大型液壓啟閉機油缸搖擺架計算分析

程志良 楊斌 劉禮華 付明偉

摘要：為了對大型液壓啟閉機油缸搖擺架進行計算分析，考慮搖擺架空間效應、油缸鉸軸與搖擺架軸孔壁曲面分布傳載、搖擺架鉸軸與固定支座圓孔曲面滑動接觸，分別研究了這3個因素對搖擺架應力與變形的影響。計算結果表明，這3個因素對搖擺架的應力和變形有一定影響，現行《水電水利工程啟閉機設計規范》中的簡化計算存在不足。結合固體力學基礎理論定量給出了油缸鉸軸孔的壓力分布規律及油缸搖擺架整體計算方法，結合工程實際給出了具體算例，為后續設計提供借鑒和參考。

關鍵詞：液壓啟閉機；搖擺架；計算；應力；撓度

中圖分類號：TU311.1

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.025

由于弧形閘門在啟閉過程中吊點會隨高度不同而前后變化，因此搖擺架常用于油缸的傳力支撐系統。20世紀80年代后，我國在水利水電工程中陸續采用了許多大型油缸搖擺架，這些油缸搖擺架承載較大（1500～7500kN），如小灣水電站底孔工作弧門啟閉機油缸搖擺架的額定承載高達7500kN，因此許多搖擺架產生了較為嚴重的下垂變形，對閘門的運行定位產生了不利影響。油缸搖擺架是閘門操作環節中的重要構件，其安全可靠性直接關系到水庫的防洪度汛和電站的發電生產。目前，我國還沒有專門針對油缸搖擺架設計計算的規程規范，而與其相關聯的現行《水電水利工程啟閉機設計規范》和《水利水電工程鋼閘門設計規范》也沒有針對油缸搖擺架設計計算的相關規定，實際工程應用時，主要根據平面假設進行簡化計算，這樣做主要存在以下三方面的問題：①沒有考慮其空間效應：②油缸與搖擺架、搖擺架與固定支座都是軸孔曲面接觸，它們之間的力傳遞不是集中力：③搖擺架兩端的支撐并不是簡支，搖擺架鉸軸與固定支座圓孔曲面滑動接觸，固定支座對搖擺架的鉸軸是彈性約束。為此，本文根據固體力學基礎理論，從實用的角度對油缸搖擺架的應力和變形進行了計算研究。

1 油缸搖擺架的接觸變形

在目前普遍使用的油缸搖擺架中，搖擺架鉸軸與固定支座圓孔的連接存在一定的間隙δ（為0～2mm），且鉸軸與圓孔連接部位有一定的支撐長度6（100～300mm）。由于鉸軸與圓孔連接存在間隙，因此搖擺架在小變形的情況下可以近似看成兩端簡支，其撓度可以根據桿件撓曲線的近似微分方程求出：式中：E為材料彈性模量；L、y、M分別為截面慣性矩、撓度和彎矩。

搖擺架承載量較大時會產生較大變形，鉸軸外端上翹與支座圓孔頂部接觸，鉸軸受到支座網孔彈性約束。這時，一方面支座受鉸軸影響自身產生側向變形，另一方面支座變形反過來影響搖擺架的整體變形，搖擺架兩端的支撐不再是簡支，而呈現出復雜的非線性接觸關系，桿件撓曲線微分方程無法考慮兩端支座對搖擺架變形的影響。

2 油缸與搖擺架的荷載傳遞

搖擺架是液壓啟閉機油缸的支撐系統，考慮油缸鉸軸與搖擺架軸孔壁為曲面接觸，根據固體力學理論，在鉸軸作用下軸孔受力見圖1，軸孔在靠支鉸底板半網部分分布有按pcosθ變化的法向壓力，θ為分布點與豎向的極角（以軸孔中心為極點），p為壓力的最大值，最大壓力方向為支鉸荷載方向。設軸孔半徑為r、寬度為6、弧長為s，軸孔受力的合力P（搖擺架額定荷載的一半）為

3 搖擺架非線性計算

油缸搖擺架是采用厚板構成的一個箱型截面空間框架，主要荷載是油缸鉸軸通過與搖擺架上兩個軸孔壁曲面接觸而傳遞過來的軸孔壓力，軸孔壓力法向非均勻分布，搖擺架兩端通過軸鉸與固定支座連接，油缸搖擺架受力是一個典型的空間受力問題。采用三維有限元法對其進行計算，在單元選擇方面，考慮到鋼材受容許應力限制，材料屬于小應變狀態，采用雙線性變形實體單元。搖擺架工作過程中材料力學性能是線性的，其非線性特征主要表現為支撐的接觸非線性，考慮搖擺架受荷變形過程中鉸軸外表面與固定支座軸孔內表面的可能接觸范圍，將可能成為接觸面的鉸軸外表面創建為主面，對應的軸孔內表面創建為從面，并成對地創建接觸相互作用，調用接觸屬性（接觸面摩擦系數本構關系）。根據實際情況，完全約束固定支座基礎面X、Y，和Z方向的位移。綜上，建立油缸搖擺架的整體有限元模型（如圖2所示）。

4 工程實例

4.1 工程概況

大渡河某水電站泄洪洞弧形工作閘門采用單吊點搖擺式液壓啟閉機搖擺架，搖擺架額定荷載為2×1550kN，搖擺架支撐跨度為1720mm，其中搖擺架框架長1400mm，框架高600mm，支撐鉸軸外伸長度為260mm，鉸軸與軸孔連接長度為200mm，軸孔半徑為150mm。搖擺架結構材料為Q345鋼，材料容許應力[σ]=220MPa，彈性模量為E=2.06×l05MPa，泊松比μ=0.3，密度p=7850kg/m3，搖擺架容許撓度[f]=//800=2.15mm，鉸軸與軸孔壁曲面接觸的摩擦系數為0.15。

4.2 搖擺架非線性計算結果

工程上搖擺架鉸軸與固定支座網孔壁的間隙量δ一般不好確定，這里將間隙量δ=0mm的計算結果作為非線性計算的基本結果。由于搖擺架在結構上是對稱的，且荷載與支撐條件也是對稱的，因此搖擺架的變形、位移和內力具有對稱性，計算結果如圖3、圖4所示。

搖擺架的整體應力不大，大部分材料的應力為30～100MPa，只有構件拐角、連接部位應力較大，但都在140～210MPa范圍內。從圖4可以看出，搖擺架基礎支座與支承軸部位的變形較大，搖擺架主體結構本身變形并不大，它主要產生整體下移的剛體位移，最大位移產生在跨中搖擺架油缸鉸軸孔中心線下。

啟閉機搖擺架壓蓋、機架和支承軸的最大位移和最大應力見表1。

4.3 固定支座影響

固定支座的剛性程度對搖擺架的變形有較大影響，假設鉸軸與支座孔壁間隙量6=0mm，將固定支座分為彈性支座（彈性模量E=2.06xl05MPa）和剛性支座（抗彎模量充分大）兩種情況，對搖擺架最大應力、撓度進行計算，計算結果見表2。

4.4 鉸軸與孔壁間隙影響

搖擺架鉸軸與固定支座圓孔壁之間間隙量σ與設備加工、安裝、使用環境等因素有關，分別計算不同間隙量6下搖擺架的應力與變形（見表3），σ=0mm時的結果進行比較。

4.5 搖擺架非線性計算小結

（1）通過三維有限元計算可知：搖擺架的整體應力不大，為30～100MPa，但構件拐角、連接部位應力較大，為120～180MPa，結構空間作用效應明顯。

（2）如果固定支座的剛度充分大，則其對搖擺架的變形有較大約束作用。剛性支座條件下搖擺架跨中最大撓度為1.130mm，比彈性支座條件下小0.232mm。

（3）鉸軸與孔壁間隙量實際上會影響到固定支座對搖擺架的約束程度，從而影響到搖擺架的應力與變形，當固定支座對鉸軸為簡支支撐時，搖擺架受力變形最不利。

（4）通過三維有限元變形與應力計算，搖擺架跨中最大撓度為1.470mm，小于搖擺架容許撓度：搖擺架的最大應力為215.8MPa，小于鋼材料容許應力，結構不僅滿足剛度要求，而且滿足強度要求。

5 結語

（1）工程實例分析表明：由于搖擺架框架截面較大，因此其整體應力并不大，但構件拐角、連接部位的應力較大，搖擺架承載受力的空間效應明顯。

（2）固定支座的剛性程度對搖擺架的變形有較大影響，在不考慮鉸軸與支座孔壁間隙的情況下，剛性支座下搖擺架最大撓度比彈性支座下的小，最大撓度可減小17%左右。

（3）搖擺架鉸軸與固定支座圓孔壁之間的間隙量對搖擺架撓度有明顯影響，把搖擺架兩端的支撐近似看成簡支關系過于簡單，這時搖擺架對應的最大撓度比無間隙彈性支座大8%左有。

（4）搖擺架平面假設計算方法過于簡單，與實際情況不符，存在明顯缺陷。建議對現行《水電水利工程啟閉機設計規范》進行修改：增加關于油缸搖擺架設計計算的有關條款，搖擺架設計應當按空間結構進行計算，并充分考慮固定支座剛度及鉸軸與孔壁之間連接對應力、變形的影響。