机械液压联锁同步升降装置解析计算及有限元分析

时间：2024-08-31

汤伟毕,李然,陶然,刘应

(长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002)

在船闸检修时人字门顶落门施工是其中重要环节，由于人字门门体自质量较大，目前国外进行顶落门施工一般布置4套液压千斤顶同步工作，与之相对应需4套保顶。保顶为机械螺旋千斤顶，其作用是防止液压千斤顶突然失效时及时刚性支撑该顶升点，防止门体失稳。而保顶基本上都布置在门体正下方，操作空间受限，且操作人员必须使用专用工具旋转螺杆，才能保证保顶与液压千斤顶实现同步升降，该顶落门工艺广泛运用于船闸检修中[1-3]。机械液压联锁同步升降装置具有液压千斤顶与机械螺旋千斤顶双重功能特点，可以减少4套专用工装和机械螺旋千斤顶，取消保顶布设施工工序和操作人员，随每套液压千斤一次顶布设到位，可进一步提高安全性能，提升同步升降系统的操作便捷性和安全系数。在装置的设计过程中只运用理论计算很难满足设计需求，因此运用理论计算及有限元分析相结合的方法对装置中关键结构进行研究分析[4-7]。

1 机械液压联锁同步升降装置

机械液压联锁同步升降装置由液压千斤顶与机械螺旋千斤顶组成(图1)。装置中液压千斤顶为单作用液压千斤顶结构，通过液压泵站控制实现上升动作，并通过活塞杆自重和所受负载实现下落动作；装置中机械螺旋千斤顶为安全自锁保护结构，包括电机、减速器、小齿轮、安全齿形螺母，通过驱动电机带动减速器工作，使小齿轮转动并与安全齿形螺母啮合传动，实现千斤顶机械锁紧和解锁。

螺纹活塞杆为螺杆结构，其上升和下降过程中，通过传动系统驱动安装在千斤顶活塞杆梯形螺纹上的安全齿形螺母作旋转运动，保持安全齿形螺母下端面与缸体上端面间距0.5 mm不变。传动系统正常工作时主要克服螺纹活塞杆与安全齿形螺母梯形螺纹副之间的摩擦阻力矩。

图1 装置结构及剖面

2 装置强度校核

根据三峡船闸人字门顶门需求，机械液压联锁同步升降装置的设计载质量为400 t,通过对装置的关键结构进行解析计算和有限元分析完成强度校核。

2.1 解析计算

根据机械液压联锁同步升降装置设计要求，装置在进行负载顶升作业中液压系统失效工况时，安全自锁保护结构中螺纹活塞杆和安全齿形螺母须能承受全部负载，本节对其进行强度校核[8]，选用材料为30CrMnSiA高强度调质结构钢，材料性能参数见表1。

表1 30CrMnSiA材材料性能参数

2.1.1螺纹活塞杆校核

螺纹活塞杆强度计算：以承载能力4 000 kN计算，由于螺纹活塞杆危险截面为螺杆d处，根据第四强度理论，其危险截面抗压强度条件为：

(1)

式中：σca为螺杆危险截面应力；[σ]为材料的许用正应力；F为负载；螺杆小径d；求得σca=99.5 MPa，远小于材料许用应力σca(=1 080 MPa)，满足强度要求。

螺纹活塞杆螺纹牙强度计算: 通过将螺纹活塞杆一圈螺纹沿螺杆的小径展开，则可等效为展开后的悬臂梁受力情况，假设每圈螺纹所受压力均衡且压力作用在螺纹中径的圆周线上，则螺纹牙危险断面的强度校核为：

(2)

式中：τ为剪切应力；[τ]为许用剪切应力;σw为弯曲应力；[σw]为许用弯曲应力；b为螺纹根部厚度；l为弯曲力臂；Z为螺纹旋合圈数。经计算τ=89.3 MPa,σw=240.5 MPa，小于[τ]=(561 MPa)和[σw](=330 MPa)，满足强度要求。

2.1.2安全齿形螺母校核

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安全齿形螺母螺牙强度计算: 安全齿形螺母主要计算螺牙强度，该计算方法与螺纹活塞杆螺纹牙强度计算一样，经计算，剪切应力和弯曲应力分别为τ=79.4 MPa和σw=213.7 MPa，小于材料许用剪切应力[τ]和许用弯曲应力[σw]。

安全齿形螺母强度计算：安全保护装置以最大0.5 mm间距同步跟随液压千斤顶机构运行过程中，液压系统突然失压，载荷物以重力下坠冲击装置，安全齿形螺母所受冲击强度校核为：

(3)

式中：A为安全齿形螺母与缸体的接触面积；D1和D2分别为内径和外径；W为冲击载荷；G为螺母和螺纹活塞杆的自重；E为弹性模量；H为螺母与缸体的初始间距；L为螺母厚度。经计算得σ=297.5 MPa，满足强度要求。

2.1.3自锁校核

螺纹活塞杆与安全齿形螺母螺纹副承受负载时须满足自锁条件，螺纹副自锁条件校核为：ψ≤φv。

(4)

式中：ψ为螺纹升角；φv为当量摩擦角；n为线数；p为螺距；d为螺纹中径；f为摩擦系数；β为螺纹牙侧角。通过计算ψ(=1.84°)≤φv(=8.82°)，则该螺纹副自锁性能良好。

2.2 有限元分析

螺纹活塞杆和安全齿形螺母中螺牙强度理论计算为静载工况下的校核，装置承载极限负载下液压系统突然失压，螺纹活塞杆和安全齿形螺母会整体向下运动，直到螺母与缸体端面之间的间距消失，该受力情况为动载工况，基于Ansys有限元仿真软件对关键零件的受力进行分析。

2.2.1有限元模型的建立

图2 有限元网格细分

2.2.2约束条件和载荷的施加

在Ansys中对装置模型施加约束条件和载荷如下：

1)缸体底部端面施加全自由度约束。

2)安全齿形螺母分别与螺纹活塞杆与缸体之间的接触面施加接触约束，其中安全齿形螺母的接触初始速度为98.9 mms，该速度根据两零件之间的间隙h=0.5 mm和重力加速度g=9.8 ms2求得。

3)在螺纹活塞杆顶部端面均匀施加4 000 kN竖直向下的恒力载荷。

4)对螺纹活塞杆和安全齿形螺母施加惯性力。

完成约束和载荷施加后的有限元模型见图3。

图3 装置有限元模型

2.2.3模型分析

通过分析求解得出螺纹活塞杆、安全齿形螺母和缸体的等效应力云图(图4)。

从装置在极限工况下等效应力云图分析可知：装置中螺纹活塞杆所受等效应力在旋合螺纹面和顶部端面附近区域较大，最大值位于螺纹小径处，为753 MPa，其他部位所受的应力很小，范围在168 MPa以内；安全齿形螺母所受最大应力为764 MPa，应力主要集中在安全齿形螺母靠近与缸体接触面附近的螺纹面上，其他部位所受的应力在170 MPa以内；缸体所受最大应力为116 MPa，最大等效应力集中在上端与螺母接触面上且靠近大径侧，其他部位应力分布较均匀，应力范围在26～77 MPa。装置所受的最大等效应力均小于屈服极限(σ=835 MPa)，满足强度要求。

图4 等效应力云图(单位：MPa)