本文根據(jù)華北水利水電學(xué)院袁昕老師、 唐振科老師相關(guān)資料做整理，主要分析的是攜式大扭矩液壓扳手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)關(guān)鍵， 對(duì)其中關(guān)鍵性零部件：搖臂、 棘輪棘爪的結(jié)構(gòu)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)方案進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)， 并以三門(mén)峽電廠50MW水輪機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)子法蘭盤(pán)上的大螺釘為背景， 采用有限元法，利用大型數(shù)值分析軟件 2+R0R，建立搖臂的三維數(shù)學(xué)模型， 并進(jìn)行了應(yīng)力、應(yīng)變的計(jì)算和分析。

1.引言

目前， 國(guó)家對(duì)水利、 水電、 橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資力度很大， 在其施工、 維修和改造過(guò)程中， 大扭矩緊固件的拆裝作業(yè)必不可少同時(shí)又十分艱巨。 如上海磁懸浮鐵道工程中的架橋機(jī)行走機(jī)構(gòu)的M120螺母； 三門(mén)峽水電廠500MW水輪機(jī)組中轉(zhuǎn)子法蘭盤(pán)上M140的螺釘組， 用傳統(tǒng)的人力方法進(jìn)行拆裝時(shí)， 不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低， 成本高， 而且由于劇烈的振動(dòng)和噪音，可能損傷毗鄰的零部件， 影響甚至破壞原結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡； 同時(shí)， 難以根據(jù)設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確控制裝配力矩。 三門(mén)峽水電廠水輪機(jī)轉(zhuǎn)子法蘭盤(pán)螺釘組裝、拆力矩（實(shí)測(cè)）可達(dá)46-52KN.M， 在水輪機(jī)的年度維修中， 一直沿用人力手段進(jìn)行螺釘組的拆裝， 作業(yè)周期長(zhǎng)， 工作環(huán)境狹小、 惡劣， 并且經(jīng)常使螺釘報(bào)廢， 直接影響維修工期。 因而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、 適用于大型緊固件拆裝的便攜實(shí)用工具———液壓扳手十分緊迫。根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求，對(duì)液壓扳手的設(shè)計(jì)要求主要有：

（1） 對(duì)于便攜式大扭矩液壓扳手這種專用設(shè)備， 要求能夠輸出強(qiáng)大扭矩（52KN.M）的同時(shí)， 還需使液壓扳手， 尤其使其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。 為便于單人操作， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重量控制在60kg以內(nèi)。

（2）使用安全、方便， 操作靈活， 工作可靠， 通用性強(qiáng)。

（3） 采用超高壓、 恒功率變量液壓系統(tǒng)， 關(guān)鍵零部件采用超高強(qiáng)度材料。 作業(yè)速度可根據(jù)扭矩的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，且定力距可調(diào).

2往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)關(guān)鍵

2.1搖臂運(yùn)動(dòng)方案

螺栓（螺釘）拆卸（或裝配）作業(yè)是單向的間歇運(yùn)動(dòng)過(guò)程。 活塞桿推動(dòng)銷軸并帶動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)活塞桿會(huì)產(chǎn)生側(cè)向力，對(duì)液壓油缸的密封及活塞桿的穩(wěn)定性十分不利， 因此在機(jī)殼內(nèi)壁兩側(cè)沿活塞缸軸向設(shè)計(jì)一對(duì)平行滑道， 銷軸在平行滑道內(nèi)沿活塞桿軸線嚴(yán)格按照直線運(yùn)動(dòng)， 同時(shí)將搖臂的銷軸孔設(shè)計(jì)成長(zhǎng)孔，滿足作業(yè)過(guò)程中， 銷軸與棘輪的中心距不斷變化的要求。機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

2.2棘輪棘爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

螺栓（螺釘）拆裝作業(yè)的單向間歇運(yùn)動(dòng)由特殊設(shè)計(jì)的棘輪棘爪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 由于拆裝扭矩巨大， 通常的單齒嚙合棘輪棘爪結(jié)構(gòu)不能滿足強(qiáng)度要求。 因此，考慮多齒同時(shí)嚙合、共同傳遞扭矩的棘輪棘爪結(jié)構(gòu)。具體方案為：采用多齒數(shù)小模數(shù)的棘輪和整體型棘爪；工作時(shí)，由三個(gè)棘輪輪齒同時(shí)參與傳遞扭矩， 三個(gè)棘輪的輪齒與加工有同棘輪輪齒精密配合的三個(gè)內(nèi)齒的整體型棘爪相嚙合；搖臂通過(guò)棘爪推動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)動(dòng)，棘輪與輸出方軸由漸開(kāi)線花鍵聯(lián)接， 從而使方軸并帶動(dòng)螺栓（螺釘）轉(zhuǎn)動(dòng)， 完成拆裝作業(yè)的單向間歇運(yùn)動(dòng)。 為保證棘輪和整體型棘爪的充分嚙合， 在搖臂的棘爪腔上平面設(shè)計(jì)一組彈簧。

3.搖臂的有限元強(qiáng)度計(jì)算分析

搖臂結(jié)構(gòu)較復(fù)雜， 為非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，難以用理論計(jì)算。 現(xiàn)采用有限元法進(jìn)行。 根據(jù)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)時(shí)， 銷軸與搖臂軸孔的相對(duì)位置， 現(xiàn)以搖臂在中間位置（圖1中2-2 位置）時(shí)作為分析計(jì)算工況， 如圖2。

3.1搖臂的材料特性

由于裝、 拆力矩巨大， 為大幅度減輕執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重量， 應(yīng)采用超高強(qiáng)度材料， 同時(shí)充分考慮材料的韌性、 塑性和加工工藝性能以及市場(chǎng)供應(yīng)、 經(jīng)濟(jì)成本等因素。 搖臂的材料選用目前使用較廣的低合金超高強(qiáng)度鋼30CrMnSiNi2A，彈性模量E=207FPa， 泊松比 u=0.3

3.2計(jì)算模型

在用ANSYS軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模之前， 我們以棘輪的齒數(shù)、 模數(shù)， 棘輪軸線與搖臂軸孔的中心距， 棘輪的厚度以及液壓油缸缸筒的內(nèi)經(jīng)， 壁厚等9個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸為設(shè)計(jì)變量， 以執(zhí)行機(jī)構(gòu)的質(zhì)量（體積）為目標(biāo)函數(shù)， 對(duì)扳手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。 現(xiàn)利用優(yōu)化結(jié)果作為建模的依據(jù)。考慮到有限元分析的工況，在搖臂小頭長(zhǎng)孔柱面建模時(shí)，應(yīng)在左半柱面分為三個(gè)面積區(qū)域， 以方便壓力荷載的施加。 同時(shí)， 將一些對(duì)強(qiáng)度計(jì)算影響極小的圓孔、 尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化處理， 實(shí)體計(jì)算模型如圖3

3.3單元?jiǎng)澐?/span>

采用ANSYS智能網(wǎng)格劃分方法， 將搖臂網(wǎng)格劃分的疏密得

當(dāng)。使用三維四面體單元，共有節(jié)點(diǎn)5045，單元數(shù)19286，見(jiàn)圖4。