大型液压启闭机油缸摇摆架计算分析

程志良 杨斌 刘礼华 付明伟

摘要：为了对大型液压启闭机油缸摇摆架进行计算分析，考虑摇摆架空间效应、油缸铰轴与摇摆架轴孔壁曲面分布传载、摇摆架铰轴与固定支座圆孔曲面滑动接触，分别研究了这3个因素对摇摆架应力与变形的影响。计算结果表明，这3个因素对摇摆架的应力和变形有一定影响，现行《水电水利工程启闭机设计规范》中的简化计算存在不足。结合固体力学基础理论定量给出了油缸铰轴孔的压力分布规律及油缸摇摆架整体计算方法，结合工程实际给出了具体算例，为后续设计提供借鉴和参考。

关键词：液压启闭机；摇摆架；计算；应力；挠度

中图分类号：TU311.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2018.08.025

由于弧形闸门在启闭过程中吊点会随高度不同而前后变化，因此摇摆架常用于油缸的传力支撑系统。20世纪80年代后，我国在水利水电工程中陆续采用了许多大型油缸摇摆架，这些油缸摇摆架承载较大（1500～7500kN），如小湾水电站底孔工作弧门启闭机油缸摇摆架的额定承载高达7500kN，因此许多摇摆架产生了较为严重的下垂变形，对闸门的运行定位产生了不利影响。油缸摇摆架是闸门操作环节中的重要构件，其安全可靠性直接关系到水库的防洪度汛和电站的发电生产。目前，我国还没有专门针对油缸摇摆架设计计算的规程规范，而与其相关联的现行《水电水利工程启闭机设计规范》和《水利水电工程钢闸门设计规范》也没有针对油缸摇摆架设计计算的相关规定，实际工程应用时，主要根据平面假设进行简化计算，这样做主要存在以下三方面的问题：①没有考虑其空间效应：②油缸与摇摆架、摇摆架与固定支座都是轴孔曲面接触，它们之间的力传递不是集中力：③摇摆架两端的支撑并不是简支，摇摆架铰轴与固定支座圆孔曲面滑动接触，固定支座对摇摆架的铰轴是弹性约束。为此，本文根据固体力学基础理论，从实用的角度对油缸摇摆架的应力和变形进行了计算研究。

1 油缸摇摆架的接触变形

在目前普遍使用的油缸摇摆架中，摇摆架铰轴与固定支座圆孔的连接存在一定的间隙δ（为0～2mm），且铰轴与圆孔连接部位有一定的支撑长度6（100～300mm）。由于铰轴与圆孔连接存在间隙，因此摇摆架在小变形的情况下可以近似看成两端简支，其挠度可以根据杆件挠曲线的近似微分方程求出：式中：E为材料弹性模量；L、y、M分别为截面惯性矩、挠度和弯矩。

摇摆架承载量较大时会产生较大变形，铰轴外端上翘与支座圆孔顶部接触，铰轴受到支座网孔弹性约束。这时，一方面支座受铰轴影响自身产生侧向变形，另一方面支座变形反过来影响摇摆架的整体变形，摇摆架两端的支撑不再是简支，而呈现出复杂的非线性接触关系，杆件挠曲线微分方程无法考虑两端支座对摇摆架变形的影响。

2 油缸与摇摆架的荷载传递

摇摆架是液压启闭机油缸的支撑系统，考虑油缸铰轴与摇摆架轴孔壁为曲面接触，根据固体力学理论，在铰轴作用下轴孔受力见图1，轴孔在靠支铰底板半网部分分布有按pcosθ变化的法向压力，θ为分布点与竖向的极角（以轴孔中心为极点），p为压力的最大值，最大压力方向为支铰荷载方向。设轴孔半径为r、宽度为6、弧长为s，轴孔受力的合力P（摇摆架额定荷载的一半）为

3 摇摆架非线性计算

油缸摇摆架是采用厚板构成的一个箱型截面空间框架，主要荷载是油缸铰轴通过与摇摆架上两个轴孔壁曲面接触而传递过来的轴孔压力，轴孔压力法向非均匀分布，摇摆架两端通过轴铰与固定支座连接，油缸摇摆架受力是一个典型的空间受力问题。采用三维有限元法对其进行计算，在单元选择方面，考虑到钢材受容许应力限制，材料属于小应变状态，采用双线性变形实体单元。摇摆架工作过程中材料力学性能是线性的，其非线性特征主要表现为支撑的接触非线性，考虑摇摆架受荷变形过程中铰轴外表面與固定支座轴孔内表面的可能接触范围，将可能成为接触面的铰轴外表面创建为主面，对应的轴孔内表面创建为从面，并成对地创建接触相互作用，调用接触属性（接触面摩擦系数本构关系）。根据实际情况，完全约束固定支座基础面X、Y，和Z方向的位移。综上，建立油缸摇摆架的整体有限元模型（如图2所示）。

4 工程实例

4.1 工程概况

大渡河某水电站泄洪洞弧形工作闸门采用单吊点摇摆式液压启闭机摇摆架，摇摆架额定荷载为2×1550kN，摇摆架支撑跨度为1720mm，其中摇摆架框架长1400mm，框架高600mm，支撑铰轴外伸长度为260mm，铰轴与轴孔连接长度为200mm，轴孔半径为150mm。摇摆架结构材料为Q345钢，材料容许应力[σ]=220MPa，弹性模量为E=2.06×l05MPa，泊松比μ=0.3，密度p=7850kg/m3，摇摆架容许挠度[f]=//800=2.15mm，铰轴与轴孔壁曲面接触的摩擦系数为0.15。

4.2 摇摆架非线性计算结果

工程上摇摆架铰轴与固定支座网孔壁的间隙量δ一般不好确定，这里将间隙量δ=0mm的计算结果作为非线性计算的基本结果。由于摇摆架在结构上是对称的，且荷载与支撑条件也是对称的，因此摇摆架的变形、位移和内力具有对称性，计算结果如图3、图4所示。

摇摆架的整体应力不大，大部分材料的应力为30～100MPa，只有构件拐角、连接部位应力较大，但都在140～210MPa范围内。从图4可以看出，摇摆架基础支座与支承轴部位的变形较大，摇摆架主体结构本身变形并不大，它主要产生整体下移的刚体位移，最大位移产生在跨中摇摆架油缸铰轴孔中心线下。

启闭机摇摆架压盖、机架和支承轴的最大位移和最大应力见表1。

4.3 固定支座影响

固定支座的刚性程度对摇摆架的变形有较大影响，假设铰轴与支座孔壁间隙量6=0mm，将固定支座分为弹性支座（弹性模量E=2.06xl05MPa）和刚性支座（抗弯模量充分大）两种情况，对摇摆架最大应力、挠度进行计算，计算结果见表2。

4.4 铰轴与孔壁间隙影响

摇摆架铰轴与固定支座圆孔壁之间间隙量σ与设备加工、安装、使用环境等因素有关，分别计算不同间隙量6下摇摆架的应力与变形（见表3），σ=0mm时的结果进行比较。

4.5 摇摆架非线性计算小结

（1）通过三维有限元计算可知：摇摆架的整体应力不大，为30～100MPa，但构件拐角、连接部位应力较大，为120～180MPa，结构空间作用效应明显。

（2）如果固定支座的刚度充分大，则其对摇摆架的变形有较大约束作用。刚性支座条件下摇摆架跨中最大挠度为1.130mm，比弹性支座条件下小0.232mm。

（3）铰轴与孔壁间隙量实际上会影响到固定支座对摇摆架的约束程度，从而影响到摇摆架的应力与变形，当固定支座对铰轴为简支支撑时，摇摆架受力变形最不利。

（4）通过三维有限元变形与应力计算，摇摆架跨中最大挠度为1.470mm，小于摇摆架容许挠度：摇摆架的最大应力为215.8MPa，小于钢材料容许应力，结构不仅满足刚度要求，而且满足强度要求。

5 结语

（1）工程实例分析表明：由于摇摆架框架截面较大，因此其整体应力并不大，但构件拐角、连接部位的应力较大，摇摆架承载受力的空间效应明显。

（2）固定支座的刚性程度对摇摆架的变形有较大影响，在不考虑铰轴与支座孔壁间隙的情况下，刚性支座下摇摆架最大挠度比弹性支座下的小，最大挠度可减小17%左右。

（3）摇摆架铰轴与固定支座圆孔壁之间的间隙量对摇摆架挠度有明显影响，把摇摆架两端的支撑近似看成简支关系过于简单，这时摇摆架对应的最大挠度比无间隙弹性支座大8%左有。

（4）摇摆架平面假设计算方法过于简单，与实际情况不符，存在明显缺陷。建议对现行《水电水利工程启闭机设计规范》进行修改：增加关于油缸摇摆架设计计算的有关条款，摇摆架设计应当按空间结构进行计算，并充分考虑固定支座刚度及铰轴与孔壁之间连接对应力、变形的影响。