船閘人字門聯(lián)門軸拆除工裝設(shè)計及分析

杜超，馬武杰，張祖東

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002）

大型高水頭船閘人字門的開關(guān)門動作，由液壓油缸通過聯(lián)門軸帶動人字門來實現(xiàn)。

液壓油缸作為人字門開關(guān)門的動力元件，其密封件容易出現(xiàn)老化，時常需要進行更換。油缸密封件更換、試壓需要將油缸整體拆卸返廠維護，而在油缸拆卸過程中，最為困難的就是聯(lián)門軸的拆除工作。本文設(shè)計的人字門聯(lián)門軸拆除工裝可以為聯(lián)門軸的拆除提供較大的便利[1]。

1 人字門聯(lián)門軸拆除工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過對人字門聯(lián)門軸現(xiàn)場尺寸的測量，結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況，最終設(shè)計了如圖1 所示人字門聯(lián)門軸拆除工裝現(xiàn)場使用三維裝配示意圖。

圖1 人字門聯(lián)門軸拆除工裝三維裝配示意圖

人字門聯(lián)門軸拆除工裝由圖1 中頂架和抱箍兩個部分組成，其工作原理如下所示：兩個16t 千斤頂放置于人字門上耳板上，千斤頂頂升力作用于頂架兩端，頂架與抱箍通過4 個M20 的高強度螺栓連接，抱箍將向上的力傳遞到聯(lián)門軸，使其克服與人字門上下耳板及油缸軸承之間的摩擦力。

頂架和抱箍的二維圖紙如圖2-圖3 所示：

圖2 頂架二維平面圖

圖3 抱箍二維平面圖

2 人字門聯(lián)門軸拆除工裝有限元強度分析

2.1 模型建立及前處理

根據(jù)人字門聯(lián)門軸拆除工裝設(shè)計要求，頂架及抱箍均選用材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，由機械設(shè)計手冊GB/T 700-2006 查得其抗拉強度σb=380MPa，屈服點σs=235MPa。

對于碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，安全系數(shù)取1.2，可得到材料的許用應(yīng)力。

對于人字門聯(lián)門軸拆除工裝，可將三維實體模型在UG 軟件中處理后，將其導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS 中[2]。得到如圖4 所示的ANSYS 計算模型：

圖4 人字門聯(lián)門軸拆除工裝ANSYS 計算模型

采用solid187 單元進行四面體網(wǎng)格劃分，工裝材料選用Q235 號鋼材，Q235 號鋼材料特性參照GB/T 700-2006 如表1 所示：

表1 Q235 鋼的力學(xué)性能

在ANSYS 軟件中將工裝各部分glue，隨后再對工裝進行網(wǎng)格劃分，得到整體有限元模型如圖5 所示，其中，單元數(shù)為470492 個，節(jié)點數(shù)為685132 個。

圖5 人字門聯(lián)門軸拆除工裝整體網(wǎng)格劃分

2.2 工裝有限元分析邊界條件

實際工作過程中，兩個16t 千斤頂從頂架兩側(cè)施力，聯(lián)門軸與上下耳板及油缸接觸提供摩擦力，當(dāng)千斤頂無法克服摩擦力將聯(lián)門軸頂出時，此時工裝受力最大。故可等效施加如下邊界條件：①對頂架、抱箍及聯(lián)門軸所有體進行g(shù)lue；②在頂架兩側(cè)與千斤頂接觸面節(jié)點上各施加16t 豎直向上的力；③在聯(lián)門軸底部面節(jié)點施加全約束。圖6 給出了工裝工作時施加的邊界條件：

圖6 人字門聯(lián)門軸拆除工裝工作時邊界條件

2.3 人字門聯(lián)門軸拆除工裝有限元結(jié)果分析

圖7 給出了人字門聯(lián)門軸拆除工裝的整體等效應(yīng)力云圖，圖8 給出了工裝整體綜合位移云圖。由圖可知，工裝整體等效應(yīng)力的最大值為349MPa，出現(xiàn)在頂架上，表現(xiàn)為應(yīng)力集中（即個別節(jié)點受載嚴(yán)重，此現(xiàn)象是由于用節(jié)點單元去模擬實體，載荷集中在個別節(jié)點上而產(chǎn)生，實體是連續(xù)的，力是均勻過渡的，不會集中在個別點上，故可忽略），其他地方的最大應(yīng)力在頂架圓弧過渡區(qū)域，其值在170MPa 左右（圖中綠黃色部分，呈區(qū)域分布，可表示實體受力情況）；工裝整體綜合位移最大值為0.425mm，出現(xiàn)在頂架側(cè)面邊緣處。

圖8 工裝整體綜合位移云圖

圖9 給出了頂架等效應(yīng)力云圖，圖10 給出了頂架綜合位移云圖。由圖可知，頂架等效應(yīng)力的最大值為349MPa，出現(xiàn)在頂架上水平板與豎直板接觸處，表現(xiàn)為應(yīng)力集中，其他地方的最大應(yīng)力在頂架圓弧過渡區(qū)域，其值在170MPa 左右；頂架位移最大值為0.425mm，出現(xiàn)在頂架側(cè)面邊緣處。

圖9 頂架等效應(yīng)力分布圖

圖10 頂架綜合位移云圖

以上分析可知，人字門聯(lián)門軸拆除工裝最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂架圓弧過渡區(qū)域，其值在170MPa 左右，小于所選材料Q235 的許用應(yīng)力195.83MPa。人字門聯(lián)門軸拆除工裝最大位移出現(xiàn)在頂架側(cè)面邊緣處，其值為0.425mm，頂架高度為430mm，變形度為0.1%，為彈性變形。

3 結(jié)論

通過對船閘人字門聯(lián)門軸拆除工裝設(shè)計研究及強度校核，可以得到如下結(jié)論：

（1）綜合考慮人字門聯(lián)門軸拆除檢修場地尺寸、聯(lián)門軸尺寸及千斤頂實際尺寸設(shè)計了滿足實際需要的人字門聯(lián)門軸拆除工裝。

（2）采用有限元軟件ANSYS 對工裝強度進行仿真分析，其結(jié)果顯示，工裝的強度滿足使用條件，工裝產(chǎn)生的變形為彈性變形。