程志良 楊斌 劉禮華 付明偉

摘要：為了對(duì)大型液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸搖擺架進(jìn)行計(jì)算分析，考慮搖擺架空間效應(yīng)、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(dòng)接觸，分別研究了這3個(gè)因素對(duì)搖擺架應(yīng)力與變形的影響。計(jì)算結(jié)果表明，這3個(gè)因素對(duì)搖擺架的應(yīng)力和變形有一定影響，現(xiàn)行《水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的簡(jiǎn)化計(jì)算存在不足。結(jié)合固體力學(xué)基礎(chǔ)理論定量給出了油缸鉸軸孔的壓力分布規(guī)律及油缸搖擺架整體計(jì)算方法，結(jié)合工程實(shí)際給出了具體算例，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：液壓?jiǎn)㈤]機(jī)；搖擺架；計(jì)算；應(yīng)力；撓度

中圖分類號(hào)：TU311.1

文獻(xiàn)標(biāo)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(diǎn)會(huì)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(tǒng)。20世紀(jì)80年代后，我國(guó)在水利水電工程中陸續(xù)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(jī)油缸搖擺架的額定承載高達(dá)7500kN，因此許多搖擺架產(chǎn)生了較為嚴(yán)重的下垂變形，對(duì)閘門的運(yùn)行定位產(chǎn)生了不利影響。油缸搖擺架是閘門操作環(huán)節(jié)中的重要構(gòu)件，其安全可靠性直接關(guān)系到水庫(kù)的防洪度汛和電站的發(fā)電生產(chǎn)。目前，我國(guó)還沒有專門針對(duì)油缸搖擺架設(shè)計(jì)計(jì)算的規(guī)程規(guī)范，而與其相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)行《水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》也沒有針對(duì)油缸搖擺架設(shè)計(jì)計(jì)算的相關(guān)規(guī)定，實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，主要根據(jù)平面假設(shè)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，這樣做主要存在以下三方面的問題：①?zèng)]有考慮其空間效應(yīng)：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(jiǎn)支，搖擺架鉸軸與固定支座圓孔曲面滑動(dòng)接觸，固定支座對(duì)搖擺架的鉸軸是彈性約束。為此，本文根據(jù)固體力學(xué)基礎(chǔ)理論，從實(shí)用的角度對(duì)油缸搖擺架的應(yīng)力和變形進(jìn)行了計(jì)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(zhǎng)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(jiǎn)支，其撓度可以根據(jù)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(shí)會(huì)產(chǎn)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(wǎng)孔彈性約束。這時(shí)，一方面支座受鉸軸影響自身產(chǎn)生側(cè)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(jiǎn)支，而呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性接觸關(guān)系，桿件撓曲線微分方程無法考慮兩端支座對(duì)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?jiǎn)㈤]機(jī)油缸的支撐系統(tǒng)，考慮油缸鉸軸與搖擺架軸孔壁為曲面接觸，根據(jù)固體力學(xué)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(wǎng)部分分布有按pcosθ變化的法向壓力，θ為分布點(diǎn)與豎向的極角（以軸孔中心為極點(diǎn)），p為壓力的最大值，最大壓力方向?yàn)橹сq荷載方向。設(shè)軸孔半徑為r、寬度為6、弧長(zhǎng)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(jì)算

油缸搖擺架是采用厚板構(gòu)成的一個(gè)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(gè)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(gè)典型的空間受力問題。采用三維有限元法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，在單元選擇方面，考慮到鋼材受容許應(yīng)力限制，材料屬于小應(yīng)變狀態(tài)，采用雙線性變形實(shí)體單元。搖擺架工作過程中材料力學(xué)性能是線性的，其非線性特征主要表現(xiàn)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(nèi)表面的可能接觸范圍，將可能成為接觸面的鉸軸外表面創(chuàng)建為主面，對(duì)應(yīng)的軸孔內(nèi)表面創(chuàng)建為從面，并成對(duì)地創(chuàng)建接觸相互作用，調(diào)用接觸屬性（接觸面摩擦系數(shù)本構(gòu)關(guān)系）。根據(jù)實(shí)際情況，完全約束固定支座基礎(chǔ)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(shí)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(diǎn)搖擺式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)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(zhǎng)1400mm，框架高600mm，支撐鉸軸外伸長(zhǎng)度為260mm，鉸軸與軸孔連接長(zhǎng)度為200mm，軸孔半徑為150mm。搖擺架結(jié)構(gòu)材料為Q345鋼，材料容許應(yīng)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(shù)為0.15。

4.2 搖擺架非線性計(jì)算結(jié)果

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

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

啟閉機(jī)搖擺架壓蓋、機(jī)架和支承軸的最大位移和最大應(yīng)力見表1。

4.3 固定支座影響

固定支座的剛性程度對(duì)搖擺架的變形有較大影響，假設(shè)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(duì)搖擺架最大應(yīng)力、撓度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)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(shè)備加工、安裝、使用環(huán)境等因素有關(guān)，分別計(jì)算不同間隙量6下?lián)u擺架的應(yīng)力與變形（見表3），σ=0mm時(shí)的結(jié)果進(jìn)行比較。

4.5 搖擺架非線性計(jì)算小結(jié)

（1）通過三維有限元計(jì)算可知：搖擺架的整體應(yīng)力不大，為30～100MPa，但構(gòu)件拐角、連接部位應(yīng)力較大，為120～180MPa，結(jié)構(gòu)空間作用效應(yīng)明顯。

（2）如果固定支座的剛度充分大，則其對(duì)搖擺架的變形有較大約束作用。剛性支座條件下?lián)u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(shí)際上會(huì)影響到固定支座對(duì)搖擺架的約束程度，從而影響到搖擺架的應(yīng)力與變形，當(dāng)固定支座對(duì)鉸軸為簡(jiǎn)支支撐時(shí)，搖擺架受力變形最不利。

（4）通過三維有限元變形與應(yīng)力計(jì)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(yīng)力為215.8MPa，小于鋼材料容許應(yīng)力，結(jié)構(gòu)不僅滿足剛度要求，而且滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)語(yǔ)

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

（2）固定支座的剛性程度對(duì)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?lián)u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(duì)搖擺架撓度有明顯影響，把搖擺架兩端的支撐近似看成簡(jiǎn)支關(guān)系過于簡(jiǎn)單，這時(shí)搖擺架對(duì)應(yīng)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(shè)計(jì)算方法過于簡(jiǎn)單，與實(shí)際情況不符，存在明顯缺陷。建議對(duì)現(xiàn)行《水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行修改：增加關(guān)于油缸搖擺架設(shè)計(jì)計(jì)算的有關(guān)條款，搖擺架設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)按空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并充分考慮固定支座剛度及鉸軸與孔壁之間連接對(duì)應(yīng)力、變形的影響。