球铰结构的原设计方案及其改进

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1、球铰构造的原设计方案及其改良摘要：针对某建筑工程抗震所用的球铰关节构造，通过分析提出原有构造设计的不合理之处，进而对构造进展了优化设计，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; 构造优化;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。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，局限性是承载才能差、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。目前，在建筑抗震设计中，常常使用球铰关节来释放建筑构造某些自由度，改善构造内部的应力分布，减少应力集中现象，确保建筑构造的平安

2、。常见球铰构造有盆式橡胶支座、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，减轻地震对建筑构造的破坏性。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工程所用到的球铰关节的构造。该球铰要求使用年限为50年，建筑钢构造平安等级为一级，建筑抗震设防为重点设防类。作为钢构造的铰接节点，该球铰构造主要承受拉力，设计载荷为1 000 kN，平安系数取1.5，极限载荷为1 500 k N，旋转摆动角6。为理解该球铰构造的受力情况，本文采用了有限元软件，对球铰关节进展仿真分析，通过对几何模型的边界条件设置、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

3、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，评价构造的合理性和可靠性。2 、原始构造设计方案2.1、 初始设计构造某建筑工程原有球铰构造设计方案如图1所示，主要部件包括球头杆、球铰底座、球铰盖板三局部，其中球铰底座和球铰盖板以螺纹连接方式锁固，球头杆的球头局部落在底座和盖板内外表所包围的球窝中，而球头杆柄部带有内螺纹与外部建筑杆件进展连接固定。初始设计时，三个零件件均选用GCr15材料，热处理硬度要求为54HRC60HRC。图1 球铰关节的原始设计方案构造2.2 、构造仿真分析通过有限元建模拟真分析，原球

4、铰构造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，出如今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，出如今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，出如今外圆柱面与下部法兰的连接处。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，而底座和盖板那么变形较小，均在1

5、.2 mm以下。2.3、 原构造存在问题通过观察原构造设计方案，可以看出该方案存在以下问题： (1) 原设计方案的球铰关节构造较为简单，在使用过程中内部球面滑动摩擦副会有磨损、黏合现象，光滑、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) 球铰关节构造的轴向游隙无法准确调整，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) 构造受力时，零件内部的应力分布上下差异较大，球头杆内螺纹、盖板的顶部端口处存在较大应力集中现象，而整体构造的下局部根本处于低应力区，承载平安系数富裕度较大。 (4) 球铰关节各零件均采用GCr15材料，而零件的壁厚差异较大，在热处

6、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，在壁厚差异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正确方案，需要进一步优化设计球铰关节节点的构造，改善内部受力和加工所存在的工艺问题。3、 优化设计前方案3.1、优化后构造根据上面所述的构造问题，对原有球铰关节的构造进展了调整，优化后的构造方案如图6所示。此构造引入了一种关节轴承的新型球铰构造，零件包括销轴、底座、底板、两套带自光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。新旧构造比照，主要变化如下：原

7、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构造，可起到调整轴承径向游隙作用，待轴承游隙调整好后，可对底板进展点焊加固，防止螺纹松懈造成游隙变大，从而防止构造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，内圈外球面镶嵌固体自光滑材料，可有效保证构造的自光滑作用，从而实现免维护并延长使用寿命。新构造考虑了防水、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

8、长产品的使用寿命。新构造的外形尺寸做了适当减小，使构造更加紧凑，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构造中，可承受一般地震冲击和外部鼓励交变载荷的频繁作用。总之，新构造方案设计易于维护，维护本钱低，使用寿命更长。图6 优化的球铰关节设计方案构造3.2、 构造仿真分析同理，新构造方案的球铰关节，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、

9、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，出如今上轴承外圈，而下轴承外圈受力很小；内圈最大等效应力为262.5 MPa，同样出如今上轴承内圈；底座最大等效应力为345.5 MPa，出如今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，出如今螺纹的最下部。由图12可知，球铰构造的最大位移量为3.049 mm，比原构造位移量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。

10、由此可得，各零件的最大等效应力均低于材料的屈从强度，不仅可以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、结论球铰构造的原设计方案构造简单，在光滑、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构造更加紧凑，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、防腐蚀和光滑等问题。优化后的球铰构造质量比原来的减轻了40 kg，所减质量比例到达了11%。参考文献：刘天柱.基于3-RPS并联机构的自调平升降机设计与研究.淄博：山东理工大学，2022.【2】苗蓉.基于BP神经网络的并联机构误差分析.机床与液压，2022, 45 (11) :13-17.刘良宝，吴振强，张洁，等.滑动球铰的精度分析及减摩优化.航空精细制造技术，2022, 54 (6) :28-31, 36.金巧，谢飞.民用建筑抗震滑移球铰支座应用.江苏建筑，2022 (5) :24-26.