劉旭輝,周建方,任 紅
(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 浙江 杭州 310002; 2.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 常州 213022)
我國(guó)水工液壓?jiǎn)㈤]機(jī)穩(wěn)定計(jì)算方法及存在問(wèn)題
劉旭輝1,周建方2,任 紅2
(1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院, 浙江 杭州 310002; 2.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 江蘇 常州 213022)
針對(duì)我國(guó)目前計(jì)算水工液壓?jiǎn)㈤]機(jī)穩(wěn)定性的方法各不相同的情況,進(jìn)行了系統(tǒng)的疏理、總結(jié),歸納成等截面法、高登·蘭金公式、穩(wěn)定系數(shù)法、折算長(zhǎng)度法四種方法,指出了每種方法的出處和優(yōu)缺點(diǎn);并通過(guò)一具體算例,對(duì)每種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,從而為設(shè)計(jì)人員正確使用各種方法提供了方向,也為今后統(tǒng)一計(jì)算方法提供了基礎(chǔ)。
水工液壓?jiǎn)㈤]機(jī);穩(wěn)定性;穩(wěn)定系數(shù)法;折算長(zhǎng)度法
水利水電工程中液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛,作為液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的關(guān)鍵部件的液壓缸,其工作的可靠性和安全性直接關(guān)系到啟閉機(jī)乃至水工建筑物的可靠和安全,因此液壓缸的穩(wěn)定性也受到越來(lái)越廣泛的重視。但是,我國(guó)對(duì)水工液壓缸的穩(wěn)定性雖然有一些研究[1-4],但總體上不夠系統(tǒng)、深入,尤其在相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)和教材[5-10]中,所使用的方法也不盡相同,給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了困惑和麻煩。因此,本文對(duì)此作一系統(tǒng)總結(jié)、疏理,指出每種方法的優(yōu)缺點(diǎn),并為今后的研究提供基礎(chǔ)。
在下面的討論中,均認(rèn)為是液壓缸的最大安裝長(zhǎng)度L≥10d(活塞桿直徑),即需進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算的情況。
該方法在穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí),將缸體和活塞桿看作是固接在一起的截面相同的桿件,把液壓缸全伸狀態(tài)最大安裝長(zhǎng)度作為計(jì)算長(zhǎng)度,按等截面壓桿公式計(jì)算得到臨界載荷。該方法出自于教材《水工起重機(jī)械》[10],具體為:
(1) 當(dāng)λ>λ1,按歐拉公式計(jì)算臨界力:
(1)
(2) 當(dāng)λ1>λ>λ2時(shí),采用直線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)公式:
Pcr=0.1A(a-bλ)
(2)
式中:λ為計(jì)算柔度;λ1,λ2為對(duì)應(yīng)材料比例極限和屈服極限的柔度值;L為工作時(shí)液壓缸最大安裝長(zhǎng)度;μ為由安裝形式?jīng)Q定的長(zhǎng)度系數(shù);E為活塞桿材料縱向彈性模量;I1為活塞桿截面慣性矩;A為活塞桿截面積;a,b為與材料有關(guān)的常數(shù)。
事實(shí)上,上述方法為材料力學(xué)教材中常使用的方法,即對(duì)細(xì)長(zhǎng)桿采用歐拉公式,對(duì)中長(zhǎng)桿采用直線(xiàn)公式,所使用的常數(shù)也與《材料力學(xué)》[11]教材中的基本相同。
當(dāng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核時(shí),安全系數(shù)一般取2~4。
很顯然,把缸體看作和活塞桿固接在一起的等截面桿來(lái)計(jì)算臨界載荷雖然方法簡(jiǎn)單,但與實(shí)際情況相差較大。
該方法在進(jìn)行液壓缸的穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),也是將缸體和活塞桿看作固接在一起截面相同的桿件,把液壓缸全伸狀態(tài)最大安裝長(zhǎng)度作為計(jì)算長(zhǎng)度,按等截面壓桿計(jì)算得到臨界載荷,與上節(jié)不同的是對(duì)于中長(zhǎng)桿采用高登·蘭金公式計(jì)算,該方法為《水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》[9]所采用。此手冊(cè)是為適應(yīng)我國(guó)水利水電建設(shè)事業(yè)發(fā)展的要求,20世紀(jì)80年代由當(dāng)時(shí)的水電部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院組織有關(guān)單位在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和吸收新技術(shù)的基礎(chǔ)上編寫(xiě)的,在全國(guó)影響較大。從手冊(cè)所采用的材料常數(shù)來(lái)看,該方法引用于日本的《油缸》[12]一書(shū),具體為(這里僅考慮兩端鉸支情況):
(1) 當(dāng)λ≥m(這里的一些符號(hào)采用原來(lái)的,m相當(dāng)于比例柔度λ1)時(shí),按歐拉公式(1)計(jì)算臨界載荷;
(2) 當(dāng)λ (3) (3) 當(dāng)λ<20時(shí),作為壓縮構(gòu)件考慮。 上式中:m、fc、k為由材料決定的實(shí)驗(yàn)常數(shù),見(jiàn)表1;i為活塞桿慣性半徑,其余同上。 表1 蘭金公式中的材料常數(shù)fc,k,m 該方法相對(duì)來(lái)說(shuō)計(jì)算也比較簡(jiǎn)單,但存在以下問(wèn)題: (1) 與上相同,將缸體和活塞桿看成等截面,不符合實(shí)際情況。 (2) 給出的材料常數(shù)太籠統(tǒng),沒(méi)有我們常見(jiàn)材料的材料常數(shù),公式很難應(yīng)用;而且表1所給出的m值與等截面法中的λ1也相差較大。 (3) 更主要的,經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),在分界點(diǎn)由歐拉公式和蘭金公式計(jì)算得到的臨界載荷不相等,對(duì)于硬鋼,相差30%。為了形象說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題,將由式(1)、式(2)、式(3)得到的臨界應(yīng)力總圖繪于圖1,由圖1可以看出直線(xiàn)公式不存在這個(gè)問(wèn)題,且蘭金公式得到的臨界載荷小于直線(xiàn)公式,偏保守。進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí),手冊(cè)中要求安全系數(shù)取6以上,更是偏于保守。 圖1臨界應(yīng)力總圖 該方法根據(jù)液壓缸在工程中的具體安裝形式和受力情況,采用不同的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。該方法為我國(guó)第一本《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5](SL 41—93)所采用,隨后由于我國(guó)水利水電行業(yè)體制改革,分別修訂出版了《水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6](DL/T 5167—2002)和《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7](SL 41—2011)這兩本規(guī)范,但在穩(wěn)定性計(jì)算方面均沒(méi)有作改變。具體為: (1) 雙作用液壓缸安裝在剛性支座上,閘門(mén)無(wú)側(cè)向位移(見(jiàn)圖2),活塞桿只承受拉、壓力,按式(4)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算: (4) 式中:φ為穩(wěn)定系數(shù),規(guī)范中叫縱向彎曲系數(shù),根據(jù)λ查得;P為活塞桿的壓力。 圖2活塞桿折算長(zhǎng)度計(jì)算簡(jiǎn)圖 (2) 雙作用液壓缸安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)支座上的活塞桿計(jì)算。活塞桿承受拉(壓)力和彎矩,計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖3,按式(5)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算: (5) 式中:φ′為穩(wěn)定縱向彎曲系數(shù),規(guī)范中叫縱向彎曲時(shí)的允許應(yīng)力折減系數(shù),根據(jù)條件柔度λt及折算偏心率查相應(yīng)的表,這里由于篇幅所限不列出。 圖3雙作用油缸轉(zhuǎn)動(dòng)支座計(jì)算簡(jiǎn)圖 對(duì)于雙作用液壓缸安裝在剛性支座上,閘門(mén)發(fā)生側(cè)向位移時(shí)也按式(5)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。 當(dāng)計(jì)算條件柔度λt時(shí),必須確定變截面段L1+b的計(jì)算長(zhǎng)度L0,規(guī)范中規(guī)定為: 當(dāng)0≤b≤0.4 m時(shí): L0=L1+b (6) 當(dāng)b>0.4 m時(shí): L0=μ1L (7) 其中,長(zhǎng)度折算系數(shù)μ1 (8) I1和I2分別是活塞桿和缸體截面的慣性矩。 很顯然,上面確定計(jì)算長(zhǎng)度的方法是有問(wèn)題的,首先是在b=0.4 m處,用式(6)和式(7)得到的計(jì)算長(zhǎng)度是不相等的;其次,長(zhǎng)度折算系數(shù)μ1與液壓缸尺寸長(zhǎng)度無(wú)關(guān),顯然不合理。有關(guān)這方面的問(wèn)題我們將會(huì)另文詳細(xì)討論。 事實(shí)上,式(4)、式(5)的形式與我國(guó)74版的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[13](JT 17—74)中的軸心受壓和偏心受壓穩(wěn)定性計(jì)算公式是一樣的,但具體的φ、φ′值不一樣,φ′值的確定方式也有所不同。經(jīng)過(guò)查閱(在93版的規(guī)范[5]條文說(shuō)明中也有所表述),發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法和φ、φ′值出自于前蘇聯(lián)的《水工建筑物的啟閉機(jī)械》[14]一書(shū),因此實(shí)際上規(guī)范中有關(guān)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算方法是參照《水工建筑物的啟閉機(jī)械》而制訂的。 其安全系數(shù),在三本規(guī)范中沒(méi)有明確說(shuō)明,但通常穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)高于強(qiáng)度安全系數(shù)。雖然啟閉機(jī)規(guī)范中的φ值與我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的值不一樣,但相差并不大,按照我國(guó)相關(guān)規(guī)定,一般對(duì)鋼壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取1.8~3.0,因此可認(rèn)為其穩(wěn)定安全系數(shù)隱含為1.8~3.0。 非常遺憾的是,至目前為止,規(guī)范[6-7]所用的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算方法既不與我國(guó)同時(shí)期的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相一致,也不與《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[15](GB 3811—83)相銜接,且在計(jì)算長(zhǎng)度確定上還存在一定的問(wèn)題,因此有必要作進(jìn)一步的研究。 另外需要說(shuō)明的是,在規(guī)范[6-7]的結(jié)構(gòu)一章中,對(duì)其它構(gòu)件的穩(wěn)定性計(jì)算作了規(guī)定: (1) 軸心受壓構(gòu)件除應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度條件外,尚應(yīng)驗(yàn)算整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。但僅作了籠統(tǒng)的要求,沒(méi)有給出具體公式。 (2) 雙向或單向壓彎構(gòu)件,則在附錄中給出了具體計(jì)算公式,但與式(5)形式完全不一樣。 同一本規(guī)范,對(duì)相同的受力形式,作不同的要求,給出不同的計(jì)算公式,似不妥,現(xiàn)在所使用的《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16](GB/T 3811—2008)中就不存在這樣的情況。 由于液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在水電水利工程中應(yīng)用越來(lái)越廣泛,所以水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院于2013年在原來(lái)《水電水利工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[6](DL/T 5167—2002)的基礎(chǔ)上,將有關(guān)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)部分的內(nèi)容進(jìn)行修訂后,成為獨(dú)立的《水電水利工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8](NB/T 35020—2013)。在該規(guī)范中對(duì)油缸的穩(wěn)定性計(jì)算又采用了歐拉公式和直線(xiàn)公式,但與文獻(xiàn)[10]不同的是,通過(guò)引入計(jì)算長(zhǎng)度折減系數(shù),考慮了變截面,具體為: 壓桿計(jì)算長(zhǎng)度 L0=μ0μL (9) 其中μ0為計(jì)算長(zhǎng)度折減系數(shù) (10) 式中其它符號(hào)的含義見(jiàn)圖4和前面的說(shuō)明。 圖4立式液壓缸固定安裝時(shí)活塞桿計(jì)算簡(jiǎn)圖 液壓缸的總成柔度為: (11) 若λ≥λ1,則按歐拉公式計(jì)算臨界載荷;若λ<λ1,則按直線(xiàn)公式計(jì)算臨界載荷。 規(guī)定的安全系數(shù)為3.5以上。 很顯然,這里通過(guò)引入長(zhǎng)度折減系數(shù)來(lái)考慮變截面,肯定比文獻(xiàn)[10]合理,且長(zhǎng)度折減系數(shù)計(jì)算公式(10)由于考慮了液壓缸長(zhǎng)度尺寸,比式(8)也更合理。壓桿計(jì)算長(zhǎng)度公式(9)也采用了規(guī)范[16]中的形式,通過(guò)μ來(lái)反映兩端約束情況,通過(guò)μ0來(lái)考慮變截面,因此相對(duì)來(lái)說(shuō)也是比較合理的。但是經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析可發(fā)現(xiàn),上述做法在有些情況下,誤差還是較大的,具體我們將另文討論。另外,在這個(gè)規(guī)范中,沒(méi)有考慮偏心受壓(或壓彎),全按軸心受壓驗(yàn)算穩(wěn)定性,這也是不合適的。 當(dāng)應(yīng)用直線(xiàn)公式時(shí),規(guī)范僅給出材料為45號(hào)鋼和Q345B時(shí)的材料常數(shù)a=335 MPa,b=0.62 MPa,并說(shuō)明活塞桿采用其他材料時(shí)a、b值參見(jiàn)材料力學(xué)相關(guān)章節(jié)。然而,按照材料力學(xué)教材[11]45號(hào)鋼的a=461 MPa,b=2.568 MPa,兩者相差較大。 上面對(duì)我國(guó)目前各種計(jì)算液壓?jiǎn)㈤]機(jī)穩(wěn)定性的方法進(jìn)行了介紹和分析,指出了各種方法存在的問(wèn)題。為便于比較,現(xiàn)從計(jì)算公式、截面處理、受力處理、安全系數(shù)四方面將4種方法對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。 表2 各種方法比較 由表2可以看出,它們之間的差異還是很大的。下面通過(guò)一算例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明它們之間的差別。 算例 液壓缸簡(jiǎn)化計(jì)算模型如圖3所示,兩端鉸支,材料45號(hào)鋼,σs=350 MPa,σp=280 MPa,具體尺寸見(jiàn)表3?,F(xiàn)分別用四種方法計(jì)算穩(wěn)定性。 表3 液壓缸基本參數(shù)表 注:d為活塞桿直徑;d1為缸筒內(nèi)徑;d2為缸筒外徑。 由σp、σs可求得λ1=86、λ2=43.2,所以必須用直線(xiàn)公式計(jì)算臨界荷載,采用材料力學(xué)教材[11]中的常數(shù)a=461 MPa,b=2.568 MPa,從而可得: (2)λ值與上相同,用高登·蘭金公式計(jì)算。表1中沒(méi)有相應(yīng)的材料常數(shù),但手冊(cè)[9]中明確對(duì)鋼取fc=4 900,k=1/5000,即對(duì)應(yīng)表1中的硬鋼;可從45號(hào)鋼的屈服極限看,它更應(yīng)該接近于表1中的軟鋼,所以這里對(duì)兩種情況都進(jìn)行了計(jì)算,以作比較。 硬鋼:Pcr=4633.9 kN 軟鋼:Pcr=3904.6 kN (3) 因?yàn)閎=0.4 m為確定計(jì)算長(zhǎng)度的分界點(diǎn),須分別用式(6)和式(7)計(jì)算。 ① 由式(6)得L0=3 000 mm,λ=75 同樣,由于沒(méi)有45號(hào)鋼的縱向彎曲系數(shù)。按照現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17](GBJ 17—2003),不同鋼種可按式(11)對(duì)柔度進(jìn)行修正,然后再查Q235的縱向彎曲系數(shù): (11) 這里按這樣的方法計(jì)算,得λ0=91.5,查表得φ=0.67,從而得許用荷載: 這里強(qiáng)度安全系數(shù)取1.5。 由式(6)L0=2220 mm 從而λ=55.6,λ0=67.9 查得φ=0.6780 從而 [P]=3751.3 kN (4)由式(10) 從而λ=68.3 根據(jù)規(guī)范[8]規(guī)定,a=335 MPa,b=0.62 MPa,從而得臨界荷載: Pcr=(a-bλ)A=5881.2 kN 為便于比較,將上述結(jié)果列于表4中。從表4中可以看出對(duì)于同一個(gè)液壓缸采用不同的方法計(jì)算得到的許用荷載相差很大,這將造成工程人員在設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)所適從,同時(shí)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的材料浪費(fèi)。 表4 液壓缸幾種計(jì)算方法下的許用(臨界)荷載 本文對(duì)我國(guó)目前水工液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的穩(wěn)定性計(jì)算方法進(jìn)行了總結(jié)、分析,并用一個(gè)算例進(jìn)行了說(shuō)明。從中可看出,除了每一種方法本身多多少少存在的問(wèn)題外,由4種方法計(jì)算所得的結(jié)果也相差很大。目前,水利行業(yè)采用規(guī)范[7]進(jìn)行設(shè)計(jì),水電行業(yè)采用規(guī)范[8]進(jìn)行設(shè)計(jì),從上可看出,按照這兩本規(guī)范設(shè)計(jì)的結(jié)果相差很大,這將會(huì)造成設(shè)計(jì)人員的混亂和無(wú)所適從,因此迫切需要對(duì)水工液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的穩(wěn)定性計(jì)算方法進(jìn)行系統(tǒng)的研究,確定一種合適的計(jì)算方法,供設(shè)計(jì)人員使用。我們將從變截面壓桿穩(wěn)定性的微分方程入手,對(duì)水工液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行深入研究,并給出具體表達(dá)式。限于篇幅,將在另文中詳細(xì)討論。 [1] 郭應(yīng)龍.液壓缸的穩(wěn)定性分析[J].武漢水利電力學(xué)院學(xué)報(bào),1988(2):23-33. 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The calculation results of each method are compared through an example, which gives a way for the designers to apply various methods correctly and provide some references for further unifying calculation method. hydraulichoist;stability;stabilitycoefficientmethod;equivalentlengthmethod 10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.007 2017-05-20 2017-06-22 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51679075) 劉旭輝(1970—),男,浙江杭州人,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事水工金屬結(jié)構(gòu)研究。E-mail: lxh1118@163.com 周建方(1961—),男,江蘇常州人,博士,教授,主要從事工程力學(xué)和水工金屬結(jié)構(gòu)研究。E-mail: zhoujf101@163.com TV664.2 A 1672—1144(2017)05—0039—053 穩(wěn)定系數(shù)法
4 折算長(zhǎng)度法
5 小結(jié)和算例
6 結(jié) 語(yǔ)