王 敏，萬(wàn)長(zhǎng)東，蘇振馳

（蘇州市職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104）

1 引言

工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)用直行程電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器廣泛用于工程中的排水、通風(fēng)、抽采、灑水等管道中，啟閉、調(diào)節(jié)各類(lèi)閥門(mén)[1]。直行程閥門(mén)執(zhí)行器支架起到連接執(zhí)行器與閥門(mén)的作用[2]。長(zhǎng)期合作公司閥門(mén)執(zhí)行器支架的第一代產(chǎn)品，如圖1 所示。

在輸出大扭矩時(shí)，支架側(cè)柱撕裂破壞，這是側(cè)柱與支架下端面焊接工藝造成，改進(jìn)支架，如圖2 所示。采用45 號(hào)鋼鑄造得到，二代支架強(qiáng)度、剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，缺點(diǎn)是笨重，安裝不便，成本高。為解決此問(wèn)題，對(duì)二代支架進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析結(jié)果再次為合作公司設(shè)計(jì)第三代執(zhí)行器支架，并與第二代支架進(jìn)行比較，最終生產(chǎn)樣件并測(cè)試[3]。

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

圖2 二代直行程執(zhí)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(jù)公司提供的二維圖紙，對(duì)二代直行程支架及配套部件進(jìn)行幾何建模。利用CATIA 的曲面模塊和實(shí)體模塊完成各個(gè)部件的模型創(chuàng)建，又在裝配模塊中進(jìn)行支架的裝配。二代直行程支架，如圖3 所示。質(zhì)量11.757kg，如圖4 所示。簡(jiǎn)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(dòng)執(zhí)行器支架模型Fig.3 Model of the Second Generation Support

圖4 二代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架重量Fig.4 Weight of the Second Generation Support

圖5 二代直行程電動(dòng)執(zhí)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(qū)動(dòng)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(wǎng)格劃分

采用四面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，二代直行程支架系統(tǒng)單元數(shù)為1035762，如圖6 所示。對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，縱橫比合適。

2.1.4 靜力學(xué)邊界條件設(shè)置

為配合法蘭的四個(gè)螺栓孔在蝸桿的中心處建一個(gè)遠(yuǎn)程點(diǎn)，施加4315N 軸向力，此值由減速器輸出理論計(jì)算得到；在驅(qū)動(dòng)桿上施加50N·m 轉(zhuǎn)矩；支架下端面施加固定約束；閥門(mén)推桿施加43000N 經(jīng)驗(yàn)值推力[4-5]，如圖7 所示。

圖6 網(wǎng)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(jié)果

2.2.1 最大應(yīng)力

根據(jù)仿真結(jié)果，二代直行程支架在如上約束條件下最大應(yīng)力為95.765MPa，在支架限位塊上端，如圖8 所示。遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料抗拉強(qiáng)度。

圖8 二代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架應(yīng)力分布Fig.8 Stress Distribution of the Second Generation Support

2.2.2 疲勞安全系數(shù)

疲勞安全系數(shù)，如圖9 所示。最小安全系數(shù)為0.9，在支架上部，這是此部位應(yīng)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(shù)處。

圖9 二代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架安全系數(shù)分布Fig.9 Safety Factor Distribution of the Second Generation Support

圖10 二代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架壽命分布Fig.10 Life Distribution of the Second Generation Support

2.3 問(wèn)題分析

根據(jù)仿真結(jié)果，主要有以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：（1）支架應(yīng)力分布基本均勻，在上部略有應(yīng)力集中現(xiàn)象，這將降低結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，縮短結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[6]；（2）大部分承載部位應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度，設(shè)計(jì)過(guò)盈，造成成本增加、重量增加，重量增加的同時(shí)還帶來(lái)安裝不便的缺陷。

3 支架優(yōu)化設(shè)計(jì)及有限元分析

3.1 支架優(yōu)化設(shè)計(jì)

在二代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架的有限元分析基礎(chǔ)上，針對(duì)已出現(xiàn)的問(wèn)題重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。在嚴(yán)格遵循直行程支架設(shè)計(jì)要求的前提下，采用倒角、對(duì)稱(chēng)方法避免應(yīng)力集中[7]；通過(guò)減薄側(cè)柱厚度，以及去除擋塊上部分材料，從而去除過(guò)盈設(shè)計(jì)部分，實(shí)現(xiàn)輕量化[8]。使用CATIA 軟件對(duì)支架重新建模，設(shè)計(jì)出三代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架，如圖11 所示。新直行程支架的質(zhì)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(dòng)執(zhí)行器支架Fig.11 Third Generation Support of the Direct Travel Actuator

圖12 三代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架質(zhì)量Fig.12 Weight of the Third Generation Support

3.2 三代直行程支架有限元分析

優(yōu)化后的三代直行程支架設(shè)置相同的仿真條件進(jìn)行有限元分析。應(yīng)力分布，如圖13 所示。最大應(yīng)力45.075MPa，在支架限位塊上端凹槽上部，較原結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象輕；安全系數(shù)，如圖14所示。最小安全系數(shù)為1.9124，在支架上部，遠(yuǎn)大于原支架的最低安全系數(shù)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(jié)構(gòu)略提高。

圖13 三代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架應(yīng)力分布Fig.13 Stress Distribution of the Third Generation Support

圖14 三代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架安全系數(shù)Fig.14 Safety Factor Distribution of the Third Generation Support

圖15 三代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架疲勞壽命分布Fig.15 Life Distribution of the Third Generation Support

3.3 改進(jìn)效果

三代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架在滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，質(zhì)量大大減輕，達(dá)31%，極大程度地節(jié)約了材料成本，改善了支架安裝的便捷性；同時(shí)三代直行程支架較二代直行程支架應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象輕。

4 樣品生產(chǎn)及測(cè)試

生產(chǎn)第三代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架，如圖16 所示。在推力實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行推力實(shí)驗(yàn)[9]，結(jié)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(shí)驗(yàn)下拉伸，如圖所示另三個(gè)部位尺寸均有變小，上方為設(shè)計(jì)尺寸，下方括號(hào)內(nèi)為試驗(yàn)后尺寸，所有變形均在安全范圍內(nèi)，目測(cè)無(wú)破壞。進(jìn)一步通過(guò)探傷儀檢測(cè)應(yīng)力集中部位，圖像顯示應(yīng)力集中部位A無(wú)裂紋，A 處探傷圖像中的裂紋是鋼材夾渣；應(yīng)力集中部位B 出現(xiàn)橫向疲勞源，但是無(wú)破壞，實(shí)驗(yàn)證明優(yōu)化后支架滿足強(qiáng)度要求[10]。三代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架已應(yīng)用于成品，如圖17 所示。

圖16 三代直行程電動(dòng)執(zhí)行器支架樣品Fig.16 Sample of the Third Generation Support

圖17 直線型電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器Fig.17 Direct Travel Electric Valve Actuator

5 結(jié)論

（1）針對(duì)某公司直行程電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器支架重量大、不便于安裝、成本高的問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)第三代直行程電動(dòng)閥門(mén)執(zhí)行器支架，通過(guò)有限元分析對(duì)優(yōu)化前后支架的質(zhì)量、應(yīng)力分布、疲勞壽命及安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示，著重考慮輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)并未降低支架的安全系數(shù)及疲勞壽命，反而均有所改善，重量減輕31%。（2）生產(chǎn)樣品進(jìn)行推力實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明零件有允許值范圍內(nèi)的變形但未損傷，進(jìn)一步對(duì)應(yīng)力集中、安全系數(shù)低的部位進(jìn)行探傷測(cè)試，圖像顯示并未損傷，優(yōu)化設(shè)計(jì)可行，極大地節(jié)約了成本并提高了安裝便捷性。