趙 成，丁魯川，趙春龍，高 楊，李 崗

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065；2.四川岷江港航電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 樂山 614400)

0 前 言

門式啟閉機(jī)是水電站重要的起重設(shè)備，位于電站進(jìn)水口壩頂、泄洪閘壩頂和尾水平臺處，采用起升機(jī)構(gòu)啟閉鋼閘門、攔污柵等重型水利設(shè)備[1-2]。門式啟閉機(jī)按有無小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)分為單向門式啟閉機(jī)與雙向門式啟閉機(jī)。本文主要以雙向門式啟閉機(jī)為分析對象，其主要由起升機(jī)構(gòu)、小車架、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、門架、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)吊結(jié)構(gòu)、電氣設(shè)備和控制設(shè)備等組成。雙向門式啟閉機(jī)小車和大車具有雙向運(yùn)動自由度，主鉤所受荷載由小車起升機(jī)構(gòu)傳遞至小車架結(jié)構(gòu)，通過小車輪和軌道作用在門架頂部，再經(jīng)大車車輪將全部荷載傳遞至壩體；回轉(zhuǎn)吊所受荷載由回轉(zhuǎn)臂架傳遞至門架結(jié)構(gòu)。上述3種結(jié)構(gòu)體系需要聯(lián)合承載，且存在多種極限位置、工況和荷載組合，門架和小車架的受力和變形將會影響起升機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)和閘門啟閉運(yùn)行安全。壩頂雙向門式啟閉機(jī)還受暴風(fēng)荷載、水平行走和地震慣性力影響，對于帶回轉(zhuǎn)吊的雙向門式啟閉機(jī)，還受較大懸臂起吊荷載，因此，雙向門式啟閉機(jī)的抗傾覆穩(wěn)定性關(guān)系到整個電站的運(yùn)行安全。

小車架和門架作為主要的承載結(jié)構(gòu)件，常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算一般根據(jù)規(guī)范[3-4]及經(jīng)驗(yàn)，而啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)又非標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時需要綜合考慮不同工況下的荷載組合對結(jié)構(gòu)的影響，安全系數(shù)通常取值比較大，且不能明確各工況下結(jié)構(gòu)件受力狀況。為確保其安全運(yùn)行，現(xiàn)代基本采用有限元分析法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算[5]。本文以某水電站壩頂1600 kN-78 m/320 kN-34 m雙向門式啟閉機(jī)為例，利用ANSYS有限元軟件對小車架和門架在各工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，并根據(jù)結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

雙向門式啟閉機(jī)(圖1)主要技術(shù)參數(shù)：主起升荷載為1 600 kN，揚(yáng)程(軌上/總)11 m/78 m，小車起升速度2.5(滿載)/5.0(空載)m/min，小車運(yùn)行速度0.5～5 m/min；回轉(zhuǎn)吊起升載荷為320 kN，揚(yáng)程(軌上/總)12/34 m，起升速度2.5(滿載)/5.0(空載)m/min；門架主梁長度8 m，大車軌距8 m，小車軌距4.03 m，大車運(yùn)行速度2～20 m/min。小車運(yùn)行至上、下游側(cè)極限時，主鉤中心線距上、下游側(cè)軌道中心線距離為2.5 m，回轉(zhuǎn)吊運(yùn)行位置見圖2。門架結(jié)構(gòu)材料為Q355C，取彈性模量E=2.06 E+11Pa，泊松比σ=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3，屈服極限σs=220 MPa。

圖1 雙向門式啟閉機(jī)圖 單位：mm

圖2 回轉(zhuǎn)吊工作位置圖 單位：mm

2 主要載荷及工況

2.1 小車架載荷及工況

啟閉機(jī)正常運(yùn)行狀況下，小車架結(jié)構(gòu)受力荷載分為2類[3-4]，即第1類荷載組合、第2類荷載組合。本文小車架受力有限元計(jì)算有2種工況。工況1：起升荷載+起升機(jī)構(gòu)荷載+風(fēng)荷載；工況2：起升機(jī)構(gòu)荷載+風(fēng)荷載。計(jì)算后的鋼絲繩拉力作為起升載荷具體體現(xiàn)，鋼絲繩拉力及設(shè)備的重量按起升機(jī)構(gòu)布置加載至小車架相應(yīng)位置。小車架受力情況見圖3。

圖3 小車架施加荷載示意圖

2.2 門架載荷及工況

按啟閉機(jī)運(yùn)行要求，主起升機(jī)構(gòu)與回轉(zhuǎn)吊起升機(jī)構(gòu)二者只能單獨(dú)工作。主起升機(jī)構(gòu)與大、小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)不同時工作。大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)吊起升機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)吊回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)3者中任何2種可同時工作。結(jié)構(gòu)分為2類荷載組合進(jìn)行計(jì)算，即第1類荷載組合驗(yàn)算和第2類荷載組合驗(yàn)算，并對門架在回轉(zhuǎn)吊工作時的抗傾覆能力驗(yàn)算，組合主起升及回轉(zhuǎn)吊工作情況總共14種工況，見表1。

表1 計(jì)算工況表

表1中風(fēng)荷載計(jì)算分為250 N/m2工作狀態(tài)風(fēng)壓和600 N/m2非工作狀態(tài)風(fēng)壓。將小車架迎風(fēng)面風(fēng)荷載加載到門架頂部軌道小車輪壓處，門架迎風(fēng)面按最不利因素考慮，風(fēng)荷載垂直門架軌道施加，根據(jù)規(guī)范要求，箱型門架結(jié)構(gòu)，取1.3的風(fēng)荷載體型系數(shù)，門架第2排迎風(fēng)面乘以0.5的擋風(fēng)系數(shù)。大車運(yùn)行速度行走慣性加速度方向平行于軌道，取0.098 m/s2，重力加速度g取10 m/s2，地震加速度取0.27g。

3 有限元結(jié)構(gòu)模型建立

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)贏NSYS軟件中建立小車架及門架三維模型。為計(jì)算準(zhǔn)確、快速，對三維模型結(jié)構(gòu)作一定的簡化處理，將梯子、欄桿及平臺的重量均布到其所作用的結(jié)構(gòu)之中[96]。在有限元軟件中選用殼單元SHELL181來保證小車架及門架主要構(gòu)件三維模型與結(jié)構(gòu)原型的整體剛度一致[7]，門架結(jié)構(gòu)件單元控制為150 mm×150 mm四邊形網(wǎng)格，小車架結(jié)構(gòu)件單元劃分為80 mm×80 mm四邊形網(wǎng)格。選用beam188梁單元模擬簡化為梁系結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)吊臂架。三維模型共分為88 117個單元，85 415個節(jié)點(diǎn)。小車架和門架有限元模型統(tǒng)計(jì)重量為115 t?？紤]模型簡化后自重對輪壓的影響，計(jì)算中乘以門架簡化的自重補(bǔ)償系數(shù)kg(根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙重量反算得到)。

幾何模型采用采笛卡兒坐標(biāo)系，垂直水流方向?yàn)閄軸，指向左岸；豎直方向?yàn)閅軸，向上為正；順?biāo)鞣较驗(yàn)閆軸，指向下游。

門架行走梁與臺車架支撐座連接部位施加3個方向平移自由度約束。門架與小車架整體建模，支承部位即小車行走部位與小車軌道節(jié)點(diǎn)自由度耦合，這樣可以模擬小車架荷載向門架傳遞。小車架及門架空間幾何有限元模型如圖4所示。

圖4 小車架及門架空間幾何有限元模型圖

4 結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果中，最大豎向位移為整體坐標(biāo)下結(jié)構(gòu)的最大絕對位移，最大應(yīng)力為結(jié)構(gòu)最大Von-mises等效應(yīng)力。剛度校核時，構(gòu)件撓度值計(jì)算需將絕對位移值轉(zhuǎn)化為各梁相對支座變形的位移值。

4.1 小車架計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算得出兩工況下小車架應(yīng)力和位移結(jié)果，由圖5可知，在額定載荷下小車架結(jié)構(gòu)中定滑輪支座梁產(chǎn)生最大豎向位移，位移量為4.1 mm，小車架行走梁豎向位移量為2.6 mm，行走梁端部豎向位移量為2.2 mm。行走梁垂直撓度y行=2.6 mm-2.2 mm=0.4 mm<3600/2000=1.8，滿足剛度要求；定滑輪支座梁垂直撓度y定=4.1 mm-2.6 mm=1.5 mm<4030/2000=2.02，滿足剛度要求。小車架整體最大等效應(yīng)力值103 MPa(工況1)，主要集中在P3(圖3)支座梁處及P4定滑輪梁處，等效應(yīng)力值小于220 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

圖5 小車架工況1計(jì)算結(jié)果圖 單位：位移，mm;應(yīng)力，MPa

圖5顯示額定荷載下小車架除過局部有集中應(yīng)力外，整體結(jié)構(gòu)剛度及強(qiáng)度均滿足要求。對于部分應(yīng)力集中處，設(shè)計(jì)中增加貼板或肋板，降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

4.2 門架計(jì)算結(jié)果分析

(1) 計(jì)算結(jié)果表

經(jīng)計(jì)算得出各工況下門機(jī)應(yīng)力和位移結(jié)果，以及大車輪組各工況位置支反力結(jié)果。

表2 門架計(jì)算結(jié)果表

表3 大車輪組各工況位置支反力計(jì)算結(jié)果表

(2) 工況2下門架應(yīng)力結(jié)果

工況2下，主起升載荷對門架影響最為突出，在此附圖，其它工況不在此單獨(dú)列舉，從計(jì)算結(jié)果得出門架最大位移發(fā)生在主梁小車架輪壓位置，在主梁內(nèi)增加縱向長筋板及橫向小筋板降低應(yīng)力集中。雙向門式啟閉機(jī)中行走梁及中橫梁應(yīng)力較小，設(shè)計(jì)時應(yīng)用適當(dāng)厚度的板材。

(3) 剛度校核

額定荷載作用下，門架主梁跨中的垂直撓度f1=2.6 mm<[f]=L/800=8000/800=10 mm(工況2：小車跨中起升額定載荷)，滿足規(guī)范要求。

(4) 強(qiáng)度校核

額定荷載作用下，門架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度σ=128 MPa<[σ]=220 MPa(工況1：小車上游極限位起升額定荷載),滿足規(guī)范要求。

回轉(zhuǎn)吊工作狀態(tài)下，門架結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)吊上、下支承梁出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，與結(jié)構(gòu)模型簡化有關(guān)，峰值應(yīng)力結(jié)果不作參考。

(5) 抗傾覆穩(wěn)定性校核

抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算分暴風(fēng)侵襲下的整機(jī)非工作狀態(tài)及回轉(zhuǎn)吊工作狀態(tài)2種工況。計(jì)算中考慮各類載荷對啟閉機(jī)穩(wěn)定性影響程度，對各荷載力矩分別乘以荷載系數(shù)，整機(jī)非工作狀態(tài)暴風(fēng)侵襲下風(fēng)荷載乘1.15倍系數(shù)，無風(fēng)靜載工況外荷載乘1.4倍系數(shù)，有風(fēng)動荷載工況外荷載乘1.2倍系數(shù)[8-9]；回轉(zhuǎn)吊工作時，小車位于上游極限位置。

抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果顯示，主起升機(jī)工作狀態(tài)下，各工況中門腿支座反力均為正，雙向門式啟閉機(jī)不會出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象。暴風(fēng)侵襲下以及地震工況下的非工作狀態(tài)，門腿支座反力均為正，雙向門式啟閉機(jī)不會出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象?；剞D(zhuǎn)吊工作狀態(tài)下，工況6(回轉(zhuǎn)角度位于0°位置)和工況9(回轉(zhuǎn)角度位于90°位置)，且小車此時均位于上游極限位置，下游右岸側(cè)門腿位置分別出現(xiàn)負(fù)的支座反力-16 kN、-39 kN。門架優(yōu)化設(shè)計(jì)，即對該門腿側(cè)行走梁配重，最大配重量10 t，配重后該啟閉機(jī)不會出現(xiàn)傾覆現(xiàn)象。

圖6 門架工況2計(jì)算結(jié)果圖 單位：位移，mm;應(yīng)力，MPa

5 結(jié) 論

(1) 運(yùn)用有限元軟件ANSYS，對某壩頂雙向門式啟閉機(jī)小車架、門架結(jié)構(gòu)，按實(shí)際多種運(yùn)行工況進(jìn)行了動態(tài)、靜態(tài)分析計(jì)算，得到應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，根據(jù)啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范校核了小車架和門架強(qiáng)度及剛度，均滿足設(shè)計(jì)要求。

(2) 小車架行走梁部分結(jié)構(gòu)及門架主梁上翼緣小車輪壓處有應(yīng)力集中，對此處增加筋板，調(diào)整筋板間距等方式降低應(yīng)力。

(3) 雙向門式啟閉機(jī)整體結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性校核中，2種工況下門腿出現(xiàn)負(fù)向力，通過對下游右岸側(cè)行走梁增加配重，消除了負(fù)向支座反力。

有限元分析為雙向門式啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一個直觀的、現(xiàn)代化的校核手段，同時根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變圖，可以準(zhǔn)確的找到結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中點(diǎn)及最大變形位置，為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了可靠的理論依據(jù)。