曾 文， 范 如 谷， 楊 芳， 李 春 蛟

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

大跨度平面閘門搖桿裝置的設(shè)計優(yōu)化研究

曾 文， 范 如 谷， 楊 芳， 李 春 蛟

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

對大跨度平面閘門搖桿的支承結(jié)構(gòu)型式進行了選擇比較，分別用赫茲公式和實體有限元分析計算了座板與搖桿、滾輪與搖桿軌面的接觸應(yīng)力。分析計算結(jié)果表明：改變座板凹弧面與搖桿凸弧面的半徑，其相應(yīng)的接觸應(yīng)力有較大的改變，間距較小的兩個滾輪對搖桿的應(yīng)力影響較小。

大跨度；平面閘門；搖桿；結(jié)構(gòu)型式；接觸應(yīng)力；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計

1 概 述

在水利水電工程中廣泛使用的平面閘門的行走支承有滾輪、鏈輪、定輪及滑道等型式，平面閘門支承型式需根據(jù)工作條件、荷載及跨度確定，其中滾輪和鏈輪支承的運行阻力最小。在供電保證能力較低的工程中，為了確保工程運行安全，除了能夠電動控制閘門啟閉外，還需要能夠“手動”啟閉閘門，故此類低水頭、大跨度平面閘門對運行阻力/ 啟閉力有較高要求時，可以選擇滾輪支承(一般鏈輪支承主要用于高水頭閘門)。

根據(jù)鋼閘門設(shè)計規(guī)范，露頂式工作門和事故門的主梁剛度按不超過1/600 設(shè)計。為保證輥輪與軌道板之間接觸良好，能夠適應(yīng)大跨度平面閘門水平變形帶來的端梁部位的轉(zhuǎn)角變形，需要在閘門或門槽上設(shè)置可轉(zhuǎn)動的搖桿裝置，其基本結(jié)構(gòu)見圖1。為保證設(shè)備運行過程中不受銹蝕的影響，搖桿、座板及相關(guān)零件應(yīng)選用不銹鋼材料。

筆者針對搖桿裝置的使用要求、荷載、結(jié)構(gòu)型式及優(yōu)化設(shè)計進行了一些探討。

2 座板結(jié)構(gòu)形式的選擇

圖1 大跨度平面閘門水平變形趨勢圖

座板的主要作用是將門葉上的荷載通過搖桿、滾輪傳遞到軌道上(圖2)。

根據(jù)座板與門葉邊梁之間結(jié)構(gòu)和連接方式的不同，分別設(shè)計了4種方案進行優(yōu)化比較，具體為：“槽嵌入—螺栓連接”、“槽嵌入—焊接連接”、“平面配合—螺栓連接”及“平面—焊接連接”等四種形式(圖3)，各種形式具體的優(yōu)缺點比較見表1。

經(jīng)分析比較得知：“槽嵌入—螺栓連接”座板承載能力、制造工藝性及不銹鋼用量等方面具有優(yōu)勢，方案合理，技術(shù)經(jīng)濟性好。

3 搖桿裝置的優(yōu)化計算

3.1 載荷分析

圖2 座板受力示意圖

圖3 座板結(jié)構(gòu)示意圖

表1 座板與門葉邊梁連接方式比較表

水壓力通過邊梁傳遞到座板，由座板內(nèi)弧線接觸傳遞給搖桿，搖桿軌面通過接觸傳遞給滾輪，再由滾輪載荷作用于閘門埋件。搖桿裝置的設(shè)計主要應(yīng)考慮座板與搖桿之間、搖桿與滾輪之間的接觸應(yīng)力及結(jié)構(gòu)布置需要，即以接觸強度計算為主，結(jié)構(gòu)分析為輔。具體情況以應(yīng)用在巴基斯坦水利灌溉工程中的一種大跨度平面滾輪門(孔口寬度：18 288 mm，擋水水頭：5 121 mm)為例進行分析計算。

座板內(nèi)弧與外弧搖桿之間為線接觸，搖桿軌面與滾輪之間亦為線接觸，兩條接觸線呈空間90°關(guān)系。按赫茲公式計算時，座板內(nèi)弧與外弧搖桿接觸長度按3倍搖桿簡化考慮(參見《水利水電工程啟閉機設(shè)計規(guī)范》)。滾輪間距較近時，對其相互影響程度量化較為困難。此外，搖桿為T形狀，軌道板剛度(由厚度尺寸決定)和滾輪支承點相互的影響按現(xiàn)有假設(shè)條件存在計算誤差。為此，在赫茲公式計算的基礎(chǔ)上，采用有限元對搖桿進行進一步的分析優(yōu)化。

計算荷載考慮的因素有：閘門最高水位水壓、泥沙淤積荷載、地震荷載，其中泥沙淤積荷載集中在閘門底部。滾輪按輪壓相同的原則布置，因結(jié)構(gòu)限制最底部的滾輪輪壓最大?？紤]到多滾輪受載不均勻問題，計算時輪壓不均勻系數(shù)值取為1.2，具體輪壓分布情況見圖4，最大滾輪輪壓為105.5 kN。

3.2 接觸應(yīng)力計算

根據(jù)與閘門及門槽的配合結(jié)構(gòu)需要，初步搖桿裝置及滾輪裝置的主要尺寸確定情況見圖5。

圖4 搖桿、滾輪裝置受力示意圖

圖5 初步選定的搖桿、滾輪裝置結(jié)構(gòu)圖

(1)搖桿平面與滾輪之間為線接觸，其接觸應(yīng)力按赫茲公式計算。

=628.5(MPa)≤3σs=3×345=1 035(MPa)

符合相關(guān)要求。

式中 σ為赫茲應(yīng)力，MPa；P為滾輪荷載，P=Pmax=105.5 kN；E為彈性模量,E=2.1×105MPa；B為軌道寬度,B=140 mm；R為滾子半徑,R=70 mm；σs為材料屈服強度，σs=345 MPa。

(2)搖桿外弧與座板內(nèi)弧之間為線接觸，其接觸應(yīng)力計算見圖6。

圖6 搖桿外弧與座板內(nèi)弧接觸示意圖

= 829.6(MPa)≤3σs=3×345=1 035(MPa)

符合要求。

式中B’為有效計算長度,B’=225 mm；R’為滾子半徑,R’=25 mm。

鑒于上述計算無法充分反映局部變形對接觸應(yīng)力的影響，待初步計算和結(jié)構(gòu)配合確認(rèn)基本滿足要求后，通過有限元分析獲得詳細的局部應(yīng)力，并對搖桿裝置進行了優(yōu)化設(shè)計。

3.3 有限元分析優(yōu)化設(shè)計

采用三維實體建模，采用有限元對搖桿裝置進行了優(yōu)化計算。

3.3.1 有限元模型及邊界條件

按照工作工況進行三維實體建模(圖7)，滾輪直接作用在搖桿軌道面上，搖桿通過弧形面作用在座板上，尺寸、材料與初步設(shè)計一致。

圖7 搖桿、座板三維模型圖

分析的重點位置：滾輪與搖桿軌道的接觸部位、搖桿與座板的接觸部位、搖桿的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及兩個間距較近的滾輪對搖桿應(yīng)力的相互影響。根據(jù)圣維南原理，對遠離接觸位置的細節(jié)可以忽略。

裝配關(guān)系：座板固定在閘門邊梁上；搖桿與座板弧面線接觸；滾輪與搖桿面線接觸。

約束：閘門邊梁固定。

加載：按滾輪與搖桿線接觸考慮，在搖桿中部一條線上加載最大滾輪輪壓105.5 kN。

3.3.2 有限元計算分析及優(yōu)化

根據(jù)三維模型，按實體網(wǎng)格進行劃分，生成以六面體為主導(dǎo)的網(wǎng)格，必要時會有三棱柱、金字塔、四面體單元作為過渡。

對搖桿與座板接觸的弧面處、滾輪與搖桿線接觸處均進行網(wǎng)格細化處理，以保證計算結(jié)果的精確性(圖8)。

圖8 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

根據(jù)有限元計算結(jié)果(圖9)得知：搖桿與滾輪接觸處的最大應(yīng)力為643.1 MPa(圖9 (a))，搖桿與座板接觸處的最大應(yīng)力為446 MPa(圖9 (b))，搖桿整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力(最大應(yīng)力處位于搖桿T型結(jié)構(gòu)的翼緣)為107 MPa(見圖9 (c))，座板與搖桿接觸處的最大應(yīng)力為583.4 MPa(圖9 (d))。

圖9 有限元計算結(jié)果圖

經(jīng)有限元分析后最終確定的搖桿裝置及滾輪裝置的主要尺寸見圖10。

圖10 最終搖桿、滾輪裝置結(jié)構(gòu)圖

主要計算優(yōu)化體現(xiàn)在：

(1)搖桿T型結(jié)構(gòu)翼板和腹板、搖桿與座板接觸的弧面優(yōu)化。

搖桿T型結(jié)構(gòu)翼板厚度由25 mm減小到20 mm，腹板高度由50 mm減小到38 mm、厚度由50 mm減小到40 mm；搖桿與座板的接觸弧面由R25 mm變?yōu)镽40 mm。

(2)座板及座板與搖桿接觸的弧面優(yōu)化。

座板寬度由120 mm減小到100 mm，厚度由20 mm變?yōu)?2 mm；座板與搖桿的接觸弧面由R30 mm變?yōu)镽50 mm。

有限元計算能充分反映出搖桿T型結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)力以及搖桿與座板接觸弧面的接觸應(yīng)力。優(yōu)化后，搖桿裝置的重量減少約23%，不銹鋼用量明顯減小。

4 結(jié) 語

通過分析比較后取得了以下結(jié)果：(1)確定了工藝性和材料消耗少的搖桿座板結(jié)構(gòu)型式；(2)由計算得到搖桿應(yīng)力分布狀態(tài)，搖桿軌面部分的接觸應(yīng)力為200～650 MPa，從圖9中可以看到最大應(yīng)力處于搖桿軌面中心。將有限元分析和傳統(tǒng)計算結(jié)果相比較后可以看出：搖桿平面與滾輪之間的接觸應(yīng)力相差不大；(3)由計算得到座板凹弧面與搖桿凸弧面應(yīng)力分布狀態(tài)，搖桿凸弧部分的接觸應(yīng)力為180～450 MPa。從圖9中可以看到：最大應(yīng)力位于搖桿凸弧面與座板凹弧面接觸位置，搖桿外弧與座板內(nèi)弧之間的接觸應(yīng)力手工計算值有一定偏差，但均小于接觸許用應(yīng)力值。通過計算發(fā)現(xiàn)：改變座板凹弧面與搖桿凸弧面的半徑，其相應(yīng)的接觸應(yīng)力有較大改變，遂通過參數(shù)調(diào)整進行了優(yōu)化；(4)搖桿整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力為：最大應(yīng)力處在搖桿T型結(jié)構(gòu)的翼緣，為107 MPa，鑒于傳統(tǒng)計算無法確定翼板應(yīng)力的分布及具體數(shù)值，對T型板與滾輪的寬度和厚度尺寸優(yōu)化不利，而基于有限元分析計算進行的優(yōu)化設(shè)計效果明顯；(5)間距較小的兩個滾輪對搖桿的應(yīng)力影響較小。結(jié)構(gòu)可以滿足搖桿擺動的要求，設(shè)計強度符合要求。

參考資料：

[1] 水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范，SL74-2013[S].

[2] 水利水電工程啟閉機設(shè)計規(guī)范，DL/T5167-2002[S].

TV7;TV547

B

1001-2184(2017)06-0028-05

四川省科技廳專項基金資助項目(編號：2015GZ0032)。

2017-10-18

曾 文(1963-)，男，四川南溪人，教授級高級工程師，碩士，從事水工機械設(shè)備及金屬構(gòu)件的生產(chǎn)技術(shù)和管理工作；

范如谷(1982-)，男，四川金堂人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程啟閉設(shè)備設(shè)計工作；

楊 芳(1972-)，女，貴州施秉人，高級工程師，學(xué)士，從事水利水電工程啟閉設(shè)備和金屬構(gòu)件設(shè)計工作；

李春蛟(1971-)，男，四川夾江人，助理工程師，從事水工機械設(shè)備及金屬構(gòu)件生產(chǎn)和安裝工作.

李燕輝)

向家壩電站累計發(fā)電超1 350億千瓦時

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