涂菊初，喬鵬飛，金向杰

（1.中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450000）

平面閘門具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、啟門力小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于中小型引水工程中。平面鋼閘門一般由活動(dòng)的門葉結(jié)構(gòu)、埋件和啟閉設(shè)備等組成。門葉和埋件之間通過(guò)滾輪實(shí)現(xiàn)閘門的升降運(yùn)動(dòng)。如：二灘水電站尾水管閘門[1]，烏東德水電站右岸導(dǎo)流隧洞[2]等。

預(yù)埋件的精度與閘門啟閉性能有直接的聯(lián)系，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)門槽施工及精度進(jìn)行了研究。白潤(rùn)波等[3]針對(duì)水工鋼閘門軌道底板與混凝土基礎(chǔ)間的接觸問(wèn)題，基于三維接觸有限元數(shù)值實(shí)驗(yàn)和物理模型試驗(yàn)綜合分析，探討軌道截面尺寸、砼基礎(chǔ)厚度及砼強(qiáng)度等對(duì)軌道-砼基礎(chǔ)接觸壓應(yīng)力的影響效應(yīng)。韓君格[4]運(yùn)用ANSYS 分析了滑桿折疊式閘門的強(qiáng)度和剛度，并優(yōu)化了閘門的靜動(dòng)力學(xué)特性?；炷梁烷T槽結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，Ong 等[5]采用拉壓桿模型計(jì)算D 區(qū)能滿足工程精度的要求，并能用于任何混凝土結(jié)構(gòu)及荷載情況。白潤(rùn)波等[6]采用理論推導(dǎo)、數(shù)值計(jì)算、有限元求解的方法對(duì)水工鋼閘門軌道縱向應(yīng)力進(jìn)行了研究。研究表明軌道與混凝土基礎(chǔ)的水平摩阻力使軌道底面彎曲應(yīng)力有較大幅度下降，輪軌接觸局部荷載的作用與彎矩的疊加效應(yīng)使軌道頂部橫截面的正應(yīng)力有大幅度提高。

盧新杰等[7]針對(duì)傳統(tǒng)平面門槽在二期混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題提出了一種新的平面閘門門槽埋件支撐裝置及門槽埋件安裝方法，可保證門槽安裝精度的同時(shí)通過(guò)一次性混凝土澆筑即可滿足水工要求，加快了施工進(jìn)度。曹洋[8]提出了水工閘門門槽混凝土與埋件一次施工技術(shù)，即在混凝土澆筑之前安裝門槽埋件，然后焊接門槽埋件成一個(gè)整體，澆筑閘底板和閘墩混凝土，使得閘門槽埋件與閘底板及閘墩混凝土一次澆筑成型，保證了混凝土振搗充分及外觀質(zhì)量。吳維明等[9]針對(duì)大型鋼閘門，提出了閘門門槽安裝方法。

綜上所述，眾多學(xué)者在閘門自身的強(qiáng)度、剛度等方面進(jìn)行了分析和優(yōu)化，在閘門的施工安裝工藝方面也進(jìn)行了針對(duì)性研究，但是對(duì)于閘門安裝精度對(duì)閘門啟閉性能的影響研究較少，本文針對(duì)滇中引水工程楚雄段施工9標(biāo)用鋼平面閘門，分析其安裝精度對(duì)門槽磨損的影響。

1 閘門及提升系統(tǒng)建模

本文中，閘門型式為平面定輪門，結(jié)構(gòu)為3 孔3 扇，尺寸為4 200 mm×6 900 mm，設(shè)計(jì)水頭6.9 m，總水壓力1 024 kN，采用固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操控，啟升速度0.6 m/min，啟升高度13 m，如圖1 所示。

圖1 進(jìn)水口閘門及提升系統(tǒng)

根據(jù)工程實(shí)際，對(duì)閘門預(yù)埋件及門葉進(jìn)行等效簡(jiǎn)化。水流方向取混凝土厚度為800 mm，門槽深度方向取500 mm，其他參數(shù)按工程實(shí)際選取，在SW 中建立單孔模型用于理論推導(dǎo)，如圖2 所示。

圖2 計(jì)算模型

2 門槽磨損分析

門槽在使用中，由于安裝誤差的存在，門槽升降過(guò)程中將加劇磨損。本文根據(jù)假設(shè)安裝變形的極限情況，計(jì)算門槽升降時(shí)，門槽的受力情況，根據(jù)Archard 磨損理論[10]，計(jì)算不同安裝精度時(shí)門槽的磨損量。混凝土和鋼門槽的參數(shù)見(jiàn)表1，水壓和閘門尺寸滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 仿真分析用材料參數(shù)表

在ANSYS 中，仿真計(jì)算得到的變形量如圖3 所示。

圖3 應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述步驟，計(jì)算不同裝配誤差下的閘門應(yīng)力大小，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同裝配誤差時(shí)的應(yīng)力大小

磨損量的計(jì)算，通過(guò)阿查得模型得到。阿查得模型的計(jì)算公式如下：

式中：V 為磨損量，P 為法向壓力，L 為相對(duì)距離，H 為硬度，本文中取HB140，K 為磨損因子，本文中取2×10-5。

磨損量、法向壓力和距離的微分表達(dá)式為：

dV=dhdA，

dP=σdA，

式中：h 為磨損深度，A 為接觸面積。σ 由上述仿真分析得到。

根據(jù)表2 的應(yīng)力大小，按啟閉1 000 次，每次13 m行程計(jì)算，得到最大磨損量，見(jiàn)表3。

表3 不同裝配誤差時(shí)的磨損量大小

3 結(jié)論

本文通過(guò)SW 和ANSYS 軟件，建立了簡(jiǎn)化的鋼平面閘門模型，利用理論推導(dǎo)和有限元計(jì)算，分析了門槽在不同安裝精度下的受力情況及磨損大小。根據(jù)計(jì)算得到，在不同安裝誤差時(shí)，閘門啟閉1 000 次門槽預(yù)埋件最大的磨損量。本文的計(jì)算結(jié)果可以為閘門施工提供一定的理論依據(jù)。