船闸人字门联门轴拆除工装设计及分析

杜超，马武杰，张祖东

（长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002）

大型高水头船闸人字门的开关门动作，由液压油缸通过联门轴带动人字门来实现。

液压油缸作为人字门开关门的动力元件，其密封件容易出现老化，时常需要进行更换。油缸密封件更换、试压需要将油缸整体拆卸返厂维护，而在油缸拆卸过程中，最为困难的就是联门轴的拆除工作。本文设计的人字门联门轴拆除工装可以为联门轴的拆除提供较大的便利[1]。

1 人字门联门轴拆除工装结构设计

通过对人字门联门轴现场尺寸的测量，结合现场实际施工情况，最终设计了如图1 所示人字门联门轴拆除工装现场使用三维装配示意图。

图1 人字门联门轴拆除工装三维装配示意图

人字门联门轴拆除工装由图1 中顶架和抱箍两个部分组成，其工作原理如下所示：两个16t 千斤顶放置于人字门上耳板上，千斤顶顶升力作用于顶架两端，顶架与抱箍通过4 个M20 的高强度螺栓连接，抱箍将向上的力传递到联门轴，使其克服与人字门上下耳板及油缸轴承之间的摩擦力。

顶架和抱箍的二维图纸如图2-图3 所示：

图2 顶架二维平面图

图3 抱箍二维平面图

2 人字门联门轴拆除工装有限元强度分析

2.1 模型建立及前处理

根据人字门联门轴拆除工装设计要求，顶架及抱箍均选用材料为碳素结构钢Q235，由机械设计手册GB/T 700-2006 查得其抗拉强度σb=380MPa，屈服点σs=235MPa。

对于碳素结构钢Q235，安全系数取1.2，可得到材料的许用应力。

对于人字门联门轴拆除工装，可将三维实体模型在UG 软件中处理后，将其导入有限元分析软件ANSYS 中[2]。得到如图4 所示的ANSYS 计算模型：

图4 人字门联门轴拆除工装ANSYS 计算模型

采用solid187 单元进行四面体网格划分，工装材料选用Q235 号钢材，Q235 号钢材料特性参照GB/T 700-2006 如表1 所示：

表1 Q235 钢的力学性能

在ANSYS 软件中将工装各部分glue，随后再对工装进行网格划分，得到整体有限元模型如图5 所示，其中，单元数为470492 个，节点数为685132 个。

图5 人字门联门轴拆除工装整体网格划分

2.2 工装有限元分析边界条件

实际工作过程中，两个16t 千斤顶从顶架两侧施力，联门轴与上下耳板及油缸接触提供摩擦力，当千斤顶无法克服摩擦力将联门轴顶出时，此时工装受力最大。故可等效施加如下边界条件：①对顶架、抱箍及联门轴所有体进行glue；②在顶架两侧与千斤顶接触面节点上各施加16t 竖直向上的力；③在联门轴底部面节点施加全约束。图6 给出了工装工作时施加的边界条件：

图6 人字门联门轴拆除工装工作时边界条件

2.3 人字门联门轴拆除工装有限元结果分析

图7 给出了人字门联门轴拆除工装的整体等效应力云图，图8 给出了工装整体综合位移云图。由图可知，工装整体等效应力的最大值为349MPa，出现在顶架上，表现为应力集中（即个别节点受载严重，此现象是由于用节点单元去模拟实体，载荷集中在个别节点上而产生，实体是连续的，力是均匀过渡的，不会集中在个别点上，故可忽略），其他地方的最大应力在顶架圆弧过渡区域，其值在170MPa 左右（图中绿黄色部分，呈区域分布，可表示实体受力情况）；工装整体综合位移最大值为0.425mm，出现在顶架侧面边缘处。

图8 工装整体综合位移云图

图9 给出了顶架等效应力云图，图10 给出了顶架综合位移云图。由图可知，顶架等效应力的最大值为349MPa，出现在顶架上水平板与竖直板接触处，表现为应力集中，其他地方的最大应力在顶架圆弧过渡区域，其值在170MPa 左右；顶架位移最大值为0.425mm，出现在顶架侧面边缘处。

图9 顶架等效应力分布图

图10 顶架综合位移云图

以上分析可知，人字门联门轴拆除工装最大应力出现在顶架圆弧过渡区域，其值在170MPa 左右，小于所选材料Q235 的许用应力195.83MPa。人字门联门轴拆除工装最大位移出现在顶架侧面边缘处，其值为0.425mm，顶架高度为430mm，变形度为0.1%，为弹性变形。

3 结论

通过对船闸人字门联门轴拆除工装设计研究及强度校核，可以得到如下结论：

（1）综合考虑人字门联门轴拆除检修场地尺寸、联门轴尺寸及千斤顶实际尺寸设计了满足实际需要的人字门联门轴拆除工装。

（2）采用有限元软件ANSYS 对工装强度进行仿真分析，其结果显示，工装的强度满足使用条件，工装产生的变形为弹性变形。