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，其相應的接觸應力有較大的改變，間距較小的兩個滾輪對搖桿的應力影響較小。

大跨度；平面閘門；搖桿；結(jié)構(gòu)型式；接觸應力；有限元分析；優(yōu)化設計

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 設計。為保證輥輪與軌道板之間接觸良好，能夠適應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置可轉(zhuǎn)動的搖桿裝置，其基本結(jié)構(gòu)見圖1。為保證設備運行過程中不受銹蝕的影響，搖桿、座板及相關零件應選用不銹鋼材料。

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。搖桿裝置的設計主要應考慮座板與搖桿之間、搖桿與滾輪之間的接觸應力及結(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)有假設條件存在計算誤差。為此，在赫茲公式計算的基礎上，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，其接觸應力按赫茲公式計算。

=628.5(MPa)≤3σs=3×345=1 035(MPa)

符合相關要求。

式中 σ為赫茲應力，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力的影響，待初步計算和結(jié)構(gòu)配合確認基本滿足要求后，通過有限元分析獲得詳細的局部應力，并對搖桿裝置進行了優(yōu)化設計。

3.3 有限元分析優(yōu)化設計

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)應力及兩個間距較近的滾輪對搖桿應力的相互影響。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力為643.1 MPa(圖9 (a))，搖桿與座板接觸處的最大應力為446 MPa(圖9 (b))，搖桿整體結(jié)構(gòu)應力(最大應力處位于搖桿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)的局部應力以及搖桿與座板接觸弧面的接觸應力。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)由計算得到搖桿應力分布狀態(tài)，搖桿軌面部分的接觸應力為200～650 MPa，從圖9中可以看到最大應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力相差不大；(3)由計算得到座板凹弧面與搖桿凸弧面應力分布狀態(tài)，搖桿凸弧部分的接觸應力為180～450 MPa。從圖9中可以看到：最大應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)弧之間的接觸應力手工計算值有一定偏差，但均小于接觸許用應力值。通過計算發(fā)現(xiàn)：改變座板凹弧面與搖桿凸弧面的半徑，其相應的接觸應力有較大改變，遂通過參數(shù)調(diào)整進行了優(yōu)化；(4)搖桿整體結(jié)構(gòu)應力為：最大應力處在搖桿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)化設計效果明顯；(5)間距較小的兩個滾輪對搖桿的應力影響較小。結(jié)構(gòu)可以滿足搖桿擺動的要求，設計強度符合要求。

參考資料：

[1] 水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范，SL74-2013[S].

[2] 水利水電工程啟閉機設計規(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，學士，從事水利水電工程啟閉設備設計工作；

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

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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