基于CreoSimulate的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸新型鎖緊機(jī)構(gòu)研究

徐光月 馬秀坤 何亞峰

摘要：設(shè)計(jì)了一種液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸新型鎖緊機(jī)構(gòu)，基于Creo Simulate軟件，對(duì)其應(yīng)力分布情況進(jìn)行了有限元分析。有限元計(jì)算方法可模擬液壓?jiǎn)㈤]機(jī)工作的實(shí)際情況，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，使整個(gè)設(shè)備更加安全可靠。該鎖緊機(jī)構(gòu)使液壓?jiǎn)㈤]機(jī)保持位置不變，液壓系統(tǒng)本身無需工作，因此降低了整個(gè)系統(tǒng)的能耗。

關(guān)鍵詞：鎖緊裝置;液壓?jiǎn)㈤]機(jī);油缸;有限元

0 引言

我國是目前世界上水電利用最多的國家，水力發(fā)電在我國能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中具有重要地位[1]。近年來，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在水利工程中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，其安全可靠性也在不斷得到提高。在一些應(yīng)用中，如尾水事故閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，需要設(shè)計(jì)有機(jī)械鎖緊裝置，當(dāng)閘門下滑到一定位置時(shí)，鎖緊機(jī)構(gòu)快速動(dòng)作，使液壓?jiǎn)㈤]機(jī)保持在一定位置，此時(shí)可以關(guān)閉液壓站，在保證整個(gè)電站安全可靠的同時(shí)，降低了整個(gè)系統(tǒng)的能耗。因此保證鎖緊機(jī)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度，優(yōu)化鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，是水利工程上值得研究的課題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前液壓?jiǎn)㈤]機(jī)鎖緊方式主要有液壓鎖緊、機(jī)械鎖緊，而機(jī)械鎖緊更加安全可靠。傳統(tǒng)鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖1所示，鎖緊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)缸的活塞桿直接承受鎖緊力，會(huì)對(duì)鎖緊驅(qū)動(dòng)缸的壽命產(chǎn)生很大影響。而所采用的計(jì)算方法都是基于經(jīng)典力學(xué)公式，具有一定局限性?；诖耍疚奶岢隽艘环N新型鎖緊機(jī)構(gòu)，并基于Creo Simulate軟件[2]，采用有限元方法，對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析，獲得鎖緊機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件的應(yīng)力分布情況，為鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。

1 鎖緊機(jī)構(gòu)原理介紹

在傳統(tǒng)鎖緊機(jī)構(gòu)中，當(dāng)活塞桿下滑超過設(shè)定值時(shí)，鎖緊油缸縮回，鎖緊油缸桿頭固定有一個(gè)直徑稍大的圓柱形鎖緊塊移動(dòng)至油缸中心，這樣鎖緊塊將主油缸活塞尾部的鎖緊桿卡住，起到了鎖緊作用。這種傳統(tǒng)鎖緊機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)在于，鎖緊油缸活塞桿與鎖緊塊剛性連接，桿端將受到一個(gè)側(cè)向力，從而影響驅(qū)動(dòng)油缸的使用壽命。

本文提出的一種新型鎖緊機(jī)構(gòu)如圖2所示，主缸活塞桿尾部設(shè)計(jì)一段臺(tái)階桿及一塊鎖緊油缸驅(qū)動(dòng)的鎖緊板，鎖緊油缸活塞桿與鎖緊塊之間和T型槽連接，鎖緊板上有兩個(gè)直徑不同的孔。當(dāng)鎖緊油缸完全伸出時(shí)，臺(tái)階桿可以穿過鎖緊板上的大孔，主油缸可以正常移動(dòng)，此時(shí)為非鎖緊狀態(tài)。當(dāng)鎖緊油缸完全縮回時(shí)，鎖緊板上的小孔移至與主油缸軸線同軸，由于臺(tái)階桿上部直徑較大，不能穿過鎖緊板上的小孔，起到了鎖緊主油缸的作用。

2 強(qiáng)度計(jì)算

鎖緊機(jī)構(gòu)的安全性關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的正常運(yùn)行，因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。下面將對(duì)解析法和數(shù)值法分別進(jìn)行介紹。鎖緊機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖3所示。

2.1 ? ?解析法

在設(shè)計(jì)時(shí)接觸應(yīng)力和剪應(yīng)力都需要滿足一定的安全系數(shù)要求。

2.2 ? ?數(shù)值法（有限元）

經(jīng)典力學(xué)公式僅進(jìn)行剪切強(qiáng)度及接觸應(yīng)力的計(jì)算，沒有考慮到應(yīng)力分布的不均勻性及局部的應(yīng)力集中，具有一定的局限性。

因此，本文基于Creo Simulate軟件，采用有限元方法，對(duì)一鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了應(yīng)力分析，從而獲得鎖緊機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零件的應(yīng)力分布情況。

油缸在鎖緊時(shí)，當(dāng)鎖緊機(jī)構(gòu)受到1 000 kN拉力時(shí)，鎖緊桿及鎖緊塊的應(yīng)力分布情況如圖4、圖5所示，從圖中可以看出，當(dāng)鎖緊機(jī)構(gòu)受到拉力時(shí)，鎖緊桿和鎖緊塊在應(yīng)力較高處，可能出現(xiàn)應(yīng)力超過材料許用應(yīng)力的情況，因此使用有限元計(jì)算零件強(qiáng)度顯得尤為重要。

3 應(yīng)用案例

我司參與了敦化抽水蓄能電站尾水事故閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸的設(shè)計(jì)制造。吉林敦化抽水蓄能電站2013年7月9日正式開工建設(shè)，裝機(jī)容量1 400 MW，2020年7月31日首臺(tái)機(jī)組發(fā)電。油缸規(guī)格為？準(zhǔn)580/？準(zhǔn)260-5800，頂部設(shè)有液壓操作的機(jī)械鎖緊裝置，如圖6所示，當(dāng)閘門非正常下滑至約200 mm，機(jī)械鎖緊裝置做出鎖緊動(dòng)作，且能鎖住60 t重量的閘門。

3.1 ? ?模型簡(jiǎn)化

此鎖緊機(jī)構(gòu)沿鎖緊方向?qū)ΨQ，可以用一半模型進(jìn)行分析，并刪除不需要的孔、倒角等，主要關(guān)注點(diǎn)為鎖緊桿與鎖緊塊結(jié)合處。

3.2 ? ?材料選擇及設(shè)置

鎖緊桿和鎖緊板選用高強(qiáng)度合金鋼34CrNi3Mo，抗拉強(qiáng)度σb≥900 MPa，屈服強(qiáng)度σs≥800 MPa，泊松比為0.3，彈性模量為210 GPa。

3.3 ? ?邊界條件及載荷

先在對(duì)稱面上設(shè)置對(duì)稱約束，將缸底與缸筒接合表面完全約束，并將鎖緊桿與鎖緊塊、鎖緊塊與缸底之間設(shè)置為接觸。由于使用一半模型進(jìn)行分析，所以接鎖緊桿端施加30 t載荷（即300 kN），邊界條件及載荷設(shè)置如圖7所示。

3.4 ? ?有限元計(jì)算結(jié)果分析

鎖緊板應(yīng)力分布云圖如圖8所示，從圖中可以看出，鎖緊板在工作時(shí)，除區(qū)域非常小的尖點(diǎn)處存在應(yīng)力較大現(xiàn)象外（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)此區(qū)域可以忽略），其余區(qū)域最大應(yīng)力為733 MPa，低于材料屈服強(qiáng)度，且大部分貫穿區(qū)域應(yīng)力為180～280 MPa，因此鎖緊板的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

鎖緊桿應(yīng)力分布云圖如圖9所示，從圖中可以看出，鎖緊桿在工作時(shí)，鎖緊桿與鎖緊塊尖點(diǎn)接觸處雖應(yīng)力較大，但此區(qū)域非常小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)此區(qū)域可以忽略。從鎖緊桿截面應(yīng)力云圖來看，除上述區(qū)域，其余區(qū)域的最大應(yīng)力為762 MPa，低于材料屈服強(qiáng)度，且大部分貫穿區(qū)域應(yīng)力為100～310 MPa，因此鎖緊桿的強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

目前此項(xiàng)目中的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸已安裝調(diào)試完成，工作狀態(tài)正常。

4 結(jié)語

本文提出了一種液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸新型鎖緊機(jī)構(gòu)，對(duì)比了傳統(tǒng)鎖緊機(jī)構(gòu)和新型鎖緊機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，并分析了采用解析法和有限元法對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度校核的特點(diǎn)，基于Creo Simulate軟件對(duì)實(shí)際案例進(jìn)行了分析，保證了鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。該有限元計(jì)算方法具有通用性，可以為此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

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[2] 張洪濤.Pro/Engineer野火版4.0/5.0機(jī)械結(jié)構(gòu)分析實(shí)戰(zhàn)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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收稿日期：2020-05-08

作者簡(jiǎn)介：徐光月（1982—），男，江蘇灌云人，碩士，工程師，研究方向：機(jī)械工程設(shè)計(jì)。

馬秀坤（1978—），女，江蘇睢寧人，工程師，研究方向：機(jī)械工程設(shè)計(jì)。

何亞峰（1975—），男，陜西寶雞人，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與特種加工。