三峽升船機臥倒門油缸支鉸優(yōu)化

陳 林，王 洋

(長江三峽通航管理局,湖北 宜昌 443002)

三峽升船機是目前世界上提升力最大的全平衡垂直升船機，過船規(guī)模為3 000噸級，驅(qū)動機構(gòu)采用齒輪齒條爬升[1]。臥倒門及啟閉機作為三峽升船機的關(guān)鍵設備，其性能直接影響三峽升船機正常通航和管理，其運行狀況直接關(guān)系著過機船舶的安全。

三峽升船機于2016年9月18日試通航[2]，臥倒門隨著船舶進出船廂和承船廂需要調(diào)節(jié)水深，需要經(jīng)常開啟或關(guān)閉，臥倒門為實腹式平板門，位于U形門體槽內(nèi)，下部通過兩個支鉸與U形門體結(jié)構(gòu)連接，啟閉時繞支鉸在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，開啟后小門平臥在門龕內(nèi)。兩側(cè)對稱分布的左、右臥倒門液壓啟閉油缸同步驅(qū)動，實現(xiàn)臥倒門的開啟與關(guān)閉。

2018年8月8日進行了下閘首排干檢查，發(fā)現(xiàn)下閘首臥倒門北側(cè)油缸有桿腔支鉸連接螺栓部分斷裂，南北側(cè)油缸有桿腔支鉸連接螺栓全部松動，致使臥倒門運行存在嚴重的安全隱患，對三峽升船機通航構(gòu)成了極大的威脅。為研究螺栓斷裂和松動原因，建立下閘首臥倒門油缸支鉸的幾何模型，計算下閘首臥倒門油缸支鉸連接螺栓靜強度和疲勞強度，通過研究分析影響螺栓斷裂的因素，找出螺栓斷裂的主要原因，并通過理論計算和有限元分析提出臥倒門油缸支鉸優(yōu)化改造的方案，為閘首臥倒門油缸支鉸優(yōu)化設計提供參考和依據(jù)。

1 單個油缸支鉸上的荷載分析

由于上、下閘首臥倒門驅(qū)動方式、油缸支鉸結(jié)構(gòu)形式均相同，現(xiàn)以下閘首臥倒門為例建立幾何模型。臥倒門開關(guān)過程中，油缸與支鉸連接螺栓采用的是A2-70型M20×15(公稱直徑20 mm、長度150 mm)普通不銹鋼螺栓。下閘首臥倒門油缸以1 100 kN推力、660 kN拉力作為啟閉機啟閉力的控制條件。通過分析可知：臥倒門由水關(guān)門終了時油缸輸出最大推力，由水開門初始時油缸輸出最大拉力。分別計算臥倒門油缸支鉸在此種情況下的荷載，并以這兩種工況進行螺栓強度的靜力學分析，其中荷載不均勻系數(shù)取1.2，單個油缸支鉸上的荷載大小和方向，將作用在單個油缸支鉸上的啟閉力Fq分解為水平x方向Fqx和豎直y方向的力Fqy，受力分析見圖1，計算結(jié)果見表1。

表1 單個油缸支鉸上的荷載

圖1 油缸支鉸受力

2 不同工況下理論計算與有限元分析

2.1 油缸輸出最大推力工況

支座上出現(xiàn)豎直向下的壓力及背離臥倒門的水平推力，此時支座與結(jié)合面有越壓越緊的趨勢，連接螺栓群處于卸荷狀態(tài)(若進行過預緊)，由于豎直向下的壓力對B點的力矩遠遠大于水平推力Fqx對B點的力矩，支座無繞B點翻轉(zhuǎn)的趨勢，螺栓上也不會產(chǎn)生由翻轉(zhuǎn)力矩引起的拉力?？紤]支座與結(jié)合面(結(jié)構(gòu)鋼支架表面)的最小靜摩擦系數(shù)為 0.3，結(jié)合面間的最小靜摩擦力大于水平推力，故結(jié)合面不發(fā)生滑移，因此不需要對此工況螺栓進行強度校核。

2.2 油缸輸出最大拉力工況

支座上出現(xiàn)豎直向上的拉力及指向臥倒門的水平推力，此時支座有向上(結(jié)合面脫離)及繞A點翻轉(zhuǎn)的趨勢，前提條件是：1)螺栓連接的結(jié)合面不脫開；2)A點處設置了頂緊塊(剪力板)或A點處于受壓區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場的情況看，連接螺栓均松動，部分連接螺栓斷裂，顯然不符合上述兩種前提條件。當臥倒門油缸支鉸在油缸輸出最大拉力工況時，連接螺栓應按照未預緊或未按規(guī)定預緊(松連接)的普通螺栓組來考慮。此時 12 根連接螺栓(圖2)分擔承受支座上豎直向上的拉力；由于連接面兩組件的連接螺栓孔非配合孔(非鉸制孔)，螺孔的孔徑較螺栓的公稱直徑大2 mm，12 根連接螺栓中僅能考慮 2～3 根螺栓抗剪(抵抗水平力)。故螺栓屬于既受軸向拉力又受剪力的松連接螺栓。

圖2 螺栓位置分布

2.2.1在油缸輸出最大拉力工況下對螺栓進行靜強度分析

下閘首油缸支鉸連接板最大軸向拉力F=392.1 kN,單根螺栓最大軸向拉力F1=32.7 kN。連接螺栓最大剪力Q=55.4 kN?？紤]2顆螺栓受剪力影響，則單顆螺栓Q1=27.7 kN。下閘首臥倒門油缸支鉸連接采用12根A2-70型M20螺栓，其屈服強度σs和抗拉強度σb分別為450和700 MPa。

對于M20不銹鋼螺栓單顆螺栓實際最大拉應力為：

(1)

式中：A為螺栓有效截面積；F1為螺栓最大拉力。

最大剪應力為：

(2)

式中：Q1為螺栓最大剪力；τp為許用剪應力。

計算拉應力時，d1為螺栓小徑，下閘首M20螺栓小徑d1=17.294 mm；計算剪應力及擠壓時，采用螺栓光桿段直徑取螺栓公稱直徑d，下閘首M20螺栓d=20 mm，δ取連接面相對較薄的板厚 為25 mm。計算結(jié)果見表2。

表2 按松連接考慮螺栓的強度復核

《重型機械通用技術(shù)條件》規(guī)定的一般連接螺栓擰緊力矩中未涉及 A2-70不銹鋼螺栓，套用性能近似的 5.6 級螺栓的擰緊力矩值[3]，下閘首 M20 螺栓擰緊力矩為136 N·m。查《機械設計手冊》[4]知，工作荷載不穩(wěn)定時，殘余預緊力系數(shù)K取0.6～1.0(本文取0.6)，螺栓連接相對剛度λ取0.2，一般加工表面無潤滑時擰緊力矩系數(shù)K′取 0.18～0.21(本文取0.2)。則對于單顆螺栓預緊力為：

F′=KF+(1-λ)F=(1+K-λ)F=1.4F

(3)

式中：K為殘余預緊力；F為工作最大荷載。

螺栓的預緊力為：

F′=T(K′d)

(4)

式中：T為擰緊力矩；d為公稱直徑。

對于A2-70型普通不銹鋼螺栓，反算出的螺栓預緊力F′為34 kN，均小于螺栓工作荷載F。由于支座連接螺栓實際預緊力值偏小或未達到《重型機械通用技術(shù)條件》的規(guī)定值，螺栓的最大工作荷載超過了預緊力，或是螺栓初始狀態(tài)即為松連接，螺栓在工作荷載作用下將產(chǎn)生伸長變形，反復作用后致使支座與安裝面間出現(xiàn)間隙，造成連接松動。

2.2.2支鉸連接螺栓連接板有限元強度分析

利用SolidWorks Simulation有限元軟件建立了油缸支鉸的簡化模型，見圖3。下連接板底面全約束，上下兩塊連接板采用螺栓連接，連接板位移云圖見圖4。查《機械設計手冊》可知，螺栓預載力矩取132 N·m，摩擦系數(shù)取0.2，上連接板上表面加垂直向上的荷載F為392.1 kN，螺栓材料定義為A2-70型不銹鋼螺栓，連接板材料定義為Q345C,螺栓和連接板安全系數(shù)為1.5，螺栓的應力云圖見圖5，螺栓軸向受力情況見圖6。

圖3 螺栓連接板的網(wǎng)格模型

圖4 連接板的位移云圖

圖5 螺栓的應力云圖

圖6 連接螺栓軸向受力分布

通過上述對螺栓強度的有限元分析發(fā)現(xiàn)，在最大工作荷載作用下，原A2-70型M20螺栓的最大拉應力536 MPa，螺栓實際最大拉應力已超過其屈服強度(450 MPa)，沒有超過抗拉強度(700 MPa)，短周期拉伸螺栓沒有拉斷，但螺栓已經(jīng)發(fā)生拉伸變形，經(jīng)過脈動循環(huán)荷載的反復作用下，螺栓材料性能已經(jīng)喪失，因此會被拉斷。

根據(jù)支鉸連接螺栓的受力分布情況，螺栓的最大工作荷載超過了預緊力，或是螺栓初始狀態(tài)即為松連接，螺栓在工作荷載作用下將產(chǎn)生伸長變形，反復作用后致使支座與安裝面出現(xiàn)間隙，造成連接松動。最外側(cè)螺栓的工作荷載最大，在超過實際預緊力且接近屈服極限的脈動循環(huán)荷載的反復作用下，外側(cè)螺栓可能產(chǎn)生低周疲勞失效。該螺栓失效后，內(nèi)側(cè)螺栓的荷載將急劇增大，從而發(fā)生連鎖反應，其他螺栓將相繼斷裂。

3 油缸支鉸優(yōu)化方案

3.1 更換螺栓

采用10.9級高強度螺栓代替原A2-70型不銹鋼螺栓，新?lián)Q的10.9級螺栓按照《重型機械通用技術(shù)條件》規(guī)定的擰緊力矩進行預緊，下閘首M20螺栓擰緊力矩為409 N·m。據(jù)此反算出螺栓的預緊力為：

F=T(0.2d)

(5)

通過式(5)計算得出螺栓預緊力為102 kN,可以看出預緊力均大于1.4F，連接面在螺栓出現(xiàn)最大工作荷載時不脫開，螺栓組可均勻分擔支座上的拉力，此連接是可靠的。

3.2 連接板上增加2個筋板

1#、2#、3#螺栓和10#、11#、12#螺栓側(cè)上連接板強度應力集中(圖4)，可以在1#和4#螺栓、7#和10#螺栓這兩排螺栓中間增加2個筋板，10.9級高強度螺栓部分應力會轉(zhuǎn)移到筋板上，可保證連接板強度。

3.3 螺栓上、下連接焊縫強度校核

螺栓上、下連接焊縫強度采用下式進行校核：

(6)

式中：F為筋板最大荷載；τ′p為角焊縫的許用剪切應力；a為角焊縫的計算厚度；l為焊縫長度。更換為10.9級高強度螺栓后，通過校核，螺栓強度可以滿足要求，但考慮到焊縫是否能承受住最大荷載，現(xiàn)對焊縫強度進行校核，按照筋板最大荷載392.1 kN計算,得出角焊縫的實際應力為66.7 MPa,連接板材料Q345C許用應力為220 MPa，焊縫許用應力為筋板許用應力的85%[5]，其角焊縫的許用應力為187 MPa，角焊縫實際應力小于焊縫許用應力，焊縫強度滿足設計要求。

4 結(jié)論

1)造成連接松動、螺栓破斷的主要原因是：螺栓預緊力不足，以及A2-70型螺栓材質(zhì)及制造工藝的缺陷導致螺栓強度低。

2)在Solidworks Simulation平臺下利用有限元分析方法提出了閘首臥倒門支鉸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方案，采用 10.9 級的螺栓代替原 A2-70 的不銹鋼螺栓，取消原螺母側(cè)的彈性墊圈，改用平墊圈。經(jīng)過校核滿足強度要求，增加筋板對油缸支鉸結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，本方案對油缸支鉸設計和優(yōu)化改造提供了理論依據(jù)。