電動執(zhí)行機構(gòu)推力輸出部件殼體設(shè)計優(yōu)化

周祥態(tài) ，紀(jì)慧泉，龔九洲 ，湯占峰

(1.揚州電力設(shè)備修造廠有限公司，江蘇 揚州 225003；2.江蘇旅游職業(yè)學(xué)院，江蘇 揚州 225127；3.中國能建工程研究院過程驅(qū)動控制研究所，江蘇 揚州 225003)

電動執(zhí)行機構(gòu)按最終動力輸出方式可分為轉(zhuǎn)矩輸出和直線推力輸出。推力輸出裝置是連接推力型電動執(zhí)行機構(gòu)一級裝置與閥門的紐帶，它將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為直線方向的推力，用于啟閉閘閥和截止閥等閥門。推力型電動執(zhí)行機構(gòu)一般處在高負(fù)荷、動作頻繁、惡劣工況環(huán)境下工作。

市場上推力型電動執(zhí)行機構(gòu)目前主要存在推力部件外殼被拉斷、銅螺母牙嵌擠潰、閥桿失穩(wěn)以及閥桿卡死等問題。上述情況導(dǎo)致閥門工作異常，嚴(yán)重影響工業(yè)生產(chǎn)流程，甚至導(dǎo)致安全事故，因此提升推力輸出部件關(guān)鍵件的可靠性顯得意義重大。采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗類比設(shè)計方法在設(shè)計過程中難以預(yù)知其整體性能和可靠性，要做到高效、可靠的設(shè)計，需要在傳統(tǒng)設(shè)計方法基礎(chǔ)上引入現(xiàn)代化的設(shè)計方法理念——有限元分析方法。本文將傳統(tǒng)設(shè)計理念和有限元法結(jié)合起來，著重對推力輸出部件殼體進行強度和受力分析，根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化改進結(jié)構(gòu)，從而提高整個部件的可靠性。

1 載荷工況分析

電動執(zhí)行機構(gòu)一級裝置產(chǎn)生的扭矩傳遞到輸出軸，輸出軸與推力輸出部件(扭矩轉(zhuǎn)推力裝置)聯(lián)軸器之間通過牙嵌嚙合，將扭矩傳遞到聯(lián)軸器。聯(lián)軸器內(nèi)孔與閥桿通過梯形螺紋副傳動，聯(lián)軸器輸出的扭矩通過梯形螺紋副轉(zhuǎn)換成開啟、關(guān)閉閥門的推力。根據(jù)力與反作用力之間的關(guān)系，此時閥門閥桿對推力輸出部件會產(chǎn)生一個反方向的作用力，兩者大小相等，該反作用力最終全部傳遞到推力輸出部件殼體。針對調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機構(gòu)而言，由于一級裝置可以停止于客戶設(shè)定在全開、全關(guān)之間的的任意位置，此時推力輸出部件除滿足上述功能外，還可以起到調(diào)節(jié)閥門流量的作用。

2 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度分析

2.1 結(jié)構(gòu)介紹

推力輸出部件結(jié)構(gòu)一般分為以下幾個部分組成：①上法蘭：它主要連接推力輸出部件與一級裝置；②推力部件殼體：它是整個部件的載體，承受著部件全部載荷；③聯(lián)軸器及推力軸承：聯(lián)軸器是整個閥門的動力轉(zhuǎn)換載體，將扭矩轉(zhuǎn)換成推力，推力軸承主要作用是減小聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動時與其他零件之間的摩擦，減少零部件之間的磨損；④下法蘭：主要用來連接閥門與推力部件。本文設(shè)計的推力輸出部件結(jié)構(gòu)見圖1。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

推力輸出部件作為扭矩——推力轉(zhuǎn)換裝置——直接關(guān)系著整個閥門管道系統(tǒng)整體運行的正常與否，而殼體作為推力部件的載體，承載著全部的拉力，直接關(guān)系到整個推力部件的可靠性。殼體設(shè)計安全系數(shù)過大會造成成本的浪費、體積的增大；安全系數(shù)過小，則有可能造成殼體變形過大，甚至損壞，因此殼體強度的設(shè)計是很重要的一個環(huán)節(jié)?？紤]批量生產(chǎn)工藝性，殼體材料選用HT200，初步設(shè)計的殼體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 電動執(zhí)行機構(gòu)推力輸出推力部件結(jié)構(gòu)圖

圖2 外殼三維圖

2.3 強度有限元分析

電動執(zhí)行機構(gòu)整機設(shè)計最大輸出推力25.85 kN，外殼在軸向方向承受推力，考慮到閥桿的導(dǎo)程角及摩擦系數(shù)，閥桿對外殼還有一個轉(zhuǎn)矩載荷，經(jīng)過計算，約為轉(zhuǎn)矩的1/10，即5 N·m，經(jīng)過分析，簡化得到圖3。

根據(jù)實際工作情況，在有限元軟件里對模型進行適當(dāng)簡化，設(shè)定邊界、載荷約束條件，具體的殼體有限元載荷模型見圖4。外殼邊界條件設(shè)定：RP－1、RP－2兩點為邊界約束參考點，分別將上下法蘭的四個螺釘孔(統(tǒng)一簡化為光孔)與該點耦合(耦合約束能夠保證二者的自由度完全一致)。將RP－2設(shè)置為全約束(三個直線自由度和轉(zhuǎn)動自由度全為零)，對RP－1點施加拉力及轉(zhuǎn)矩載荷，轉(zhuǎn)矩設(shè)定為5 N·m，拉力載荷按25 kN，30 kN，35 kN，40 kN四檔進行施加，分析外殼處在此四種載荷下的受力情況。

圖3 外殼載荷工況簡圖

圖4 殼體有限元載荷模型簡圖

殼體在承受四檔拉力時最大應(yīng)力部位均處在殼體上法蘭與中間回轉(zhuǎn)圓柱的過渡處。承受前兩檔載荷時，外殼最大應(yīng)力均處于安全范圍。當(dāng)殼體處在35 kN載荷時，薄弱部位的應(yīng)力接近HT200的抗拉極限，40 kN時外殼薄弱處應(yīng)力超過其抗拉極限。截取35 kN、40 kN載荷時的受力情況云圖分別見圖5、圖6。

圖5 殼體在35 kN拉力下的應(yīng)力云圖

圖6 殼體在40 kN拉力下的應(yīng)力云圖

從云圖上看，當(dāng)載荷為35 kN時，處在殼體上法蘭與中間回轉(zhuǎn)圓柱的過渡處最大應(yīng)力大約為180 MPa。HT200抗拉強度為200 MPa，接近斷裂極限，考慮到鑄造時的尺寸偏差及材料的致密度等因素，外殼處在該載荷下工作有出現(xiàn)斷裂失效的可能性。當(dāng)載荷為40 kN時，處在殼體上法蘭與中間回轉(zhuǎn)圓柱的過渡處最大應(yīng)力大約為215.9 MPa，超出HT200的抗拉極限，殼體此處會出現(xiàn)斷裂破壞。

2.4 殼體樣品抗拉實驗

根據(jù)圖紙參數(shù)，設(shè)計砂芯模并澆鑄殼體樣品，取樣品5個在拉伸試驗機上進行樣品的抗拉實驗，當(dāng)拉力達(dá)到30～36 kN時，5個樣品均被拉斷，且拉斷的部位高度一致，均出現(xiàn)在上法蘭與回轉(zhuǎn)圓柱過渡處。

實際設(shè)計最大承載拉力F=25.85 kN，安全系數(shù)

考慮到實際工作時載荷波動，批量生產(chǎn)時的各種鑄造因素，如鑄缺、實體偏離等因素，該設(shè)計系數(shù)過小，因此需對殼體進行優(yōu)化。

3 殼體優(yōu)化及有限元分析

3.1 殼體優(yōu)化方案

根據(jù)有限元分析結(jié)果及實際拉伸斷裂情況，將外殼中間回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)壁厚由原來的6 mm增大至7 mm，中間回轉(zhuǎn)圓柱與上法蘭過渡處采取均勻光滑過渡，增大過渡圓角。材料力學(xué)相關(guān)理論及實驗表明，零件尺寸突然改變處的橫截面上，應(yīng)力并不是均勻分布的，尺寸改變越劇烈，角越尖、孔越小，應(yīng)力集中的程度就越嚴(yán)。根據(jù)該理論，本文中采用光滑過渡，增大過渡圓角能有效避免應(yīng)力集中，減小受拉時該處產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致殼體出現(xiàn)裂紋或斷裂的可能性。同時將過渡處壁厚增大，增強其抗拉抗壓強度。其他相關(guān)部位同時做出相應(yīng)優(yōu)化改動，優(yōu)化前后具體結(jié)構(gòu)對比見圖7、圖8。

圖7 優(yōu)化前結(jié)構(gòu)

圖8 優(yōu)化后對應(yīng)處結(jié)構(gòu) 薄弱處結(jié)構(gòu)

3.2 殼體優(yōu)化后模型有限元分析

將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入有限元分析軟件，根據(jù)電動執(zhí)行機構(gòu)工作時，推力輸出部件實際載荷工況，建立符合實際工況的邊界載荷條件后進行有限元分析，不斷增大載荷，當(dāng)載荷F=48 kN時，得到受力云圖見圖9。

圖9 優(yōu)化后的殼體有限元分析分析結(jié)果

云圖中最大應(yīng)力值為216.2 MPa,處于螺釘孔位置，考慮到模型及載荷的簡化，此處應(yīng)力值的超差并不需要過多關(guān)心。影響整個殼體強度的區(qū)域仍然處在上法蘭與中間回轉(zhuǎn)圓柱殼體的過渡處，此區(qū)域的最大應(yīng)力在云圖上處于橙色區(qū)域，約為178 MPa。接近HT200的抗拉極限。按此值計算得安全系數(shù)

該安全系數(shù)較大，因此優(yōu)化后的殼體滿足要求。

4 結(jié)語

本文以傳統(tǒng)機械設(shè)計方法為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代化的設(shè)計思想方法和理論，對電動執(zhí)行機構(gòu)推力部件外殼的設(shè)計進行了較為詳細(xì)的研究。通過兩者的相互比對，得出外殼薄弱的部位高度一致，都處在殼體上法蘭與中間回轉(zhuǎn)圓柱的過渡處，為外殼的優(yōu)化指明了方向。通過有限元平臺，不斷對外殼進行可視化模擬，優(yōu)化改進零部件結(jié)構(gòu)，提高了殼體的強度和安全系數(shù)，確保了整個產(chǎn)品的可靠性。

通過先進的有限元設(shè)計平臺，結(jié)合傳統(tǒng)的理論知識，可快速準(zhǔn)確的模擬分析出產(chǎn)品設(shè)計可能存在的薄弱處，并有針對性地進行優(yōu)化改進，該方法相對于傳統(tǒng)設(shè)計方法，具有快速、靈活多變、低成本等優(yōu)點，能夠滿足現(xiàn)代化工業(yè)快速更新?lián)Q代的節(jié)奏。

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