升船機臥倒門聯(lián)門軸拆卸工裝設計及強度分析

陶然　陳明華　馬武杰

摘 要：為解決升船機臥倒門油缸聯(lián)門軸拆卸困難問題，通過查閱臥倒門機構圖紙、實地勘測及合理結構選擇，設計出一款升船機臥倒門油缸聯(lián)門軸拆卸工裝，通過有限元軟件ANSYS對其結構強度進行校核分析，結果滿足強度要求。將設計制作的聯(lián)門軸拆卸工裝用于升船機臥倒門油缸聯(lián)門軸拆卸施工，工裝的應用提高了聯(lián)門軸拆卸效率并保障了施工安全。

關鍵詞：升船機檢修;工裝設計;有限元分析;工程應用

中圖分類號：U698? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2022）01-0086-03

升船機正常通航時，由上、下閘首工作門發(fā)揮擋水作用，而臥倒門為閘首工作門的重要組成部分。臥倒門由2臺1000kN液壓啟閉機同步驅動，啟閉機油缸活塞桿吊頭通過球面軸承、聯(lián)門軸與臥倒門連接。楊林江等[1-2]對升船機進行了概述，并對其運行原理進行了圖解分析;陳林等[3]對升船機臥倒門油缸支鉸進行了優(yōu)化研究。

由于升船機臥倒門啟閉油缸水下復雜工況啟閉頻繁，使得油缸、聯(lián)門軸及臥倒門聯(lián)結異常緊密，聯(lián)門軸拆卸使用傳統(tǒng)的大錘敲擊方式耗時長且容易對油缸及臥倒門門體造成損壞，這已成為升船機臥倒門啟閉油缸更換中的最大難題。本文以此工程難題為背景，設計了能滿足使用需求的升船機臥倒門油缸聯(lián)門軸拆卸工裝。

1聯(lián)門軸拆卸工裝結構設計

1.1升船機臥倒門油缸整體更換布置方案

1.聯(lián)門軸拆軸工裝? 2.檢修平臺

升船機臥倒門液壓油缸整體更換工裝布置如圖1所示，由聯(lián)門軸拆軸工裝和檢修平臺兩部分組成。聯(lián)門軸拆軸工裝配合螺旋或液壓千斤頂為動作執(zhí)行單元，實現(xiàn)聯(lián)門軸拆除的高效、無損傷施工。檢修平臺為聯(lián)門軸拆軸工裝和施工人員提供高度匹配、空間合理、安全穩(wěn)固的檢修場所，實現(xiàn)人員和設備高空作業(yè)的安全、快速。

當臥倒門液壓油缸發(fā)生故障，需要檢修更換時，排干門庫，將檢修平臺2布置在U型工作大門中層夾板上，聯(lián)門軸拆軸工裝1布置在檢修平臺2上，出軸孔緊貼臥倒門門體耳板，另一側布置千斤頂。

聯(lián)門軸拆軸工裝采用鋼結構焊接型式，配合螺旋或液壓千斤頂將聯(lián)門軸拆除;檢修平臺采用8組可拼裝的模塊組成，通過螺栓緊固，便于工裝的運輸和現(xiàn)場組裝。

1.2聯(lián)門軸拆軸工裝設計方案

聯(lián)門軸拆軸工裝由工裝支座、連接螺桿、固定螺母、千斤頂支撐托架、調整螺栓組成，如圖2所示。

聯(lián)門軸拆軸工裝設計為獨立的工作系統(tǒng)，安裝無需焊接或加設緊固件，工裝內(nèi)側開檔可以布置在臥倒門門體耳板處，左側貼緊臥倒門門體耳板，右側設置有千斤頂支撐托架，用于放置螺旋或液壓千斤頂，工裝內(nèi)側下端設置有連接螺桿，有效防止工裝變形，在施工過程中千斤頂沿軸向出力，緩慢將聯(lián)門軸頂出，對油缸、門體及附件等無損傷。

1.3聯(lián)門軸拆軸工裝技術參數(shù)的確定

通過查閱升船機臥倒門液壓油缸的安裝圖紙，結合以往的檢修經(jīng)驗，對臥倒門液壓油缸支鉸座外側寬度、聯(lián)門軸直徑、安裝位置進行核實，確定了聯(lián)門軸拆軸工裝的設計邊界條件。其中：①承載能力不小于16t;②出軸孔直徑>聯(lián)門軸直徑190mm;③工裝內(nèi)側開檔>支鉸座裝置外側寬度340mm。

聯(lián)門軸拆軸工裝設計結果：①承載能力T=16t;② 出軸孔直徑D=200mm;③工裝內(nèi)側開檔B=510mm。

2 臥倒門聯(lián)門軸拆卸工裝有限元分析

參照李萬全[4]的 《ANSYS 14.5機械與結構分析實例詳解》進行有限元分析。對于聯(lián)門軸拆軸工裝三維模型，可直接將三維實體模型導入到ANSYS軟件中，可得如圖3所示ANSYS計算模型：

采用solid185單元進行六面體網(wǎng)格劃分，根據(jù)聯(lián)門軸拆軸工裝設計要求，工裝支座、連接螺桿選用材料為Q235-A，參照《機械工程材料手冊：金屬材料》[5]，其抗拉強度σb=375MPa，屈服點σs=235MPa。

對于Q235-A鋼材，安全系數(shù)n=1.2，許用應力需滿足，許用剪切應力，Q235-A材料特性如表1所示：

在ANSYS軟件中對工裝進行網(wǎng)格劃分，得到整體有限元模型如圖4所示，其中，單元數(shù)為266450個，節(jié)點數(shù)為82801個。

2.1工裝邊界條件

實際工作過程中，將千斤頂施加最大16t的力。故可設置如下邊界條件：1）在工裝與千斤頂接觸面施加16t垂直向右的力;2）拆軸工裝左側出軸孔貼合面施加全約束。圖5給出了工裝工作時施加的邊界條件：

2.2 工裝結果分析

圖6給出了工裝的整體等效應力云圖，圖7給出了整體綜合位移云圖。由圖可知，整體等效應力的最大值為207.73MPa，出現(xiàn)在工裝連接螺桿和各筋板處;整體綜合位移最大值為1.16mm。

2.3 工裝有限元分析結論

工裝整體等效應力的最大值為207.73MPa，未超出Q235-A材料的屈服強度，工裝整體綜合位移1.16mm，變形量較小，對結構影響不大。因此通過有限元分析結果可以判斷，工裝在加載16t的情況下，結構應力應變均滿足設計要求。

3 研究成果測試

3.1廠內(nèi)測試

為深入研究升船機臥倒門液壓油缸整體更換技術，檢驗項目研究成果，項目組試制了一套16t的測試工裝包括聯(lián)門軸拆軸工裝、檢修平臺等，并開展了廠內(nèi)模擬安裝測試。

廠內(nèi)模擬安裝測試結果表明，檢修平臺組裝方便，無干涉現(xiàn)象，聯(lián)門軸拆軸工裝能夠匹配檢修平臺布置。

3.2 現(xiàn)場測試

為進一步驗證工裝的使用效果，在2021年2月4日，利用升船機上閘首南側臥倒門液壓油缸整體更換施工時機，現(xiàn)場測試試驗工裝。首先排干上閘首門庫，將檢修平臺布置在工作門中層夾板上，聯(lián)門軸拆軸工裝布置在檢修平臺上，帶出軸孔側緊貼臥倒門門體耳板，另一側放置螺旋千斤頂。通過手動加力桿，驅動螺旋千斤頂活塞桿伸出，將聯(lián)門軸頂出。

3.3聯(lián)門軸拆軸工裝測試

測試情況：由于聯(lián)門軸拆軸工裝需要匹配現(xiàn)場實際檢修高度，在測試過程中利用薄墊板對工裝高度進行了調整;鑒于16t螺旋千斤頂行程的限制，利用枕木進行了行程補償，工裝的使用讓聯(lián)門軸順利頂出。

小結：聯(lián)門軸拆軸工裝能夠適應現(xiàn)場的安裝條件，安裝便捷、高效，在16t螺旋千斤頂?shù)募虞d情況下，聯(lián)門軸緩慢頂出，工裝無明顯變形，需提高聯(lián)門軸拆軸工裝承載能力。

4 結論

通過對升船機臥倒門聯(lián)門軸拆裝工裝設計研究、強度校核及實際應用，可以得到如下結論：

（1）綜合考慮臥倒門檢修場地尺寸、耳板及千斤頂實際尺寸設計了滿足實際需要的聯(lián)門軸拆裝工裝。

（2）采用材料力學理論計算工裝強度，利用有限元軟件ANSYS對工裝強度進行仿真分析，其結果均滿足強度條件。

（3）實際應用了所設計校核的聯(lián)門軸拆卸工裝，提高了聯(lián)門軸拆卸效率并保障了安全，滿足了升船機檢修實際需求。

參考文獻：

[1] 楊林江， 路衛(wèi)兵. 三峽升船機概述[J]. 水電與新能源， 2017， 000（001）：7-14.

[2] 楊林江， 謝澤， Hleeow. 圖解三峽升船機的運行原理[J]. 中國三峽， 2017， 236（01）：56-59.

[3] 陳林， 王洋. 三峽升船機臥倒門油缸支鉸優(yōu)化[J]. 水運工程， 2020， No.566（02）：112-115+132.

[4] 李萬全. ANSYS 14.5機械與結構分析實例詳解[M]. 機械工業(yè)出版社， 2014.

[5] 曾正明. 機械工程材料手冊：金屬材料[M]. 機械工業(yè)出版社， 2010.