李西

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng)，618000）

0 引言

某大型低壓2級(jí)次隔板采用子母形式的裝配結(jié)構(gòu)，其中低級(jí)次隔板通過(guò)懸掛銷(xiāo)安裝于高級(jí)次隔板，進(jìn)而2級(jí)隔板整體安裝至汽缸中，見(jiàn)圖1。為提高加工效率和降低制造成本，2級(jí)次隔板均單獨(dú)制造后再進(jìn)行裝配。在制造過(guò)程中，為保證隔板中分面間隙與總裝及現(xiàn)場(chǎng)安裝一致，上述隔板的中分面間隙檢查與修配均采用工藝懸掛銷(xiāo)支撐的工位即將隔板垂直懸空放置（僅用懸掛銷(xiāo)支撐）并保證中分面水平對(duì)齊。由于高級(jí)次隔板的懸掛銷(xiāo)位置為2級(jí)隔板把合后的重心位置，非把合狀態(tài)時(shí)該級(jí)隔板的重心位置與掛銷(xiāo)位置差異較大，因此，在單獨(dú)對(duì)該高級(jí)次隔板進(jìn)行中分面間隙檢測(cè)時(shí)，懸掛銷(xiāo)承受較大扭矩，出現(xiàn)隔板偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致隔板中分面間隙超差。同時(shí)，隔板穩(wěn)定性較差，也使得操作過(guò)程存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 某大型低壓隔板裝配圖

本文擬從有限元分析的角度，對(duì)該級(jí)次隔板在中分面間隙檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析、論證，并提出相應(yīng)的解決方法。

1 模型創(chuàng)建

隔板上下半為對(duì)稱結(jié)構(gòu)且整副隔板立放時(shí)的狀態(tài)主要由下半隔板決定，由前文可知隔板產(chǎn)生位移主要是由于掛銷(xiāo)承受較大扭矩所致，因此，本文將掛銷(xiāo)與下半隔板的裝配體作為研究對(duì)象。

采用PRO/E軟件建立隔板的三維幾何模型，見(jiàn)圖2。通過(guò)三維建模軟件分析得出，半副隔板重87 710 N，隔板重心與懸掛槽中心的軸向距離約為295 mm，顯然當(dāng)隔板處于支撐工位時(shí)單個(gè)懸掛銷(xiāo)承受扭矩為M＝25 874 N·m。

圖2 隔板組件三維模型

將上述模型導(dǎo)入ANSYS軟件，使系統(tǒng)與模型坐標(biāo)系一致，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分及約束設(shè)置。在劃分網(wǎng)格時(shí)，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能，對(duì)隔板模型分別進(jìn)行整體和局部網(wǎng)格劃分。其中，對(duì)隔板和掛銷(xiāo)分別采用四面體法和六面體法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，見(jiàn)圖3。另外，考慮到較薄的導(dǎo)葉出汽邊會(huì)影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量，因此對(duì)導(dǎo)葉出汽邊按R3進(jìn)行了鈍化處理。由于該級(jí)隔板掛銷(xiāo)槽和掛銷(xiāo)接觸面的表面粗糙度均為Ra3.2，因此，在進(jìn)行接觸設(shè)置時(shí)將其接觸面設(shè)置為光滑無(wú)摩擦接觸，并采用擴(kuò)展拉格朗日接觸算法。通過(guò)設(shè)置，最終得到網(wǎng)格單元1 008 995個(gè)和網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)1 725 088個(gè)。建立模型約束時(shí)，采用Fixed Support對(duì)掛銷(xiāo)底面建立固定約束，其約束與實(shí)際生產(chǎn)保持一致。

圖3 隔板、掛銷(xiāo)裝配體網(wǎng)格圖

2 對(duì)支撐工位隔板的靜態(tài)特性分析

隔板處于支撐工位時(shí)，下半隔板除承受自身重力加速度載荷外，還承受上半副隔板的壓力。因此，將上半隔板重力等效為外載荷均布于下半隔板中分面法向方向上，見(jiàn)圖4。經(jīng)有限元分析得到隔板裝配體處于支撐工位時(shí)的應(yīng)力分布云圖，見(jiàn)圖5。從應(yīng)力分布云圖可以看出：隔板懸掛銷(xiāo)底面局部的應(yīng)力最大，達(dá)到2 247.3 MPa。

圖4 隔板中分面等效載荷

圖5 隔板裝配體應(yīng)力分布云圖

另外，經(jīng)有限元分析得到隔板裝配體處于支撐工位時(shí)的各向位移分布云圖，見(jiàn)圖6。從位移分布云圖可以看出：Y向變形趨勢(shì)為隔板位移從進(jìn)汽側(cè)往出汽側(cè)逐步增大，其中隔板出汽側(cè)端面的位移最大且為＋10.34 mm，進(jìn)汽側(cè)端面的位移最小且為－0.630 mm，另外，隔板中分面進(jìn)出汽側(cè)的高低差為10.970 mm；Z向的變形趨勢(shì)為隔板位移從水平中分面往底部逐漸增大，其中隔板底部位移最大且為－34.200 mm，中分面位移最小且為＋1.890 mm。

圖6 隔板體各向位移分布云圖

顯然，在單獨(dú)對(duì)該高級(jí)次隔板進(jìn)行中分面間隙檢測(cè)時(shí)，懸掛銷(xiāo)承受較大扭矩，出現(xiàn)隔板偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致隔板中分面間隙超差。同時(shí)，隔板穩(wěn)定性較差、局部應(yīng)力過(guò)大，也使得操作過(guò)程存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 解決方案

為有效減小隔板組件承受的扭矩、應(yīng)力和變形，在隔板中分面左右法蘭下端面距離掛銷(xiāo)支點(diǎn)355.53 mm處分別增加一個(gè)輔助支撐銷(xiāo)，使隔板重心位于懸掛銷(xiāo)支點(diǎn)和輔助支點(diǎn)之間，三維模型見(jiàn)圖7。按前述方法進(jìn)行有限元分析并得到隔板裝配組件立放時(shí)的應(yīng)力分布云圖，見(jiàn)圖8。從應(yīng)力分布云圖可以看出：懸掛銷(xiāo)緊固螺栓下端面處的應(yīng)力最大，達(dá)到158.37 MPa。

圖7 帶輔助支撐銷(xiāo)的三維模型圖

圖8 優(yōu)化后的應(yīng)力分布云圖

另外，經(jīng)有限元分析得到優(yōu)化后的隔板裝配組件處于支撐工位時(shí)的各向位移分布云圖，見(jiàn)圖9。從位移分布云圖可以看出：Y向變形趨勢(shì)為隔板位移從進(jìn)汽側(cè)往出汽側(cè)逐步增大，其中隔板出汽側(cè)端面的位移最大且為＋0.120 mm，進(jìn)汽側(cè)端面的位移最小且為－0.030 mm，另外，隔板中分面進(jìn)出汽側(cè)的高低差為0.070 mm；Z向的變形趨勢(shì)為隔板位移從水平中分面往底部逐漸增大，其中隔板底部位移最大且為－0.240 mm，中分面位移最小且為＋0.008 mm。

圖9 優(yōu)化后隔板的各向分布云圖

從上述分析可看出，優(yōu)化后的懸掛銷(xiāo)與輔助支撐銷(xiāo)承受的扭矩相互抵消，大大減小了隔板組件的應(yīng)力和各向位移。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從三維建模和有限元分析的角度對(duì)某大型低壓隔板中分面間隙控制序的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，得到了該隔板處于支撐工位時(shí)的靜態(tài)特性。另外，本文還制定了合理的解決方案并通過(guò)有限元分析得到了該級(jí)隔板優(yōu)化后的靜態(tài)特性，結(jié)果表明優(yōu)化方案能夠滿足制造要求。