劉明維，徐光亮*，吳林鍵，趙殿鵬，李明龍

(1.國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶交通大學(xué)，重慶 400074；2.水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶交通大學(xué)，重慶 400074；3.浙江省交通工程管理中心，杭州 311215)

支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在閘門運(yùn)行過程中發(fā)揮著重要作用，主要包括頂樞、底樞以及蘑菇頭等部位。在實(shí)際的運(yùn)行過程中，常會(huì)出現(xiàn)頂樞軸面和底樞蘑菇頭磨損、底樞潤(rùn)滑不良、蘑菇軸頭發(fā)生位移等運(yùn)行故障，進(jìn)而導(dǎo)致閘門卡阻問題[1]，影響船閘的通航。由于支承運(yùn)轉(zhuǎn)件部分處于水下的復(fù)雜環(huán)境，不便于直接檢測(cè)，研究在運(yùn)行狀態(tài)下閘門及支承運(yùn)轉(zhuǎn)件敏感區(qū)的應(yīng)力關(guān)系對(duì)于支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的受力特征判斷具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于閘門及支承運(yùn)轉(zhuǎn)件受荷響應(yīng)問題進(jìn)行了相應(yīng)研究。王鑫等[2]以實(shí)際船閘工程為基礎(chǔ)，建立船閘輸水系統(tǒng)整體模型，結(jié)合船閘門葉、支承運(yùn)轉(zhuǎn)件等結(jié)構(gòu)的布置和系統(tǒng)的水力特性，研究中水頭閘底長(zhǎng)廊道側(cè)支孔船閘輸水系統(tǒng)優(yōu)化布置方案；陳一梅等[3]運(yùn)用底樞摩擦副磨損試驗(yàn)以及實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，分別建立了底樞運(yùn)行可靠性特征量的計(jì)算模型，提出了基于威布爾分布的底樞可靠性指標(biāo)計(jì)算方法；葉雅思等[4]針對(duì)大源渡二線船閘人字門的背拉桿施加預(yù)應(yīng)力和振動(dòng)問題進(jìn)行了三維有限元數(shù)值計(jì)算；李然[5]通過采集閘門關(guān)鍵部位的振動(dòng)信號(hào),分析其故障特征信號(hào)的特點(diǎn),提出閘門頂樞狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷方法；趙新澤等[6]利用ANSYS Workbench對(duì)閘門底樞的接觸應(yīng)力進(jìn)行仿真計(jì)算，獲取了軸瓦襯套、蘑菇頭不同部位接觸應(yīng)力大小、位置、分布計(jì)算結(jié)果；周紫嫣等[7]對(duì)受閘門自重和外載荷時(shí)的接觸應(yīng)力計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)，再利用ANSYS軟件對(duì)閘門底樞蘑菇頭受自重和外荷載時(shí)的接觸應(yīng)力分布進(jìn)行有限元分析，將理論計(jì)算結(jié)果和有限元結(jié)果進(jìn)行比較。Singh等[8]通過數(shù)值模擬方法分析閘門的受力狀態(tài)，計(jì)算了不同流體域?qū)﹂l門固有頻率的影響；Giorgio[9]、Palanisamy[10]、Ashraf[11]、Bocchetti[12]、Dasic[13]、Bocchetti[14]等人將回歸分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、風(fēng)險(xiǎn)分析等技術(shù)應(yīng)用于磨損失效設(shè)備的可靠性研究中，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立底樞磨損的可靠性模型進(jìn)而對(duì)設(shè)備的磨損趨勢(shì)和壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)船閘閘門及支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的受荷響應(yīng)問題開展了相應(yīng)的研究工作。然而，已有研究大都只針對(duì)于閘門門葉或支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的局部位置開展工作，閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，在對(duì)其受荷響應(yīng)分析的過程中應(yīng)把它們作為一個(gè)整體系統(tǒng)來進(jìn)行研究，但與之相關(guān)的內(nèi)容暫未在已有文獻(xiàn)中被提到。此外，在船閘運(yùn)行過程中，閘門門葉上的狀態(tài)參數(shù)容易獲得，但其底樞及蘑菇頭等部件常處于復(fù)雜的水下環(huán)境，其狀態(tài)參數(shù)難以獲取，能否通過閘門門葉的受力響應(yīng)特征來間接評(píng)估頂樞、底樞、蘑菇頭等支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的運(yùn)行狀態(tài)，這個(gè)問題在已有文獻(xiàn)中未被涉及，值得深入研究。

針對(duì)以上問題，本文基于有限元數(shù)值模擬方法，通過建立船閘閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的三維整體模型，研究其敏感區(qū)域在不同水位、不同閘門開度下的應(yīng)力響應(yīng)。根據(jù)門葉及支承運(yùn)轉(zhuǎn)件敏感區(qū)的應(yīng)力響應(yīng)參數(shù)，建立閘門門葉和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在不同工況下敏感區(qū)之間的應(yīng)力響應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)由閘門門葉的受力情況來間接判別支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的運(yùn)行狀態(tài)的目的，為閘門及支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的智能監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警提供了技術(shù)支撐。

1 船閘閘門概況

某船閘采用主橫梁式平面人字閘門，單扇門葉尺寸(寬×高×厚)為20.2 m×23 m×3 m，雙扇門重量(含門上附件加埋件)為1 210 t，共有15根主橫梁；門軸柱和斜接柱截面形式采用開口式，門背后設(shè)有4根背拉桿，背拉桿截面尺寸為300 mm×40 mm。下閘首閘門的門檻高程是294.56 m(黃海高程)，上游的最高通航水位308.78 m，下游最低通航水位299.06 m，整體設(shè)計(jì)水位差9.72 m。頂樞軸直徑0.28 m，A、B桿兩端的直徑為0.5 m，底樞蘑菇頭的直徑為0.9 m，襯套直徑1.8 m。

2 船閘閘門及支承運(yùn)轉(zhuǎn)件三維模型

2.1 模型建立

根據(jù)上述船閘工程下閘首閘門的實(shí)際尺寸，建立閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的三維模型，如圖1所示。

圖1 閘門模型Fig.1 Gate model

2.2 模型參數(shù)和計(jì)算工況

船閘閘門所用材料主要包含4類：頂樞結(jié)構(gòu)采用45#鍛鋼(包括頂樞軸)，閘門門葉采用常規(guī)的材料Q235B鋼，底樞的軸瓦采用錫青銅(ZQSN6-6-3)，底樞半球形蘑菇頭采用40Cr鋼，各材料參數(shù)詳見表1。在進(jìn)行不同工況下的數(shù)值計(jì)算時(shí)，假設(shè)閘門門葉以及支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的變形均在線彈性范圍內(nèi)，即計(jì)算采用“各項(xiàng)同性彈性模型(Isotropic Elastic)”本構(gòu)模型。

表1 閘門各部件的材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of gate components

如圖2所示，為了合理地模擬閘門的受力響應(yīng)特性，根據(jù)閘門上下游的通航水位差，閘室水位差擬定為10 m，距離門檻4.5 m處為下游通航水位，擬定此處的相對(duì)水位為H=0 m，以0.5 m的水位增量累增至10 m，水位的工況分別為：H= 0 m、0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m、4.5 m、5 m、5.5 m、6 m、6.5 m、7 m、7.5 m、8 m、8.5 m、9 m、9.5 m、10 m；在開啟過程中，閘門繞門軸柱一共要旋轉(zhuǎn)67.5°，在某一水位下，每旋轉(zhuǎn)7.5°便計(jì)算其結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，閘門開度的工況為：θ= 0°、7.5°、15°、22.5°、30°、37.5°、45°、52.5°、60°、67.5°。

2-a 水位 2-b 閘門開度圖2 工況示意圖Fig.2 Schematic diagram of working conditions

2.3 接觸設(shè)置和網(wǎng)格劃分

閘門三維模型接觸分為兩種：Bonded(綁定)和Frictional(摩擦)。頂樞軸面和蘑菇頭面的接觸形式采用Frictional，摩擦系數(shù)均為0.1，其余接觸面均采用Bonded。采用Solid187(四面體單元)實(shí)體單元對(duì)閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單個(gè)網(wǎng)格尺寸邊長(zhǎng)為：門葉結(jié)構(gòu)尺寸為300 mm，其余部分采用100 mm。模型的接觸設(shè)置及網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 接觸和網(wǎng)格劃分Fig.3 Contact and mesh division

表2 約束情況表Tab.2 Constraint conditions

2.4 約束與載荷

模型中的底樞、頂樞均采用固定式，即固定在基座上，沒有轉(zhuǎn)動(dòng)和平動(dòng)。閘門在灌泄水過程中有水位的變化，閘門靜止不動(dòng)，限制蘑菇頭底面、頂樞兩個(gè)端面以及門中縫X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度，以及繞X、Y、Z轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；當(dāng)閘門在啟閉時(shí)，限制蘑菇頭底面、頂樞兩個(gè)端面的六個(gè)自由度。施加的荷載為靜水流體荷載和自重，流體荷載施加在模型與水接觸的結(jié)構(gòu)面上，詳見圖4-a、4-b；重力加速度采用ANSYS Workbench默認(rèn)值，詳見圖4-c。

2.5 簡(jiǎn)化力學(xué)模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的精度，將閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成桿系結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)基本理論對(duì)簡(jiǎn)化的桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解。

簡(jiǎn)化模型圖5所示，作用在閘門門葉上有兩個(gè)荷載，分別是門葉自重和靜水壓力。將自重簡(jiǎn)化到門軸柱的中心上，產(chǎn)生一個(gè)集中力G和一個(gè)彎矩MG；將靜水壓力簡(jiǎn)化到門軸柱處同樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)集中力F水和一個(gè)彎矩M水。通過理論計(jì)算，左、右支座反力均為15 797.3 kN，有限元數(shù)值計(jì)算左支座的反力為14 484.5 kN，右支座的反力為17 293.2 kN。二者支座反力的相對(duì)誤差分別為9%和9.5%，且方向相同，驗(yàn)證了基于有限元數(shù)值仿真方法計(jì)算結(jié)果的正確性。

3 結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力云圖

通有限元數(shù)值仿真計(jì)算，分別得到在不同水位、不同閘門開度下的閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的應(yīng)力響應(yīng)云圖，如圖6～圖9所示。

由圖6可知：在灌泄水水位為10 m時(shí)，門葉上最大應(yīng)力處位于門葉面板的右下靠近底樞結(jié)構(gòu)的位置，且隨著水位的增大而增大，位置幾乎不發(fā)生移動(dòng)；主橫梁中應(yīng)力最大的是位于底部的底橫梁，應(yīng)力敏感區(qū)則主要集中在底橫梁的左側(cè)的上下表面上，其他橫梁應(yīng)力值較大處均在靠近門中縫的右側(cè)上表面處。

在閘門實(shí)際運(yùn)行過程中，頂樞軸、蘑菇頭面的磨損和潤(rùn)滑不良等狀況會(huì)使閘門產(chǎn)生運(yùn)行故障，如圖7～圖9所示。頂樞的敏感區(qū)主要位于軸桿的表面下段，底樞蘑菇頭面敏感區(qū)是球心到邊緣中間的小橢球面，底橫梁的敏感區(qū)主要處于上下表面臨近門軸處。頂樞軸面敏感區(qū)的應(yīng)力最大值隨水位的增大而增大，應(yīng)力云圖的顏色逐漸加深；蘑菇頭面敏感區(qū)應(yīng)力值隨閘門開度的變化較小，但應(yīng)力最大值出現(xiàn)的區(qū)域隨閘門開度而發(fā)生改變，且與門葉的旋轉(zhuǎn)方向相同，這和實(shí)際情況相符合；底橫梁敏感區(qū)的位置沒有隨水位的增大而發(fā)生變化，應(yīng)力值隨閘室水位差的增大而增大。下閘門頂樞軸面和蘑菇頭球面應(yīng)力最大值在各工況下分別為21 MPa和95 MPa，均沒有超過最大許用應(yīng)力。

3.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算得到的結(jié)果，對(duì)閘門門葉、頂樞、蘑菇頭上的敏感區(qū)域的應(yīng)力值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建立敏感區(qū)域的結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力平均值、最大值、最小值隨工況條件的變化規(guī)律。

3.2.1 應(yīng)力在灌泄水過程中的變化規(guī)律

從圖10～圖11中可以看出：隨著閘室水位的升高，上閘門的底橫梁應(yīng)力值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，下閘門底橫梁的應(yīng)力值在增加，兩者的最大值、最小值、平均值均呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)；上閘門頂樞的應(yīng)力值隨水位的變化不明顯，應(yīng)力值在43 MPa左右，下閘門頂樞的應(yīng)力值在水位差達(dá)到7 m之前有小幅度的上下波動(dòng)，之后呈現(xiàn)陡升的趨勢(shì)；上、下游的底樞應(yīng)力值變化幅度均不大，下游底樞應(yīng)力的最小值隨著水位差的增加而增大。

綜上所述，閘門頂樞的應(yīng)力值上下游呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)，因?yàn)樵陂l室水位上升過程中，導(dǎo)致上閘門兩側(cè)水位差減小，減小了靜水壓力對(duì)閘門結(jié)構(gòu)變形的影響，而下閘門兩側(cè)的水位差的逐漸增大導(dǎo)致了水流壓力增大，閘門兩側(cè)的應(yīng)力差引起了結(jié)構(gòu)變形的增大；從應(yīng)力的大小來看，上閘門的應(yīng)力水平均要高于下閘門，因?yàn)樯嫌蔚乃桓哂谙掠蔚乃?，水流壓力?duì)結(jié)構(gòu)的影響更大。

3.2.2 應(yīng)力在啟閉過程中的變化規(guī)律

從圖12～13中可以看出：上下閘門底橫梁和頂樞應(yīng)力出現(xiàn)隨閘門開度的增大而減小的趨勢(shì)。在下降過程中，下閘門底橫梁、上閘門頂樞、下閘門頂樞的應(yīng)力分別在37.5°、52.5°、30°的閘門開度處產(chǎn)生了應(yīng)力增大現(xiàn)象；上下閘門的底樞的應(yīng)力在各個(gè)旋轉(zhuǎn)跨度下，保持平穩(wěn)不變的趨勢(shì)。

蘑菇頭是一個(gè)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在閘門開度不斷增大的過程中，閘門兩側(cè)的水壓力相互抵消，蘑菇頭和閘門的幾何中心位置保持不變。因此，蘑菇頭的應(yīng)力數(shù)值幾乎沒有變化；而頂樞和閘門的相對(duì)位置發(fā)生變化，它們的應(yīng)力值隨閘門開度的增大而減小。

3.2.3 閘門門葉和頂樞、底樞之間的應(yīng)力響應(yīng)關(guān)系

不同的水位變化、不同的閘門開度都會(huì)引起閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)的應(yīng)力的變化，通過數(shù)值模擬計(jì)算得到的結(jié)果，可以得到閘門門葉敏感區(qū)的應(yīng)力和頂樞、底樞蘑菇頭敏感區(qū)域的應(yīng)力值之間的在不同工況下的響應(yīng)關(guān)系。

上閘門門葉和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在灌泄水過程中敏感區(qū)的平均應(yīng)力關(guān)系及其擬合函數(shù)如圖14所示。

15-a 門葉-頂樞15-b 門葉-底樞

上閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在水位變化下的平均應(yīng)力關(guān)系公式如下

σ=e4.17-0.024△H+0.000 38△H2

(1)

(2)

上閘門門葉和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在開啟過程中敏感區(qū)的平均應(yīng)力關(guān)系及其擬合函數(shù)如圖15所示。

上閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在啟閉過程中的平均應(yīng)力關(guān)系式如下

(3)

σ=472.76+0.888sin(π(θ+4 065.44))

(4)

下閘門門葉和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在灌泄水過程中敏感區(qū)的平均應(yīng)力關(guān)系及其擬合函數(shù)如圖16所示。

下閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在灌泄水過程中的平均應(yīng)力關(guān)系式如下

(5)

(6)

下游閘門門葉和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在啟閉過程中敏感區(qū)的平均應(yīng)力關(guān)系及其擬合函數(shù)如圖17所示。

下閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在啟閉過程中的平均應(yīng)力關(guān)系式如下

(7)

(8)

4 結(jié)論

(1)本文建立的船閘閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件整體三維模型和簡(jiǎn)化理論模型的支座支反力二者相對(duì)誤差在10%范圍內(nèi)，驗(yàn)證了閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件三維有限元模型的精度。

(2)在實(shí)際的船閘閘門中，上閘門的尺寸一般要小于下閘門的尺寸，本文假設(shè)上下游閘門尺寸一致，模擬其應(yīng)力響應(yīng)特性；由于尺寸一致且上游水位較高，導(dǎo)致了上閘首的應(yīng)力值水平普遍大于下閘門的應(yīng)力值水平。

(3)根據(jù)有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果，確定了閘門和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的敏感區(qū)位置，基于結(jié)構(gòu)敏感區(qū)的應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)值，獲得了閘門及支承運(yùn)轉(zhuǎn)件敏感區(qū)應(yīng)力統(tǒng)計(jì)值隨水位及閘門開度的變化規(guī)律。

(4)建立了上下游閘門在不同工況下的閘門門葉和支承運(yùn)轉(zhuǎn)件在敏感區(qū)內(nèi)應(yīng)力的定量關(guān)系，初步實(shí)現(xiàn)了通過閘門的受荷響應(yīng)應(yīng)力值來間接評(píng)估支承運(yùn)轉(zhuǎn)件受力特征的目標(biāo)，預(yù)判閘門支承運(yùn)轉(zhuǎn)件的運(yùn)行故障。研究成果可為運(yùn)行狀態(tài)下船閘閘門的智能監(jiān)測(cè)、安全預(yù)警等提供技術(shù)支撐。