節(jié)點自由度等數(shù)等三個方面的內(nèi)容。（2）單元劃分。劃分單元時應(yīng)注