基于CreoSimulate的液壓啟閉機油缸新型鎖緊機構研究

徐光月 馬秀坤 何亞峰

摘要：設計了一種液壓啟閉機油缸新型鎖緊機構，基于Creo Simulate軟件，對其應力分布情況進行了有限元分析。有限元計算方法可模擬液壓啟閉機工作的實際情況，為優化設計提供了理論依據，使整個設備更加安全可靠。該鎖緊機構使液壓啟閉機保持位置不變，液壓系統本身無需工作，因此降低了整個系統的能耗。

關鍵詞：鎖緊裝置;液壓啟閉機;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，水力發電在我國能源可持續發展戰略中具有重要地位[1]。近年來，液壓啟閉機在水利工程中得到了越來越廣泛的應用，其安全可靠性也在不斷得到提高。在一些應用中，如尾水事故閘門液壓啟閉機，需要設計有機械鎖緊裝置，當閘門下滑到一定位置時，鎖緊機構快速動作，使液壓啟閉機保持在一定位置，此時可以關閉液壓站，在保證整個電站安全可靠的同時，降低了整個系統的能耗。因此保證鎖緊機構的機械強度，優化鎖緊機構設計，是水利工程上值得研究的課題，具有重要的現實意義。

目前液壓啟閉機鎖緊方式主要有液壓鎖緊、機械鎖緊，而機械鎖緊更加安全可靠。傳統鎖緊機構的設計如圖1所示，鎖緊機構驅動缸的活塞桿直接承受鎖緊力，會對鎖緊驅動缸的壽命產生很大影響。而所采用的計算方法都是基于經典力學公式，具有一定局限性。基于此，本文提出了一種新型鎖緊機構，并基于Creo Simulate軟件[2]，采用有限元方法，對鎖緊機構進行了應力分析，獲得鎖緊機構關鍵零件的應力分布情況，為鎖緊機構的設計提供了可靠的理論依據。

1 鎖緊機構原理介紹

在傳統鎖緊機構中，當活塞桿下滑超過設定值時，鎖緊油缸縮回，鎖緊油缸桿頭固定有一個直徑稍大的圓柱形鎖緊塊移動至油缸中心，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。這種傳統鎖緊機構的缺點在于，鎖緊油缸活塞桿與鎖緊塊剛性連接，桿端將受到一個側向力，從而影響驅動油缸的使用壽命。

本文提出的一種新型鎖緊機構如圖2所示，主缸活塞桿尾部設計一段臺階桿及一塊鎖緊油缸驅動的鎖緊板，鎖緊油缸活塞桿與鎖緊塊之間和T型槽連接，鎖緊板上有兩個直徑不同的孔。當鎖緊油缸完全伸出時，臺階桿可以穿過鎖緊板上的大孔，主油缸可以正常移動，此時為非鎖緊狀態。當鎖緊油缸完全縮回時，鎖緊板上的小孔移至與主油缸軸線同軸，由于臺階桿上部直徑較大，不能穿過鎖緊板上的小孔，起到了鎖緊主油缸的作用。

2 強度計算

鎖緊機構的安全性關系到整個設備的正常運行，因此在設計時必須對關鍵零件進行強度校核。下面將對解析法和數值法分別進行介紹。鎖緊機構受力簡圖如圖3所示。

2.1 ? ?解析法

在設計時接觸應力和剪應力都需要滿足一定的安全系數要求。

2.2 ? ?數值法（有限元）

經典力學公式僅進行剪切強度及接觸應力的計算，沒有考慮到應力分布的不均勻性及局部的應力集中，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，對一鎖緊機構進行了應力分析，從而獲得鎖緊機構關鍵零件的應力分布情況。

油缸在鎖緊時，當鎖緊機構受到1 000 kN拉力時，鎖緊桿及鎖緊塊的應力分布情況如圖4、圖5所示，從圖中可以看出，當鎖緊機構受到拉力時，鎖緊桿和鎖緊塊在應力較高處，可能出現應力超過材料許用應力的情況，因此使用有限元計算零件強度顯得尤為重要。

3 應用案例

我司參與了敦化抽水蓄能電站尾水事故閘門液壓啟閉機油缸的設計制造。吉林敦化抽水蓄能電站2013年7月9日正式開工建設，裝機容量1 400 MW，2020年7月31日首臺機組發電。油缸規格為？準580/？準260-5800，頂部設有液壓操作的機械鎖緊裝置，如圖6所示，當閘門非正常下滑至約200 mm，機械鎖緊裝置做出鎖緊動作，且能鎖住60 t重量的閘門。

3.1 ? ?模型簡化

此鎖緊機構沿鎖緊方向對稱，可以用一半模型進行分析，并刪除不需要的孔、倒角等，主要關注點為鎖緊桿與鎖緊塊結合處。

3.2 ? ?材料選擇及設置

鎖緊桿和鎖緊板選用高強度合金鋼34CrNi3Mo，抗拉強度σb≥900 MPa，屈服強度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

先在對稱面上設置對稱約束，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置為接觸。由于使用一半模型進行分析，所以接鎖緊桿端施加30 t載荷（即300 kN），邊界條件及載荷設置如圖7所示。

3.4 ? ?有限元計算結果分析

鎖緊板應力分布云圖如圖8所示，從圖中可以看出，鎖緊板在工作時，除區域非常小的尖點處存在應力較大現象外（根據經驗此區域可以忽略），其余區域最大應力為733 MPa，低于材料屈服強度，且大部分貫穿區域應力為180～280 MPa，因此鎖緊板的強度符合設計要求。

鎖緊桿應力分布云圖如圖9所示，從圖中可以看出，鎖緊桿在工作時，鎖緊桿與鎖緊塊尖點接觸處雖應力較大，但此區域非常小，根據經驗此區域可以忽略。從鎖緊桿截面應力云圖來看，除上述區域，其余區域的最大應力為762 MPa，低于材料屈服強度，且大部分貫穿區域應力為100～310 MPa，因此鎖緊桿的強度符合設計要求。

目前此項目中的液壓啟閉機油缸已安裝調試完成，工作狀態正常。

4 結語

本文提出了一種液壓啟閉機油缸新型鎖緊機構，對比了傳統鎖緊機構和新型鎖緊機構的優缺點，并分析了采用解析法和有限元法對關鍵零件進行強度校核的特點，基于Creo Simulate軟件對實際案例進行了分析，保證了鎖緊機構設計的可靠性。該有限元計算方法具有通用性，可以為此類結構設計提供可靠的理論依據。

[參考文獻]

[1] 康信茂.我國水力發電的現狀及發展趨勢[J].輕工科技，2016（3）：64-65.

[2] 張洪濤.Pro/Engineer野火版4.0/5.0機械結構分析實戰[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3] 成大先.機械設計手冊（單行本）[M].北京：化學工業出版社，2004.

收稿日期：2020-05-08

作者簡介：徐光月（1982—），男，江蘇灌云人，碩士，工程師，研究方向：機械工程設計。

馬秀坤（1978—），女，江蘇睢寧人，工程師，研究方向：機械工程設計。

何亞峰（1975—），男，陜西寶雞人，副教授，研究方向：機械設計與特種加工。