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摘 要：本文采用非线性有限元软件模拟了不同比例螺栓预紧力下结构的应力、位移，研究了转台座圈与回转支承连接面间的缝隙与螺栓预紧力间的关系及螺栓连接周圈结构位移的变化规律;在保持预紧力的状态下，进一步研究了优化螺栓布置方式对结构应力、位移的影响。
关键词：起重机;转台;回转支承;预紧力;螺栓
起重机主要结构包括上车吊臂、转台、底盘等，载荷由重物通过吊臂传递到转台，转台将经过初次平衡的载荷由回转支承结构传递到底盘。回转支承在整车载荷传递途径中主要承受垂直方向的载荷和弯矩。
工程实际中，回转支承与转台通过周圈均布的高强预紧力螺栓连接。研究不同螺栓预紧力状况下，被连接结构缝隙的大小与螺栓预紧力之间的关系，可据此判断螺栓预紧力施加是否满足要求;同时，研究螺栓连接面周圈位移规律可进一步明确周圈螺栓受载状况，为螺栓排布及优化提供依据。
1 研究范围及方法
预紧力螺栓连接结构中存在着摩擦、接触、弯曲等特征，一般很难用解析法计算。有限元软件ANSYS能夠综合考虑摩擦、接触、弯曲、预紧力等各种非线性因素，通过建立三维有限元模型，可以比较准确地得到螺栓及被连接结构的应力和变形，是当前研究螺栓连接结构问题比较通用的方法。
起重机设计中，一般按照起重机设计规范选取结构件最不利载荷为设计计算依据。本文选取了某型号的起重机的起臂工况、额定吊载工况、125%试验工况3种典型工况，分别计算了在1.25倍试验工况下，螺栓施加40%、60%、80%、100%比例预紧力时结构的位移和应力、转台座圈局部结构的位移分布;常规的螺栓排布方式与优化的螺栓排布方式整体结构位移和应力、各部件的位移和应力。
2 计算模型及简化
本文将与回转支承非线性接触的局部，包含回转支承、转台和底盘、螺栓等均采用SOLID186实体单元，其他部分采用壳单元。
2.1 边界条件
吊臂载荷通过转台上各铰点输入，转台与底盘通过回转支承连接，底盘与地面采用固定连接，回转支承分别通过内、外两排螺栓与转台和底盘设置非线性接触连接。
2.2 载荷及螺栓预紧力施加
转台上各铰点输入载荷见下表1：
表1 转台各铰点输入载荷
[＼&主臂＼&人字架＼&配重＼&备注＼&FX＼&FY＼&FX＼&FY＼&FY＼&＼&起臂
额定吊载
1.25倍试验＼&52.88
18.10
24.96＼&-1.1
-103.60
-138.78＼&-53.1
-18.3
-20.1＼&79.4
57.3
59.8＼&26
26
26＼&＼&][铰点
工况]
螺栓预紧力通过PRETS179单元模拟。第1载荷步仅施加螺栓预紧力，M30螺栓预紧力按照标准取650kN，第2载荷步施加结构载荷，同时预紧力锁定在初始值。
3 结果汇总及对比
依据上节给出的模型及边界条件，本文进行了多种工况组合的计算，本节内容将对计算情况分别进行汇总及对比分析。
3.1 螺栓预紧力对比分析结果
通过对螺栓分别施加40%、60%、80%、100%预紧力来考察预紧力对整体结构的应力及位移的影响，同时，为进一步研究预紧力大小对转台座圈与回转支承贴合面缝隙的影响，提取了座圈面上周圈节点Y向位移，施加40%预紧力位移33.95mm、施加60%预紧力位移33.62mm、施加80%预紧力位移33.56mm、施加100%预紧力33.63mm。
计算结果表明，在一定范围内，螺栓预紧力的大小对整体结构应力和位移变化影响较小。预紧力从40%增加到100%后，结构的位移相对变化量不超过1mm，除与螺栓接触面外，其他结构件的应力分布及大小基本没有变化;转台与座圈连接后侧面Y向位移呈现正弦分布，最大值点发生在正后方点;当螺栓预紧力小于额定值的60%时，转台座圈与回转支承接触面之间的间隙增大;当预紧大于60%时，基本上对间隙无影响。
3.2 螺栓排布优化分析结果
螺栓拉伸最大值点在转台正后方，由最后侧往两边呈现逐步减小的趋势。据此可优化转台两侧约1/3螺栓。选取典型工况，对优化前后整机结构应力和位移进行对比分析，计算结果对比表明，优化后的螺栓排布方式对整机位移和应力基本不会产生影响。考虑到优化后螺栓排布方式为局部的变化，因此，还需要考虑转台底面与回转支承连接部分应力分布的变化。
4 结论
根据以上计算和对比，初步可得到以下几点结论：①在一定范围内，螺栓预紧力的大小对整体结构的位移影响较小，因此，无法从整体变形上推断预紧力是否足够。②预紧力的大小对转台与回转支承连接面上的Y向位移有一定的影响，对实际工程来说，当转台座圈面无缺陷时，可以据此初步判断预紧力施加的是否足够。另外，当预紧力在额定值60%以下时较容易判断，60%以上时判断起来较为困难。③优化的螺栓排布方式对结构应力和位移基本不产生影响，因此，可据此优化1/3的螺栓数量，为整机的结构优化设计，降低成本起到积极的作用。
参考文献：
[1]GB/T 3811-2008，起重机设计规范[S].
[2]GB/T 1231-2006，钢结构用高强度大六角头螺栓，大六角螺母，垫圈技术条件[S].
[3]GB/T 196-2003，普通螺纹 基本尺寸[S].
[4]成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社，2004.1.
[5]李炳田，孙影，等.回转支承与转台结构有限元分析[J].建筑机械，2014（03）：88-92.
[6]张朝晖.ANSYS12.0结构分析与工程应用实例解析[M].机械工业出版社，2010.
[7]孟庆国.回转支承高强度螺栓预拉力的计算及ANSYS分析[J].机械工程师，2018（8）：62-63.
[8]刘生华.高强度螺栓在塔式起重机上的应用[J].建筑机械技术与管理，2011（04）：137-139.
作者简介：李炳田（1980—），男，山西人，机械工程师，从事起重机械结构优化及设计。
关键词：起重机;转台;回转支承;预紧力;螺栓
起重机主要结构包括上车吊臂、转台、底盘等，载荷由重物通过吊臂传递到转台，转台将经过初次平衡的载荷由回转支承结构传递到底盘。回转支承在整车载荷传递途径中主要承受垂直方向的载荷和弯矩。
工程实际中，回转支承与转台通过周圈均布的高强预紧力螺栓连接。研究不同螺栓预紧力状况下，被连接结构缝隙的大小与螺栓预紧力之间的关系，可据此判断螺栓预紧力施加是否满足要求;同时，研究螺栓连接面周圈位移规律可进一步明确周圈螺栓受载状况，为螺栓排布及优化提供依据。
1 研究范围及方法
预紧力螺栓连接结构中存在着摩擦、接触、弯曲等特征，一般很难用解析法计算。有限元软件ANSYS能夠综合考虑摩擦、接触、弯曲、预紧力等各种非线性因素，通过建立三维有限元模型，可以比较准确地得到螺栓及被连接结构的应力和变形，是当前研究螺栓连接结构问题比较通用的方法。
起重机设计中，一般按照起重机设计规范选取结构件最不利载荷为设计计算依据。本文选取了某型号的起重机的起臂工况、额定吊载工况、125%试验工况3种典型工况，分别计算了在1.25倍试验工况下，螺栓施加40%、60%、80%、100%比例预紧力时结构的位移和应力、转台座圈局部结构的位移分布;常规的螺栓排布方式与优化的螺栓排布方式整体结构位移和应力、各部件的位移和应力。
2 计算模型及简化
本文将与回转支承非线性接触的局部，包含回转支承、转台和底盘、螺栓等均采用SOLID186实体单元，其他部分采用壳单元。
2.1 边界条件
吊臂载荷通过转台上各铰点输入，转台与底盘通过回转支承连接，底盘与地面采用固定连接，回转支承分别通过内、外两排螺栓与转台和底盘设置非线性接触连接。
2.2 载荷及螺栓预紧力施加
转台上各铰点输入载荷见下表1：
表1 转台各铰点输入载荷
[＼&主臂＼&人字架＼&配重＼&备注＼&FX＼&FY＼&FX＼&FY＼&FY＼&＼&起臂
额定吊载
1.25倍试验＼&52.88
18.10
24.96＼&-1.1
-103.60
-138.78＼&-53.1
-18.3
-20.1＼&79.4
57.3
59.8＼&26
26
26＼&＼&][铰点
工况]
螺栓预紧力通过PRETS179单元模拟。第1载荷步仅施加螺栓预紧力，M30螺栓预紧力按照标准取650kN，第2载荷步施加结构载荷，同时预紧力锁定在初始值。
3 结果汇总及对比
依据上节给出的模型及边界条件，本文进行了多种工况组合的计算，本节内容将对计算情况分别进行汇总及对比分析。
3.1 螺栓预紧力对比分析结果
通过对螺栓分别施加40%、60%、80%、100%预紧力来考察预紧力对整体结构的应力及位移的影响，同时，为进一步研究预紧力大小对转台座圈与回转支承贴合面缝隙的影响，提取了座圈面上周圈节点Y向位移，施加40%预紧力位移33.95mm、施加60%预紧力位移33.62mm、施加80%预紧力位移33.56mm、施加100%预紧力33.63mm。
计算结果表明，在一定范围内，螺栓预紧力的大小对整体结构应力和位移变化影响较小。预紧力从40%增加到100%后，结构的位移相对变化量不超过1mm，除与螺栓接触面外，其他结构件的应力分布及大小基本没有变化;转台与座圈连接后侧面Y向位移呈现正弦分布，最大值点发生在正后方点;当螺栓预紧力小于额定值的60%时，转台座圈与回转支承接触面之间的间隙增大;当预紧大于60%时，基本上对间隙无影响。
3.2 螺栓排布优化分析结果
螺栓拉伸最大值点在转台正后方，由最后侧往两边呈现逐步减小的趋势。据此可优化转台两侧约1/3螺栓。选取典型工况，对优化前后整机结构应力和位移进行对比分析，计算结果对比表明，优化后的螺栓排布方式对整机位移和应力基本不会产生影响。考虑到优化后螺栓排布方式为局部的变化，因此，还需要考虑转台底面与回转支承连接部分应力分布的变化。
4 结论
根据以上计算和对比，初步可得到以下几点结论：①在一定范围内，螺栓预紧力的大小对整体结构的位移影响较小，因此，无法从整体变形上推断预紧力是否足够。②预紧力的大小对转台与回转支承连接面上的Y向位移有一定的影响，对实际工程来说，当转台座圈面无缺陷时，可以据此初步判断预紧力施加的是否足够。另外，当预紧力在额定值60%以下时较容易判断，60%以上时判断起来较为困难。③优化的螺栓排布方式对结构应力和位移基本不产生影响，因此，可据此优化1/3的螺栓数量，为整机的结构优化设计，降低成本起到积极的作用。
参考文献：
[1]GB/T 3811-2008，起重机设计规范[S].
[2]GB/T 1231-2006，钢结构用高强度大六角头螺栓，大六角螺母，垫圈技术条件[S].
[3]GB/T 196-2003，普通螺纹 基本尺寸[S].
[4]成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社，2004.1.
[5]李炳田，孙影，等.回转支承与转台结构有限元分析[J].建筑机械，2014（03）：88-92.
[6]张朝晖.ANSYS12.0结构分析与工程应用实例解析[M].机械工业出版社，2010.
[7]孟庆国.回转支承高强度螺栓预拉力的计算及ANSYS分析[J].机械工程师，2018（8）：62-63.
[8]刘生华.高强度螺栓在塔式起重机上的应用[J].建筑机械技术与管理，2011（04）：137-139.
作者简介：李炳田（1980—），男，山西人，机械工程师，从事起重机械结构优化及设计。