基于CreoSimulate的液压启闭机油缸新型锁紧机构研究

徐光月 马秀坤 何亚峰

摘要：设计了一种液压启闭机油缸新型锁紧机构，基于Creo Simulate软件，对其应力分布情况进行了有限元分析。有限元计算方法可模拟液压启闭机工作的实际情况，为优化设计提供了理论依据，使整个设备更加安全可靠。该锁紧机构使液压启闭机保持位置不变，液压系统本身无需工作，因此降低了整个系统的能耗。

关键词：锁紧装置;液压启闭机;油缸;有限元

0 引言

我国是目前世界上水电利用最多的国家，水力发电在我国能源可持续发展战略中具有重要地位[1]。近年来，液压启闭机在水利工程中得到了越来越广泛的应用，其安全可靠性也在不断得到提高。在一些应用中，如尾水事故闸门液压启闭机，需要设计有机械锁紧装置，当闸门下滑到一定位置时，锁紧机构快速动作，使液压启闭机保持在一定位置，此时可以关闭液压站，在保证整个电站安全可靠的同时，降低了整个系统的能耗。因此保证锁紧机构的机械强度，优化锁紧机构设计，是水利工程上值得研究的课题，具有重要的现实意义。

目前液压启闭机锁紧方式主要有液压锁紧、机械锁紧，而机械锁紧更加安全可靠。传统锁紧机构的设计如图1所示，锁紧机构驱动缸的活塞杆直接承受锁紧力，会对锁紧驱动缸的寿命产生很大影响。而所采用的计算方法都是基于经典力学公式，具有一定局限性。基于此，本文提出了一种新型锁紧机构，并基于Creo Simulate软件[2]，采用有限元方法，对锁紧机构进行了应力分析，获得锁紧机构关键零件的应力分布情况，为锁紧机构的设计提供了可靠的理论依据。

1 锁紧机构原理介绍

在传统锁紧机构中，当活塞杆下滑超过设定值时，锁紧油缸缩回，锁紧油缸杆头固定有一个直径稍大的圆柱形锁紧块移动至油缸中心，这样锁紧块将主油缸活塞尾部的锁紧杆卡住，起到了锁紧作用。这种传统锁紧机构的缺点在于，锁紧油缸活塞杆与锁紧块刚性连接，杆端将受到一个侧向力，从而影响驱动油缸的使用寿命。

本文提出的一种新型锁紧机构如图2所示，主缸活塞杆尾部设计一段台阶杆及一块锁紧油缸驱动的锁紧板，锁紧油缸活塞杆与锁紧块之间和T型槽连接，锁紧板上有两个直径不同的孔。当锁紧油缸完全伸出时，台阶杆可以穿过锁紧板上的大孔，主油缸可以正常移动，此时为非锁紧状态。当锁紧油缸完全缩回时，锁紧板上的小孔移至与主油缸轴线同轴，由于台阶杆上部直径较大，不能穿过锁紧板上的小孔，起到了锁紧主油缸的作用。

2 强度计算

锁紧机构的安全性关系到整个设备的正常运行，因此在设计时必须对关键零件进行强度校核。下面将对解析法和数值法分别进行介绍。锁紧机构受力简图如图3所示。

2.1    解析法

在设计时接触应力和剪应力都需要满足一定的安全系数要求。

2.2    数值法（有限元）

经典力学公式仅进行剪切强度及接触应力的计算，没有考虑到应力分布的不均匀性及局部的应力集中，具有一定的局限性。

因此，本文基于Creo Simulate软件，采用有限元方法，对一锁紧机构进行了应力分析，从而获得锁紧机构关键零件的应力分布情况。

油缸在锁紧时，当锁紧机构受到1 000 kN拉力时，锁紧杆及锁紧块的应力分布情況如图4、图5所示，从图中可以看出，当锁紧机构受到拉力时，锁紧杆和锁紧块在应力较高处，可能出现应力超过材料许用应力的情况，因此使用有限元计算零件强度显得尤为重要。

3 应用案例

我司参与了敦化抽水蓄能电站尾水事故闸门液压启闭机油缸的设计制造。吉林敦化抽水蓄能电站2013年7月9日正式开工建设，装机容量1 400 MW，2020年7月31日首台机组发电。油缸规格为？准580/？准260-5800，顶部设有液压操作的机械锁紧装置，如图6所示，当闸门非正常下滑至约200 mm，机械锁紧装置做出锁紧动作，且能锁住60 t重量的闸门。

3.1    模型简化

此锁紧机构沿锁紧方向对称，可以用一半模型进行分析，并删除不需要的孔、倒角等，主要关注点为锁紧杆与锁紧块结合处。

3.2    材料选择及设置

锁紧杆和锁紧板选用高强度合金钢34CrNi3Mo，抗拉强度σb≥900 MPa，屈服强度σs≥800 MPa，泊松比为0.3，弹性模量为210 GPa。

3.3    边界条件及载荷

先在对称面上设置对称约束，将缸底与缸筒接合表面完全约束，并将锁紧杆与锁紧块、锁紧块与缸底之间设置为接触。由于使用一半模型进行分析，所以接锁紧杆端施加30 t载荷（即300 kN），边界条件及载荷设置如图7所示。

3.4    有限元计算结果分析

锁紧板应力分布云图如图8所示，从图中可以看出，锁紧板在工作时，除区域非常小的尖点处存在应力较大现象外（根据经验此区域可以忽略），其余区域最大应力为733 MPa，低于材料屈服强度，且大部分贯穿区域应力为180～280 MPa，因此锁紧板的强度符合设计要求。

锁紧杆应力分布云图如图9所示，从图中可以看出，锁紧杆在工作时，锁紧杆与锁紧块尖点接触处虽应力较大，但此区域非常小，根据经验此区域可以忽略。从锁紧杆截面应力云图来看，除上述区域，其余区域的最大应力为762 MPa，低于材料屈服强度，且大部分贯穿区域应力为100～310 MPa，因此锁紧杆的强度符合设计要求。

目前此项目中的液压启闭机油缸已安装调试完成，工作状态正常。

4 结语

本文提出了一种液压启闭机油缸新型锁紧机构，对比了传统锁紧机构和新型锁紧机构的优缺点，并分析了采用解析法和有限元法对关键零件进行强度校核的特点，基于Creo Simulate软件对实际案例进行了分析，保证了锁紧机构设计的可靠性。该有限元计算方法具有通用性，可以为此类结构设计提供可靠的理论依据。

[参考文献]

[1] 康信茂.我国水力发电的现状及发展趋势[J].轻工科技，2016（3）：64-65.

[2] 张洪涛.Pro/Engineer野火版4.0/5.0机械结构分析实战[M].北京：机械工业出版社，2011.

[3] 成大先.机械设计手册（单行本）[M].北京：化学工业出版社，2004.

收稿日期：2020-05-08

作者简介：徐光月（1982—），男，江苏灌云人，硕士，工程师，研究方向：机械工程设计。

马秀坤（1978—），女，江苏睢宁人，工程师，研究方向：机械工程设计。

何亚峰（1975—），男，陕西宝鸡人，副教授，研究方向：机械设计与特种加工。