升船機臥倒門聯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。將設計制作的聯門軸拆卸工裝用于升船機臥倒門油缸聯門軸拆卸施工，工裝的應用提高了聯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、聯門軸及臥倒門聯結異常緊密，聯門軸拆卸使用傳統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門軸拆卸工裝。

1聯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，由聯門軸拆軸工裝和檢修平臺兩部分組成。聯門軸拆軸工裝配合螺旋或液壓千斤頂為動作執行單元，實現聯門軸拆除的高效、無損傷施工。檢修平臺為聯門軸拆軸工裝和施工人員提供高度匹配、空間合理、安全穩固的檢修場所，實現人員和設備高空作業的安全、快速。

當臥倒門液壓油缸發生故障，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場組裝。

1.2聯門軸拆軸工裝設計方案

聯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。

聯門軸拆軸工裝設計為獨立的工作系統，安裝無需焊接或加設緊固件，工裝內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，緩慢將聯門軸頂出，對油缸、門體及附件等無損傷。

1.3聯門軸拆軸工裝技術參數的確定

通過查閱升船機臥倒門液壓油缸的安裝圖紙，結合以往的檢修經驗，對臥倒門液壓油缸支鉸座外側寬度、聯門軸直徑、安裝位置進行核實，確定了聯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>聯門軸直徑190mm;③工裝內側開檔>支鉸座裝置外側寬度340mm。

聯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工裝內側開檔B=510mm。

2 臥倒門聯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單元進行六面體網格劃分，根據聯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格劃分，得到整體有限元模型如圖4所示，其中，單元數為266450個，節點數為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的測試工裝包括聯門軸拆軸工裝、檢修平臺等，并開展了廠內模擬安裝測試。

廠內模擬安裝測試結果表明，檢修平臺組裝方便，無干涉現象，聯門軸拆軸工裝能夠匹配檢修平臺布置。

3.2 現場測試

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，將聯門軸頂出。

3.3聯門軸拆軸工裝測試

測試情況：由于聯門軸拆軸工裝需要匹配現場實際檢修高度，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，工裝的使用讓聯門軸順利頂出。

小結：聯門軸拆軸工裝能夠適應現場的安裝條件，安裝便捷、高效，在16t螺旋千斤頂的加載情況下，聯門軸緩慢頂出，工裝無明顯變形，需提高聯門軸拆軸工裝承載能力。

4 結論

通過對升船機臥倒門聯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門軸拆卸工裝，提高了聯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]. 機械工業出版社， 2010.