周祥態(tài) ，紀(jì)慧泉，龔九洲 ，湯占峰

(1.揚(yáng)州電力設(shè)備修造廠(chǎng)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225003；2.江蘇旅游職業(yè)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；3.中國(guó)能建工程研究院過(guò)程驅(qū)動(dòng)控制研究所，江蘇 揚(yáng)州 225003)

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)按最終動(dòng)力輸出方式可分為轉(zhuǎn)矩輸出和直線(xiàn)推力輸出。推力輸出裝置是連接推力型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一級(jí)裝置與閥門(mén)的紐帶，它將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)方向的推力，用于啟閉閘閥和截止閥等閥門(mén)。推力型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般處在高負(fù)荷、動(dòng)作頻繁、惡劣工況環(huán)境下工作。

市場(chǎng)上推力型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)目前主要存在推力部件外殼被拉斷、銅螺母牙嵌擠潰、閥桿失穩(wěn)以及閥桿卡死等問(wèn)題。上述情況導(dǎo)致閥門(mén)工作異常，嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)流程，甚至導(dǎo)致安全事故，因此提升推力輸出部件關(guān)鍵件的可靠性顯得意義重大。采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)過(guò)程中難以預(yù)知其整體性能和可靠性，要做到高效、可靠的設(shè)計(jì)，需要在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上引入現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)方法理念——有限元分析方法。本文將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念和有限元法結(jié)合起來(lái)，著重對(duì)推力輸出部件殼體進(jìn)行強(qiáng)度和受力分析，根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)，從而提高整個(gè)部件的可靠性。

1 載荷工況分析

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一級(jí)裝置產(chǎn)生的扭矩傳遞到輸出軸，輸出軸與推力輸出部件(扭矩轉(zhuǎn)推力裝置)聯(lián)軸器之間通過(guò)牙嵌嚙合，將扭矩傳遞到聯(lián)軸器。聯(lián)軸器內(nèi)孔與閥桿通過(guò)梯形螺紋副傳動(dòng)，聯(lián)軸器輸出的扭矩通過(guò)梯形螺紋副轉(zhuǎn)換成開(kāi)啟、關(guān)閉閥門(mén)的推力。根據(jù)力與反作用力之間的關(guān)系，此時(shí)閥門(mén)閥桿對(duì)推力輸出部件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反方向的作用力，兩者大小相等，該反作用力最終全部傳遞到推力輸出部件殼體。針對(duì)調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)而言，由于一級(jí)裝置可以停止于客戶(hù)設(shè)定在全開(kāi)、全關(guān)之間的的任意位置，此時(shí)推力輸出部件除滿(mǎn)足上述功能外，還可以起到調(diào)節(jié)閥門(mén)流量的作用。

2 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度分析

2.1 結(jié)構(gòu)介紹

推力輸出部件結(jié)構(gòu)一般分為以下幾個(gè)部分組成：①上法蘭：它主要連接推力輸出部件與一級(jí)裝置；②推力部件殼體：它是整個(gè)部件的載體，承受著部件全部載荷；③聯(lián)軸器及推力軸承：聯(lián)軸器是整個(gè)閥門(mén)的動(dòng)力轉(zhuǎn)換載體，將扭矩轉(zhuǎn)換成推力，推力軸承主要作用是減小聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與其他零件之間的摩擦，減少零部件之間的磨損；④下法蘭：主要用來(lái)連接閥門(mén)與推力部件。本文設(shè)計(jì)的推力輸出部件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

推力輸出部件作為扭矩——推力轉(zhuǎn)換裝置——直接關(guān)系著整個(gè)閥門(mén)管道系統(tǒng)整體運(yùn)行的正常與否，而殼體作為推力部件的載體，承載著全部的拉力，直接關(guān)系到整個(gè)推力部件的可靠性。殼體設(shè)計(jì)安全系數(shù)過(guò)大會(huì)造成成本的浪費(fèi)、體積的增大；安全系數(shù)過(guò)小，則有可能造成殼體變形過(guò)大，甚至損壞，因此殼體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。考慮批量生產(chǎn)工藝性，殼體材料選用HT200，初步設(shè)計(jì)的殼體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖1 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力輸出推力部件結(jié)構(gòu)圖

圖2 外殼三維圖

2.3 強(qiáng)度有限元分析

電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)整機(jī)設(shè)計(jì)最大輸出推力25.85 kN，外殼在軸向方向承受推力，考慮到閥桿的導(dǎo)程角及摩擦系數(shù)，閥桿對(duì)外殼還有一個(gè)轉(zhuǎn)矩載荷，經(jīng)過(guò)計(jì)算，約為轉(zhuǎn)矩的1/10，即5 N·m，經(jīng)過(guò)分析，簡(jiǎn)化得到圖3。

根據(jù)實(shí)際工作情況，在有限元軟件里對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，設(shè)定邊界、載荷約束條件，具體的殼體有限元載荷模型見(jiàn)圖4。外殼邊界條件設(shè)定：RP－1、RP－2兩點(diǎn)為邊界約束參考點(diǎn)，分別將上下法蘭的四個(gè)螺釘孔(統(tǒng)一簡(jiǎn)化為光孔)與該點(diǎn)耦合(耦合約束能夠保證二者的自由度完全一致)。將RP－2設(shè)置為全約束(三個(gè)直線(xiàn)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度全為零)，對(duì)RP－1點(diǎn)施加拉力及轉(zhuǎn)矩載荷，轉(zhuǎn)矩設(shè)定為5 N·m，拉力載荷按25 kN，30 kN，35 kN，40 kN四檔進(jìn)行施加，分析外殼處在此四種載荷下的受力情況。

圖3 外殼載荷工況簡(jiǎn)圖

圖4 殼體有限元載荷模型簡(jiǎn)圖

殼體在承受四檔拉力時(shí)最大應(yīng)力部位均處在殼體上法蘭與中間回轉(zhuǎn)圓柱的過(guò)渡處。承受前兩檔載荷時(shí)，外殼最大應(yīng)力均處于安全范圍。當(dāng)殼體處在35 kN載荷時(shí)，薄弱部位的應(yīng)力接近HT200的抗拉極限，40 kN時(shí)外殼薄弱處應(yīng)力超過(guò)其抗拉極限。截取35 kN、40 kN載荷時(shí)的受力情況云圖分別見(jiàn)圖5、圖6。

圖5 殼體在35 kN拉力下的應(yīng)力云圖

圖6 殼體在40 kN拉力下的應(yīng)力云圖

從云圖上看，當(dāng)載荷為35 kN時(shí)，處在殼體上法蘭與中間回轉(zhuǎn)圓柱的過(guò)渡處最大應(yīng)力大約為180 MPa。HT200抗拉強(qiáng)度為200 MPa，接近斷裂極限，考慮到鑄造時(shí)的尺寸偏差及材料的致密度等因素，外殼處在該載荷下工作有出現(xiàn)斷裂失效的可能性。當(dāng)載荷為40 kN時(shí)，處在殼體上法蘭與中間回轉(zhuǎn)圓柱的過(guò)渡處最大應(yīng)力大約為215.9 MPa，超出HT200的抗拉極限，殼體此處會(huì)出現(xiàn)斷裂破壞。

2.4 殼體樣品抗拉實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖紙參數(shù)，設(shè)計(jì)砂芯模并澆鑄殼體樣品，取樣品5個(gè)在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行樣品的抗拉實(shí)驗(yàn)，當(dāng)拉力達(dá)到30～36 kN時(shí)，5個(gè)樣品均被拉斷，且拉斷的部位高度一致，均出現(xiàn)在上法蘭與回轉(zhuǎn)圓柱過(guò)渡處。

實(shí)際設(shè)計(jì)最大承載拉力F=25.85 kN，安全系數(shù)

考慮到實(shí)際工作時(shí)載荷波動(dòng)，批量生產(chǎn)時(shí)的各種鑄造因素，如鑄缺、實(shí)體偏離等因素，該設(shè)計(jì)系數(shù)過(guò)小，因此需對(duì)殼體進(jìn)行優(yōu)化。

3 殼體優(yōu)化及有限元分析

3.1 殼體優(yōu)化方案

根據(jù)有限元分析結(jié)果及實(shí)際拉伸斷裂情況，將外殼中間回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)壁厚由原來(lái)的6 mm增大至7 mm，中間回轉(zhuǎn)圓柱與上法蘭過(guò)渡處采取均勻光滑過(guò)渡，增大過(guò)渡圓角。材料力學(xué)相關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)表明，零件尺寸突然改變處的橫截面上，應(yīng)力并不是均勻分布的，尺寸改變?cè)絼×?，角越尖、孔越小，?yīng)力集中的程度就越嚴(yán)。根據(jù)該理論，本文中采用光滑過(guò)渡，增大過(guò)渡圓角能有效避免應(yīng)力集中，減小受拉時(shí)該處產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致殼體出現(xiàn)裂紋或斷裂的可能性。同時(shí)將過(guò)渡處壁厚增大，增強(qiáng)其抗拉抗壓強(qiáng)度。其他相關(guān)部位同時(shí)做出相應(yīng)優(yōu)化改動(dòng)，優(yōu)化前后具體結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化后對(duì)應(yīng)處結(jié)構(gòu) 薄弱處結(jié)構(gòu)

3.2 殼體優(yōu)化后模型有限元分析

將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入有限元分析軟件，根據(jù)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)，推力輸出部件實(shí)際載荷工況，建立符合實(shí)際工況的邊界載荷條件后進(jìn)行有限元分析，不斷增大載荷，當(dāng)載荷F=48 kN時(shí)，得到受力云圖見(jiàn)圖9。

圖9 優(yōu)化后的殼體有限元分析分析結(jié)果

云圖中最大應(yīng)力值為216.2 MPa,處于螺釘孔位置，考慮到模型及載荷的簡(jiǎn)化，此處應(yīng)力值的超差并不需要過(guò)多關(guān)心。影響整個(gè)殼體強(qiáng)度的區(qū)域仍然處在上法蘭與中間回轉(zhuǎn)圓柱殼體的過(guò)渡處，此區(qū)域的最大應(yīng)力在云圖上處于橙色區(qū)域，約為178 MPa。接近HT200的抗拉極限。按此值計(jì)算得安全系數(shù)

該安全系數(shù)較大，因此優(yōu)化后的殼體滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)思想方法和理論，對(duì)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推力部件外殼的設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。通過(guò)兩者的相互比對(duì)，得出外殼薄弱的部位高度一致，都處在殼體上法蘭與中間回轉(zhuǎn)圓柱的過(guò)渡處，為外殼的優(yōu)化指明了方向。通過(guò)有限元平臺(tái)，不斷對(duì)外殼進(jìn)行可視化模擬，優(yōu)化改進(jìn)零部件結(jié)構(gòu)，提高了殼體的強(qiáng)度和安全系數(shù)，確保了整個(gè)產(chǎn)品的可靠性。

通過(guò)先進(jìn)的有限元設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合傳統(tǒng)的理論知識(shí)，可快速準(zhǔn)確的模擬分析出產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能存在的薄弱處，并有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，該方法相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，具有快速、靈活多變、低成本等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代化工業(yè)快速更新?lián)Q代的節(jié)奏。

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[2]周祥態(tài).并聯(lián)式龍門(mén)銑床C形機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模態(tài)分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2013，42(1).

[3]李實(shí).階梯軸的有限元分析及其優(yōu)化專(zhuān)用軟件的開(kāi)發(fā)[D].湖南大學(xué)，2008.

[4]劉鴻文.材料力學(xué)Ⅰ[M].北京：高等教育出版社，2003.