王 敏，万长东，苏振驰

（苏州市职业大学机电工程学院，江苏 苏州 215104）

1 引言

工业过程控制系统用直行程电动阀门执行器广泛用于工程中的排水、通风、抽采、洒水等管道中，启闭、调节各类阀门[1]。直行程阀门执行器支架起到连接执行器与阀门的作用[2]。长期合作公司阀门执行器支架的第一代产品，如图1 所示。

在输出大扭矩时，支架侧柱撕裂破坏，这是侧柱与支架下端面焊接工艺造成，改进支架，如图2 所示。采用45 号钢铸造得到，二代支架强度、刚度均满足设计要求，缺点是笨重，安装不便，成本高。为解决此问题，对二代支架进行有限元分析，根据分析结果再次为合作公司设计第三代执行器支架，并与第二代支架进行比较，最终生产样件并测试[3]。

图1 一代直行程执行器支架Fig.1 First Generation Support of the Direct Travel Actuator

图2 二代直行程执行器支架Fig.2 Second Generation Support of the Direct Travel Actuator

2 二代直行程支架有限元分析

2.1 有限元前处理

2.1.1 建立模型

根据公司提供的二维图纸，对二代直行程支架及配套部件进行几何建模。利用CATIA 的曲面模块和实体模块完成各个部件的模型创建，又在装配模块中进行支架的装配。二代直行程支架，如图3 所示。质量11.757kg，如图4 所示。简化清理后，得到最终几何模型，如图5 所示。

图3 二代直行程电动执行器支架模型Fig.3 Model of the Second Generation Support

图4 二代直行程电动执行器支架重量Fig.4 Weight of the Second Generation Support

图5 二代直行程电动执行器支架几何模型Fig.5 Geometric Model of the Second Generation Support

2.1.2 材料选择

驱动套为铝青铜，其余部件均为45 钢，材料属性，如表1 所示。

表1 材料属性Tab.1 Material Properties

2.1.3 网格划分

采用四面体实体单元进行网格划分，二代直行程支架系统单元数为1035762，如图6 所示。对网格质量进行检查，纵横比合适。

2.1.4 静力学边界条件设置

为配合法兰的四个螺栓孔在蜗杆的中心处建一个远程点，施加4315N 轴向力，此值由减速器输出理论计算得到；在驱动杆上施加50N·m 转矩；支架下端面施加固定约束；阀门推杆施加43000N 经验值推力[4-5]，如图7 所示。

图6 网格划分Fig.6 Mesh

图7 边界条件加载示意图Fig.7 Boundary Condition Loading

2.2 有限元分析结果

2.2.1 最大应力

根据仿真结果，二代直行程支架在如上约束条件下最大应力为95.765MPa，在支架限位块上端，如图8 所示。远远小于材料抗拉强度。

图8 二代直行程电动执行器支架应力分布Fig.8 Stress Distribution of the Second Generation Support

2.2.2 疲劳安全系数

疲劳安全系数，如图9 所示。最小安全系数为0.9，在支架上部，这是此部位应力集中引起的；寿命，如图10 所示。最小寿命为5.45e5，同样在最小安全系数处。

图9 二代直行程电动执行器支架安全系数分布Fig.9 Safety Factor Distribution of the Second Generation Support

图10 二代直行程电动执行器支架寿命分布Fig.10 Life Distribution of the Second Generation Support

2.3 问题分析

根据仿真结果，主要有以下两个方面的问题：（1）支架应力分布基本均匀，在上部略有应力集中现象，这将降低结构的安全系数，缩短结构的疲劳寿命[6]；（2）大部分承载部位应力值远远小于材料强度，设计过盈，造成成本增加、重量增加，重量增加的同时还带来安装不便的缺陷。

3 支架优化设计及有限元分析

3.1 支架优化设计

在二代直行程电动执行器支架的有限元分析基础上，针对已出现的问题重新进行设计。在严格遵循直行程支架设计要求的前提下，采用倒角、对称方法避免应力集中[7]；通过减薄侧柱厚度，以及去除挡块上部分材料，从而去除过盈设计部分，实现轻量化[8]。使用CATIA 软件对支架重新建模，设计出三代直行程电动执行器支架，如图11 所示。新直行程支架的质量为8.1kg，较原支架减少了3.651kg，如图12 所示。

图11 三代直行程电动执行器支架Fig.11 Third Generation Support of the Direct Travel Actuator

图12 三代直行程电动执行器支架质量Fig.12 Weight of the Third Generation Support

3.2 三代直行程支架有限元分析

优化后的三代直行程支架设置相同的仿真条件进行有限元分析。应力分布，如图13 所示。最大应力45.075MPa，在支架限位块上端凹槽上部，较原结构应力集中现象轻；安全系数，如图14所示。最小安全系数为1.9124，在支架上部，远大于原支架的最低安全系数0.9，安全性更高；寿命，如图15 所示。最小寿命为1e6次，也较原结构略提高。

图13 三代直行程电动执行器支架应力分布Fig.13 Stress Distribution of the Third Generation Support

图14 三代直行程电动执行器支架安全系数Fig.14 Safety Factor Distribution of the Third Generation Support

图15 三代直行程电动执行器支架疲劳寿命分布Fig.15 Life Distribution of the Third Generation Support

3.3 改进效果

三代直行程电动执行器支架在满足设计结构强度的前提下，质量大大减轻，达31%，极大程度地节约了材料成本，改善了支架安装的便捷性；同时三代直行程支架较二代直行程支架应力分布更加均匀，应力集中现象轻。

4 样品生产及测试

生产第三代直行程电动执行器支架，如图16 所示。在推力实验台上进行推力实验[9]，结果显示图示C 位置支架限位块弯曲变形量约5mm，支架底面圆心D 位置处凸起约0.8mm，由于在推力实验下拉伸，如图所示另三个部位尺寸均有变小，上方为设计尺寸，下方括号内为试验后尺寸，所有变形均在安全范围内，目测无破坏。进一步通过探伤仪检测应力集中部位，图像显示应力集中部位A无裂纹，A 处探伤图像中的裂纹是钢材夹渣；应力集中部位B 出现横向疲劳源，但是无破坏，实验证明优化后支架满足强度要求[10]。三代直行程电动执行器支架已应用于成品，如图17 所示。

图16 三代直行程电动执行器支架样品Fig.16 Sample of the Third Generation Support

图17 直线型电动阀门执行器Fig.17 Direct Travel Electric Valve Actuator

5 结论

（1）针对某公司直行程电动阀门执行器支架重量大、不便于安装、成本高的问题，优化设计第三代直行程电动阀门执行器支架，通过有限元分析对优化前后支架的质量、应力分布、疲劳寿命及安全系数进行对比，结果显示，着重考虑轻量化的优化设计并未降低支架的安全系数及疲劳寿命，反而均有所改善，重量减轻31%。（2）生产样品进行推力实验，结果表明零件有允许值范围内的变形但未损伤，进一步对应力集中、安全系数低的部位进行探伤测试，图像显示并未损伤，优化设计可行，极大地节约了成本并提高了安装便捷性。