直行程電動閥門執行器支架優化設計與測試

王 敏，萬長東，蘇振馳

（蘇州市職業大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215104）

1 引言

工業過程控制系統用直行程電動閥門執行器廣泛用于工程中的排水、通風、抽采、灑水等管道中，啟閉、調節各類閥門[1]。直行程閥門執行器支架起到連接執行器與閥門的作用[2]。長期合作公司閥門執行器支架的第一代產品，如圖1 所示。

在輸出大扭矩時，支架側柱撕裂破壞，這是側柱與支架下端面焊接工藝造成，改進支架，如圖2 所示。采用45 號鋼鑄造得到，二代支架強度、剛度均滿足設計要求，缺點是笨重，安裝不便，成本高。為解決此問題，對二代支架進行有限元分析，根據分析結果再次為合作公司設計第三代執行器支架，并與第二代支架進行比較，最終生產樣件并測試[3]。

圖1 一代直行程執行器支架Fig.1 First Generation Support of the Direct Travel Actuator

圖2 二代直行程執行器支架Fig.2 Second Generation Support of the Direct Travel Actuator

2 二代直行程支架有限元分析

2.1 有限元前處理

2.1.1 建立模型

根據公司提供的二維圖紙，對二代直行程支架及配套部件進行幾何建模。利用CATIA 的曲面模塊和實體模塊完成各個部件的模型創建，又在裝配模塊中進行支架的裝配。二代直行程支架，如圖3 所示。質量11.757kg，如圖4 所示。簡化清理后，得到最終幾何模型，如圖5 所示。

圖3 二代直行程電動執行器支架模型Fig.3 Model of the Second Generation Support

圖4 二代直行程電動執行器支架重量Fig.4 Weight of the Second Generation Support

圖5 二代直行程電動執行器支架幾何模型Fig.5 Geometric Model of the Second Generation Support

2.1.2 材料選擇

驅動套為鋁青銅，其余部件均為45 鋼，材料屬性，如表1 所示。

表1 材料屬性Tab.1 Material Properties

2.1.3 網格劃分

采用四面體實體單元進行網格劃分，二代直行程支架系統單元數為1035762，如圖6 所示。對網格質量進行檢查，縱橫比合適。

2.1.4 靜力學邊界條件設置

為配合法蘭的四個螺栓孔在蝸桿的中心處建一個遠程點，施加4315N 軸向力，此值由減速器輸出理論計算得到；在驅動桿上施加50N·m 轉矩；支架下端面施加固定約束；閥門推桿施加43000N 經驗值推力[4-5]，如圖7 所示。

圖6 網格劃分Fig.6 Mesh

圖7 邊界條件加載示意圖Fig.7 Boundary Condition Loading

2.2 有限元分析結果

2.2.1 最大應力

根據仿真結果，二代直行程支架在如上約束條件下最大應力為95.765MPa，在支架限位塊上端，如圖8 所示。遠遠小于材料抗拉強度。

圖8 二代直行程電動執行器支架應力分布Fig.8 Stress Distribution of the Second Generation Support

2.2.2 疲勞安全系數

疲勞安全系數，如圖9 所示。最小安全系數為0.9，在支架上部，這是此部位應力集中引起的；壽命，如圖10 所示。最小壽命為5.45e5，同樣在最小安全系數處。

圖9 二代直行程電動執行器支架安全系數分布Fig.9 Safety Factor Distribution of the Second Generation Support

圖10 二代直行程電動執行器支架壽命分布Fig.10 Life Distribution of the Second Generation Support

2.3 問題分析

根據仿真結果，主要有以下兩個方面的問題：（1）支架應力分布基本均勻，在上部略有應力集中現象，這將降低結構的安全系數，縮短結構的疲勞壽命[6]；（2）大部分承載部位應力值遠遠小于材料強度，設計過盈，造成成本增加、重量增加，重量增加的同時還帶來安裝不便的缺陷。

3 支架優化設計及有限元分析

3.1 支架優化設計

在二代直行程電動執行器支架的有限元分析基礎上，針對已出現的問題重新進行設計。在嚴格遵循直行程支架設計要求的前提下，采用倒角、對稱方法避免應力集中[7]；通過減薄側柱厚度，以及去除擋塊上部分材料，從而去除過盈設計部分，實現輕量化[8]。使用CATIA 軟件對支架重新建模，設計出三代直行程電動執行器支架，如圖11 所示。新直行程支架的質量為8.1kg，較原支架減少了3.651kg，如圖12 所示。

圖11 三代直行程電動執行器支架Fig.11 Third Generation Support of the Direct Travel Actuator

圖12 三代直行程電動執行器支架質量Fig.12 Weight of the Third Generation Support

3.2 三代直行程支架有限元分析

優化后的三代直行程支架設置相同的仿真條件進行有限元分析。應力分布，如圖13 所示。最大應力45.075MPa，在支架限位塊上端凹槽上部，較原結構應力集中現象輕；安全系數，如圖14所示。最小安全系數為1.9124，在支架上部，遠大于原支架的最低安全系數0.9，安全性更高；壽命，如圖15 所示。最小壽命為1e6次，也較原結構略提高。

圖13 三代直行程電動執行器支架應力分布Fig.13 Stress Distribution of the Third Generation Support

圖14 三代直行程電動執行器支架安全系數Fig.14 Safety Factor Distribution of the Third Generation Support

圖15 三代直行程電動執行器支架疲勞壽命分布Fig.15 Life Distribution of the Third Generation Support

3.3 改進效果

三代直行程電動執行器支架在滿足設計結構強度的前提下，質量大大減輕，達31%，極大程度地節約了材料成本，改善了支架安裝的便捷性；同時三代直行程支架較二代直行程支架應力分布更加均勻，應力集中現象輕。

4 樣品生產及測試

生產第三代直行程電動執行器支架，如圖16 所示。在推力實驗臺上進行推力實驗[9]，結果顯示圖示C 位置支架限位塊彎曲變形量約5mm，支架底面圓心D 位置處凸起約0.8mm，由于在推力實驗下拉伸，如圖所示另三個部位尺寸均有變小，上方為設計尺寸，下方括號內為試驗后尺寸，所有變形均在安全范圍內，目測無破壞。進一步通過探傷儀檢測應力集中部位，圖像顯示應力集中部位A無裂紋，A 處探傷圖像中的裂紋是鋼材夾渣；應力集中部位B 出現橫向疲勞源，但是無破壞，實驗證明優化后支架滿足強度要求[10]。三代直行程電動執行器支架已應用于成品，如圖17 所示。

圖16 三代直行程電動執行器支架樣品Fig.16 Sample of the Third Generation Support

圖17 直線型電動閥門執行器Fig.17 Direct Travel Electric Valve Actuator

5 結論

（1）針對某公司直行程電動閥門執行器支架重量大、不便于安裝、成本高的問題，優化設計第三代直行程電動閥門執行器支架，通過有限元分析對優化前后支架的質量、應力分布、疲勞壽命及安全系數進行對比，結果顯示，著重考慮輕量化的優化設計并未降低支架的安全系數及疲勞壽命，反而均有所改善，重量減輕31%。（2）生產樣品進行推力實驗，結果表明零件有允許值范圍內的變形但未損傷，進一步對應力集中、安全系數低的部位進行探傷測試，圖像顯示并未損傷，優化設計可行，極大地節約了成本并提高了安裝便捷性。