船閘人字門聯門軸拆除工裝設計及分析

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門動作，由液壓油缸通過聯門軸帶動人字門來實現。

液壓油缸作為人字門開關門的動力元件，其密封件容易出現老化，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，最為困難的就是聯門軸的拆除工作。本文設計的人字門聯門軸拆除工裝可以為聯門軸的拆除提供較大的便利[1]。

1 人字門聯門軸拆除工裝結構設計

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

圖1 人字門聯門軸拆除工裝三維裝配示意圖

人字門聯門軸拆除工裝由圖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

根據人字門聯門軸拆除工裝設計要求，頂架及抱箍均選用材料為碳素結構鋼Q235，由機械設計手冊GB/T 700-2006 查得其抗拉強度σb=380MPa，屈服點σs=235MPa。

對于碳素結構鋼Q235，安全系數取1.2，可得到材料的許用應力。

對于人字門聯門軸拆除工裝，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 人字門聯門軸拆除工裝ANSYS 計算模型

采用solid187 單元進行四面體網格劃分，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 鋼的力學性能

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

圖5 人字門聯門軸拆除工裝整體網格劃分

2.2 工裝有限元分析邊界條件

實際工作過程中，兩個16t 千斤頂從頂架兩側施力，聯門軸與上下耳板及油缸接觸提供摩擦力，當千斤頂無法克服摩擦力將聯門軸頂出時，此時工裝受力最大。故可等效施加如下邊界條件：①對頂架、抱箍及聯門軸所有體進行glue；②在頂架兩側與千斤頂接觸面節點上各施加16t 豎直向上的力；③在聯門軸底部面節點施加全約束。圖6 給出了工裝工作時施加的邊界條件：

圖6 人字門聯門軸拆除工裝工作時邊界條件

2.3 人字門聯門軸拆除工裝有限元結果分析

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

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，頂架等效應力的最大值為349MPa，出現在頂架上水平板與豎直板接觸處，表現為應力集中，其他地方的最大應力在頂架圓弧過渡區域，其值在170MPa 左右；頂架位移最大值為0.425mm，出現在頂架側面邊緣處。

圖9 頂架等效應力分布圖

圖10 頂架綜合位移云圖

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

3 結論

通過對船閘人字門聯門軸拆除工裝設計研究及強度校核，可以得到如下結論：

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

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