溪洛渡大壩深孔液壓啟閉機搖擺機架結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元計算分析

龍朝暉，劉天德，王小慧

（中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072）

0 前 言

液壓啟閉機搖擺機架由大、小機架組成，根據(jù)鉸軸的布置高度、位置不同，大體上有兩種結(jié)構(gòu)布置形式：一種為鉸軸同層布置，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)布置緊湊、機架高度低，能適應(yīng)較大旋轉(zhuǎn)角度，但采用傳統(tǒng)的力學(xué)方法不易對其結(jié)構(gòu)強度進行分析計算；另一種為鉸軸疊層布置，雖可采用傳統(tǒng)力學(xué)方法對其結(jié)構(gòu)強度進行分析計算，但機架高度高，較大旋轉(zhuǎn)角度時需要更大的機架高度。同層布置中，根據(jù)小機架結(jié)構(gòu)形式不同，有鋼板焊接結(jié)構(gòu)和鑄鋼結(jié)構(gòu)兩種。本文采用三維有限元方法對小機架為鑄鋼結(jié)構(gòu)的搖擺機架的結(jié)構(gòu)強度進行了計算分析。

1 閘門及啟閉機布置

溪洛渡大壩壩身中部設(shè)置8個深孔，出口工作閘門為潛孔弧形閘門，孔口尺寸為6 m×6.7 m（寬×高），設(shè)計水頭為104 m，采用4 000 kN/1 000 kN搖擺式液壓啟閉機操作。深孔閘門及啟閉機布置如圖1所示。

圖1 閘門及啟閉機布置Fig.1 Layout of gate and hoist

2 搖擺機架結(jié)構(gòu)設(shè)計

在閘門的啟閉過程中，油缸的主要運動形式為活塞桿的軸向伸縮與油缸在順水流平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動組成的空間運動，同時在垂直水流平面內(nèi)亦存在閘門的側(cè)向運動。液壓啟閉機的機架設(shè)計為同層雙向十字搖擺式（如圖2、3所示）。仿照木工結(jié)構(gòu)中常見的榫卯結(jié)構(gòu)，該搖擺機架的小機架由四根橫梁兩兩榫卯并輔以高強螺栓聯(lián)接組成，橫梁1上設(shè)有與大機架相連接的凸軸，橫梁2上設(shè)置與油缸上部l連接的軸孔，兩軸為同層布置（軸線共面垂直）。小機架整體可繞其與大機架間的連接軸（J、K）轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)油缸在順水流平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動；同時油缸上部與小機架間的軸連接（E、F）亦可做一定程度的轉(zhuǎn)動，從而適應(yīng)油缸在垂直水流平面內(nèi)的擺動。

圖2 搖擺機架結(jié)構(gòu)形式簡圖一Fig.2 Structural type 1 of the swing frame

圖3 搖擺機架結(jié)構(gòu)形式簡圖二Fig.3 Structural type 2 of the swing frame

3 機架結(jié)構(gòu)強度有限元驗算

小機架的四根支承橫梁為鑄鋼件，榫卯結(jié)構(gòu)的局部受力復(fù)雜，傳統(tǒng)的力學(xué)模型簡化計算存在較大的困難。為驗證該機架的結(jié)構(gòu)強度，現(xiàn)采用三維有限元方法進行驗算分析。

3.1 工況分析

根據(jù)啟閉機與閘門的工作特點可知，在啟門瞬間、啟門過程、閉門過程、閉門瞬間的工況循環(huán)中，由于啟閉荷載始終沿活塞桿軸向，本計算重點關(guān)注的小機架所承受的荷載始終垂直于小機架平面；根據(jù)閘門啟閉機的布置，在啟門瞬間，小機架平面與水平面最大夾角為8.376°，此時大機架承受的水平推力最大，對大機架相對不利。綜合上述分析可知，啟門瞬間工況為該搖擺機架結(jié)構(gòu)強度校核的計算工況。

3.2 強度理論與允許應(yīng)力

按DL/T5039-95《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》，構(gòu)件容許應(yīng)力見表1，其中[σcd]為局部承壓容許應(yīng)力，[σ]為抗拉、抗壓和抗彎容許應(yīng)力。

表1 構(gòu)件允許應(yīng)力Table 1:Allowable stress of the structure

3.3 荷載計算

液壓啟閉機在啟閉閘門時，傳遞到機架的荷載主要為沿油缸方向的拉力P，以及克服軸與軸套之間（JK處）滑動摩擦所需的附加轉(zhuǎn)矩M。為安全起見，機架承受的拉力P需在理論啟閉力F的基礎(chǔ)上考慮動載沖擊效應(yīng)，采用1.125的等效系數(shù)，即：

JK處軸與軸套之間考慮0.15的摩擦因數(shù)ξ，軸徑為300 mm，則克服滑動摩擦所需的附加轉(zhuǎn)矩為：

該附加轉(zhuǎn)矩由橫梁二、四的受力不一致產(chǎn)生，故作用在橫梁二、四的上的附加力偶為：

EF處的轉(zhuǎn)動是為了適應(yīng)機架、油缸、閘門的安裝誤差引起的橫向擺動，在啟閉機安裝完成之后，啟閉操作過程中，可忽略該處的相對轉(zhuǎn)動。

橫梁榫卯聯(lián)接處的螺栓組存在較大的預(yù)緊力，按照M30螺栓60%保證荷載計算的預(yù)緊力為：

3.4 荷載與約束的施加

有限元模型中需施加的各項荷載情況如下：

（1）油缸作用于機架上的拉力P、附加力偶P△，采用軸承分布力（Bearing load）施加于E、F兩軸孔圓柱面，疊加后的軸承力大小如下：

（2）施加于小機架橫梁榫卯部位的聯(lián)接螺栓螺桿上的預(yù)緊力，按照M30螺栓60%保證荷載計算的預(yù)緊力為：

本模型的約束：選擇大機架的A支座施加固定約束，B、C、D支座施加豎向約束。最終，模型的邊界條件施加效果如圖4所示。

圖4 有限元模型邊界條件示意Fig.4 Sketch of boundary conditions for the FEM model

3.5 網(wǎng)格劃分

為減少非線性有限元的迭代計算規(guī)模，網(wǎng)格劃分的全局尺寸設(shè)置為較大100 mm以簡化模型，同時在各個容易導(dǎo)致應(yīng)力集中的部位進行細化。整個模型的有限元網(wǎng)格包含313 229個節(jié)點，170 653個實體單元，如圖5所示。

3.6 計算結(jié)果典型云圖

綜合圖6、圖7、圖8分析可知，小機架的應(yīng)力整體分布較為合理，最大集中應(yīng)力為265.54 MPa，出現(xiàn)于高強螺栓孔的孔周局部，應(yīng)力性質(zhì)為局部緊接承壓應(yīng)力；橫梁一、三的應(yīng)力較橫梁二、四為大，其跨中彎應(yīng)力約為98 MPa，軸孔邊緣的局部承壓應(yīng)力約為217 MPa；重點關(guān)注的榫卯部位集中應(yīng)力約為101 MPa。除了由螺栓孔附近的局部模型失真引起的集中應(yīng)力，其余部位的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，小機架結(jié)構(gòu)強度滿足相關(guān)規(guī)范要求。

圖5 三維有限元網(wǎng)格剖分效果示意Fig.5 Sketch of the grid generation for the 3-d FEM model

圖6 小機架von-Mises應(yīng)力云圖Fig.6 Von-mises stress distribution of the small frame

圖7 小機架橫梁一、三von-Mises應(yīng)力云圖Fig.7 Von-mises stress distribution of crossbeam 1 and 3 of the small frame

圖8 小機架橫梁二、四von-Mises應(yīng)力云圖Fig.8 Von-mises stress distribution of crossbeam 2 and 4 of the small frame

由圖9、圖10分析可知，大機架的應(yīng)力整體分布較為合理，最大集中應(yīng)力為342 MPa，出現(xiàn)于軸承座附近筋板位置，應(yīng)力性質(zhì)為局部緊接承壓應(yīng)力（實際結(jié)構(gòu)中此處布置有螺栓架，此處簡化模型計算結(jié)果偏大）；大機架座板處的最大集中應(yīng)力約為328 MPa，應(yīng)力性質(zhì)為局部的緊接承壓應(yīng)力；大機架橫梁跨中彎應(yīng)力介于114～152 MPa。綜合判斷，大機架結(jié)構(gòu)強度滿足規(guī)范要求。

圖9 大機架von-Mises應(yīng)力云圖Fig.9 Von-mises stress distribution of the big frame

圖10 軸承座von-Mises應(yīng)力云圖Fig.10 Von-mises stress distribution of the bearing block

由圖11分析可知，大、小機架之間的連接轉(zhuǎn)軸最大應(yīng)力約為136 MPa，位于軸肩處，分布較為合理，強度滿足規(guī)范要求。

圖11 轉(zhuǎn)軸von-Mises應(yīng)力云圖Fig.11 Von-mises stress distribution of the shaft

由圖12、13分析可知，大機架的豎向剛度和水平撓度值均小于2 mm（1‰），滿足規(guī)范要求。

圖12 大機架豎向變形位移云圖Fig.12 Vertical deformation distribution of the big frame

圖13 大機架橫向變形位移云圖Fig.13 Horizontal deformation distribution of the big frame

3.7 計算結(jié)果列表

經(jīng)過有限元計算分析，該搖擺機架的結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果如表2所示。

表2 搖擺機架結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果Table 2:Calculation result of structural strength of the swing frame

4 結(jié) 語

（1）本文提出的液壓啟閉機搖擺機架的小機架設(shè)計仿照木工結(jié)構(gòu)的榫卯型式，為雙向搖擺同層布置，與錯層布置相比，可在一定程度上降低機架自身高度，結(jié)構(gòu)空間有限時，對啟閉機的布置及設(shè)計較為有利，豐富了搖擺機架的設(shè)計型式。

（2）本文采用三維有限元方法對機架結(jié)構(gòu)強度進行了驗算，由計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布較為合理，結(jié)構(gòu)強度能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，同時，計算結(jié)果指出了結(jié)構(gòu)的薄弱部位，為設(shè)計者的后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考。

（3）對于受力復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部位，采用三維有限元方法進行計算能夠更加直觀、詳細及精確地反映設(shè)計者所關(guān)心的結(jié)構(gòu)強度問題，是一次有意義的探索，對基于傳統(tǒng)力學(xué)方法的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有現(xiàn)實可行的輔助意義，有利于提高結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、先進性，能較大程度地提高設(shè)計單位的設(shè)計水平。