◎ 斯哲銳 江西省信江船閘通航中心

閘門啟閉機(jī)是航運(yùn)樞紐工程的重要組成部分，其性能直接影響船閘的運(yùn)行，為保證航運(yùn)環(huán)境的安全性，啟閉機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化成為行業(yè)重點(diǎn)研究內(nèi)容。因此相關(guān)人員應(yīng)重視船閘閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)先進(jìn)啟閉機(jī)設(shè)計(jì)理念，結(jié)合航運(yùn)樞紐工程建設(shè)需要，不斷調(diào)整船閘閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)方案，使啟閉機(jī)的性能達(dá)到工程標(biāo)準(zhǔn)，為航運(yùn)營造安全的運(yùn)行環(huán)境。

1.門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

1.1 閘門啟閉機(jī)性能

為保證閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員需了解航運(yùn)樞紐工程的真實(shí)情況，分析該工程對閘門啟閉機(jī)的性能需求，明確設(shè)計(jì)閘門啟閉機(jī)應(yīng)達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)，以便后續(xù)設(shè)計(jì)工作的順利開展。第一，確認(rèn)閘門啟閉機(jī)的組成，包括小車、門架、大車等多種裝置組成，安裝位置為閘槽，據(jù)此設(shè)計(jì)船閘閘門啟閉機(jī)的門框結(jié)構(gòu)。第二，合理設(shè)置閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)門機(jī)的技術(shù)參數(shù)，合理設(shè)計(jì)門架的規(guī)格，保證閘門啟閉機(jī)與閘框的距離小于0.3毫米。

以江西信江內(nèi)河某航運(yùn)樞紐工程為例，為保證閘門啟閉機(jī)在工程中發(fā)揮應(yīng)有作用，設(shè)計(jì)人員深入研究工程的運(yùn)行特點(diǎn)，據(jù)此制定閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)方案驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，江西內(nèi)河部分船閘閘門規(guī)格如表1所示。按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的船閘閘門門架更符合樞紐工程的運(yùn)行需要，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范為啟閉機(jī)選擇性能合適的零件，啟閉機(jī)設(shè)計(jì)難度顯著下降，設(shè)計(jì)人員的工作效率提升，設(shè)計(jì)方案實(shí)施后可使啟閉機(jī)在航運(yùn)樞紐工程中發(fā)揮應(yīng)有作用。

表1 江西信江段內(nèi)河航運(yùn)樞紐工程船閘規(guī)格

1.2 強(qiáng)度與剛度評判

強(qiáng)度及剛度檢測是門架設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算門架強(qiáng)度與剛度時(shí)，應(yīng)合理選擇計(jì)算方式，并檢驗(yàn)計(jì)算所用信息來源的可信性，保證設(shè)計(jì)方案實(shí)施的安全性。通常情況下，門架強(qiáng)度與剛度計(jì)算選用線性彈性模型，計(jì)算跨中最大垂直靜撓度，如啟閉機(jī)工作級別為中，設(shè)計(jì)門架的垂直靜撓度不可超過門機(jī)或小車跨度1/800，如小車所處位置為懸臂，且該位置為有效工作位，則要求該位置最大撓度低于門機(jī)或小車跨度1/350，不超過該標(biāo)準(zhǔn)即代表設(shè)計(jì)方案中門架強(qiáng)度與剛度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)方案具有實(shí)際可行性，可用于樞紐工程。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，如在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)門架最大撓度未達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，可采取縮短主梁長度、改變門架材料與增大主梁橫截面等方式減小最大撓度，優(yōu)化啟閉機(jī)門架設(shè)計(jì)方案，使其達(dá)到工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[1]。

以信江內(nèi)河某工程為例，設(shè)計(jì)人員依據(jù)該工程的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)工程啟閉機(jī)門架主梁為71米，并采用分節(jié)制造法，將主梁設(shè)計(jì)為3段，其中最長的一段長度設(shè)置為24米，并規(guī)定主梁各段的連接方式為高強(qiáng)螺栓。該工程門架設(shè)計(jì)使用材料為Q345B，調(diào)查該材料的彈性模量為2.06×105MPa，且材料容許應(yīng)力達(dá)到220MPa，經(jīng)檢驗(yàn)，按照該方案制成的門架強(qiáng)度與剛度符合工程標(biāo)準(zhǔn)，可用于航運(yùn)工程船閘控制，設(shè)計(jì)工作完成質(zhì)量提高，為航運(yùn)樞紐工程安全運(yùn)行保駕護(hù)航。

1.3 荷載工況

圖1 門架三維模型

為保證啟閉機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量，設(shè)計(jì)人員還要分析并計(jì)算工程荷載情況，在運(yùn)行中，啟閉機(jī)承受的荷載由機(jī)器底部行走輪傳送至門架，再由門架傳遞至大車運(yùn)行軌道，提升門架的荷載能力可保證啟閉機(jī)始終處于安全運(yùn)行狀態(tài)。在檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案時(shí)，為保證檢驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠，需設(shè)計(jì)荷載計(jì)算工況，分為以下幾種。第一，小車處于跨中位置且保持靜止?fàn)顟B(tài)，大車也為靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)門架承受的荷載為小車輪壓、風(fēng)荷載與自重荷載。第二，小車位于跨內(nèi)剛性腿極限位，小車保持靜止?fàn)顟B(tài)，大車制動，此時(shí)荷載為行走荷載、自重荷載、風(fēng)荷載與慣性力。第三，小車位置為柔性腿外側(cè)懸臂極限位，大車、小車同時(shí)保持靜止?fàn)顟B(tài)，荷載為起升荷載、自重荷載與風(fēng)荷載的組合。第四，小車位處剛性腿懸臂極限位，荷載組成與柔性腿極限位置一致。第五，小車在柔性腿懸臂極限位，大車制動，此時(shí)荷載組成最為復(fù)雜。

以某航運(yùn)樞紐工程為例，該工程按照上述方法計(jì)算并驗(yàn)證門架的荷載能力，經(jīng)分析與計(jì)算發(fā)現(xiàn)，各工況下小車輪壓分別為600kN、510kN、330kN、330kN、300kN，與其他荷載的總和在門架可承受范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)的門架方案合理。如在驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)門架荷載能力不達(dá)標(biāo)，設(shè)計(jì)人員需分析產(chǎn)生該問題的原因，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整門架設(shè)計(jì)方案，提升門架的荷載能力。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案需重新檢驗(yàn)荷載能力，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案才可用于航運(yùn)樞紐工程施工。

2.模型構(gòu)建

分析與計(jì)算門架設(shè)計(jì)方案合理性后，需運(yùn)用現(xiàn)代技術(shù)為設(shè)計(jì)方案建模，將啟閉機(jī)設(shè)計(jì)方案以直觀的形式展示在設(shè)計(jì)人員眼前，以便設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中存在的問題。BIM建模技術(shù)是航運(yùn)樞紐工程船閘閘門啟閉機(jī)常用建模技術(shù)，利用該技術(shù)構(gòu)建的模型精度較高，啟閉機(jī)門架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段構(gòu)建模型精度設(shè)置為LOD300級別。設(shè)計(jì)人員需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案完成模型構(gòu)建，保證模型的規(guī)格與設(shè)計(jì)方案一致，以便設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中存在的問題。立體模型與設(shè)計(jì)方案實(shí)際實(shí)施效果類似，更容易發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中出現(xiàn)沖突的結(jié)構(gòu)，針對性優(yōu)化門架結(jié)構(gòu)以保證啟閉機(jī)安全的運(yùn)行環(huán)境。

某工程在設(shè)計(jì)閘門啟閉機(jī)時(shí)，采用模型法分析門架結(jié)構(gòu)的合理性，構(gòu)建如圖2所示三維模型，為設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)方案創(chuàng)造便利條件。依據(jù)工程實(shí)際情況與設(shè)計(jì)方案，該模型包含22.3萬個單元，各部位間節(jié)點(diǎn)數(shù)量高達(dá)25.5萬，建成的模型真實(shí)展現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的實(shí)施效果，用于設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。建模過程中，設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中存在的問題，分析問題的形成原因，將部分位置的螺栓連接改為剛性連接，并根據(jù)分析結(jié)果對設(shè)計(jì)方案做出調(diào)整，設(shè)計(jì)方案實(shí)施效果符合工程標(biāo)準(zhǔn)，啟閉機(jī)運(yùn)行的安全性得到保證，不僅可提高工程建設(shè)速度，還能減少完成工程花費(fèi)的成本[2]。

圖2 船閘閘門啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.計(jì)算分析設(shè)計(jì)結(jié)果

3.1 性能校驗(yàn)

3.1.1 剛度校驗(yàn)

檢驗(yàn)設(shè)計(jì)門架的性能是啟閉機(jī)設(shè)計(jì)工作的關(guān)鍵步驟，其中剛度檢驗(yàn)是校驗(yàn)重點(diǎn)，門架的剛度直接影響啟閉機(jī)的運(yùn)行效果，校驗(yàn)流程如下所述。首先，根據(jù)預(yù)設(shè)工況模擬啟閉機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，以保證分析結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性，確保剛度校驗(yàn)可發(fā)揮其應(yīng)有作用。其次，記錄各工況條件下，啟閉機(jī)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，收集并整合相關(guān)數(shù)據(jù)，用于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。最后，依據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算設(shè)計(jì)啟閉機(jī)門架的最大撓度，判斷設(shè)計(jì)的啟閉機(jī)門架強(qiáng)度是否達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。

某航運(yùn)樞紐工程中，設(shè)計(jì)人員按照規(guī)定方法計(jì)算各工況下門架的最大撓度，確認(rèn)小車位處跨中時(shí)，門架需承載起升載荷為1600kN，其他條件下起升荷載為500kN。以小車在跨中位置為例，計(jì)算該工況最大撓度為47毫米，小于門機(jī)或小車跨度的1/800，判斷該工況下強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，如高于標(biāo)準(zhǔn)則需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

3.1.2 應(yīng)力校驗(yàn)與模態(tài)分析

啟閉機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)力校驗(yàn)與模態(tài)分析是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案質(zhì)量的重要指標(biāo)，其中應(yīng)力校驗(yàn)結(jié)果可展現(xiàn)門架結(jié)果的荷載能力，模態(tài)分析用于確認(rèn)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。某工程在檢驗(yàn)啟閉機(jī)門架結(jié)構(gòu)合理性時(shí)，設(shè)置應(yīng)力檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為220MPa，各工況條件下最大應(yīng)力為106MPa，符合工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)方案實(shí)施后啟閉機(jī)可長期處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。與此同時(shí)，設(shè)計(jì)人員還分析設(shè)計(jì)方案的模態(tài)，該門架結(jié)構(gòu)自振模態(tài)分析結(jié)果如表2所示，根據(jù)該模態(tài)分析結(jié)果，設(shè)計(jì)人員通過震動頻率分析震動原因，優(yōu)化門架結(jié)構(gòu)以將震動頻率控制在正常范圍內(nèi)。模態(tài)分析有助于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中存在的隱性問題，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)方案的合理性，保證設(shè)計(jì)方案在工程中順利實(shí)施。應(yīng)力檢驗(yàn)中設(shè)計(jì)人員比對材料性能與計(jì)算結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)啟閉機(jī)門架的結(jié)構(gòu)，避免應(yīng)力過于集中，不影響設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下簡化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[3]。

表2 門架強(qiáng)5階自振模態(tài)

3.2 啟閉系統(tǒng)優(yōu)化

3.2.1 油缸設(shè)計(jì)

油缸是啟閉系統(tǒng)的主要組成部分，與啟閉機(jī)運(yùn)行的安全性關(guān)系緊密，設(shè)計(jì)人員需依據(jù)工程實(shí)際情況，優(yōu)化油缸設(shè)計(jì)。某大型航運(yùn)樞紐工程船閘閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示的油缸，依據(jù)啟閉機(jī)油缸的設(shè)計(jì)壓力，將油缸活塞桿直徑設(shè)計(jì)為油缸內(nèi)徑的0.7倍，并按照啟閉機(jī)運(yùn)行負(fù)載計(jì)算油缸內(nèi)徑，最后確認(rèn)設(shè)計(jì)方案中油缸內(nèi)徑為300毫米，活塞桿直徑為220毫米。按照該方式優(yōu)化啟閉機(jī)油缸設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)方案實(shí)施難度下降，且設(shè)計(jì)的啟閉機(jī)性能滿足工程需要，可保證航運(yùn)樞紐工程的安全運(yùn)行。

3.2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與啟閉機(jī)運(yùn)行效果關(guān)系緊密，需引起設(shè)計(jì)人員的重視，綜合考慮工程所在位置的地理環(huán)境，利用PLC技術(shù)優(yōu)化液壓系統(tǒng)的調(diào)控方式，控制油泵的排油量在合理范圍。某航運(yùn)樞紐工程中，設(shè)計(jì)人員考慮到工程建設(shè)區(qū)域冬季氣溫低，在液壓系統(tǒng)中設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)外界溫度發(fā)生變化時(shí)，及時(shí)調(diào)整液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證油液的流動性。除此之外，設(shè)計(jì)人員還可以通過增設(shè)報(bào)警器控制油箱油量，確保啟閉機(jī)運(yùn)行過程中，油箱內(nèi)油量始終處于55%至85之間，通過優(yōu)化液壓系統(tǒng)提升設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性，強(qiáng)化設(shè)計(jì)啟閉機(jī)的適應(yīng)能力[4]。

3.2.3 啟閉方式改進(jìn)

設(shè)計(jì)人員也可采取改變啟閉方式達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的目標(biāo)，可用改進(jìn)方式有以下幾種。第一，將變頻技術(shù)用于啟閉機(jī)控制，該啟閉方式應(yīng)用成本高，適用于大規(guī)模航運(yùn)樞紐工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)。第二，借助電動機(jī)轉(zhuǎn)差率啟動啟閉機(jī)，航運(yùn)樞紐工程常用啟閉機(jī)啟閉方式。某工程設(shè)計(jì)人員分析工程相關(guān)信息后，確定采用電動機(jī)轉(zhuǎn)差率啟閉方式，并考慮到該工程中啟閉機(jī)運(yùn)行頻率較高，重視電阻器阻值的設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)電阻器阻值為0.704Ω。該設(shè)計(jì)方案能夠適應(yīng)該工程的運(yùn)營需要，充分發(fā)揮閘門啟閉機(jī)在航運(yùn)樞紐工程中的作用，長時(shí)間保持良好的運(yùn)行狀態(tài)，并為航運(yùn)樞紐工程船閘閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

3.2.4 安全設(shè)計(jì)

為保證啟閉機(jī)在航運(yùn)樞紐工程中安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)人員需重視安全設(shè)計(jì)，優(yōu)化啟閉機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)啟閉機(jī)運(yùn)行承受荷載過高時(shí)，設(shè)計(jì)人員需適當(dāng)降低設(shè)備的運(yùn)行頻率，并將設(shè)備運(yùn)行頻率控制在1至50赫茲之間，如荷載小可提升設(shè)備運(yùn)行頻率，額定調(diào)速范圍設(shè)置為50至100赫茲。除此之外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)優(yōu)化油缸筒壁厚度，如某設(shè)計(jì)人員考慮工程實(shí)際情況，計(jì)算該工程中筒壁的最佳厚度為150毫米，可保證設(shè)計(jì)方案的安全性。

4.結(jié)束語

綜上所述，閘門啟閉機(jī)在航運(yùn)樞紐工程中發(fā)揮重要作用，應(yīng)引起工程相關(guān)人員的重視，以強(qiáng)化啟閉機(jī)性能為目標(biāo)，優(yōu)化閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)方案。相關(guān)人員需關(guān)注技術(shù)最新研究成果，借鑒其他工程的啟閉機(jī)設(shè)計(jì)理念，分析航運(yùn)樞紐工程的船閘運(yùn)行特點(diǎn)，創(chuàng)新閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)理念，降低船閘閘門啟閉機(jī)出現(xiàn)故障的可能性。