大跨度平面闸门摇杆装置的设计优化研究

曾 文， 范 如 谷， 杨 芳， 李 春 蛟

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

大跨度平面闸门摇杆装置的设计优化研究

曾 文， 范 如 谷， 杨 芳， 李 春 蛟

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

对大跨度平面闸门摇杆的支承结构型式进行了选择比较，分别用赫兹公式和实体有限元分析计算了座板与摇杆、滚轮与摇杆轨面的接触应力。分析计算结果表明：改变座板凹弧面与摇杆凸弧面的半径，其相应的接触应力有较大的改变，间距较小的两个滚轮对摇杆的应力影响较小。

大跨度；平面闸门；摇杆；结构型式；接触应力；有限元分析；优化设计

1 概 述

在水利水电工程中广泛使用的平面闸门的行走支承有滚轮、链轮、定轮及滑道等型式，平面闸门支承型式需根据工作条件、荷载及跨度确定，其中滚轮和链轮支承的运行阻力最小。在供电保证能力较低的工程中，为了确保工程运行安全，除了能够电动控制闸门启闭外，还需要能够“手动”启闭闸门，故此类低水头、大跨度平面闸门对运行阻力/ 启闭力有较高要求时，可以选择滚轮支承(一般链轮支承主要用于高水头闸门)。

根据钢闸门设计规范，露顶式工作门和事故门的主梁刚度按不超过1/600 设计。为保证辊轮与轨道板之间接触良好，能够适应大跨度平面闸门水平变形带来的端梁部位的转角变形，需要在闸门或门槽上设置可转动的摇杆装置，其基本结构见图1。为保证设备运行过程中不受锈蚀的影响，摇杆、座板及相关零件应选用不锈钢材料。

笔者针对摇杆装置的使用要求、荷载、结构型式及优化设计进行了一些探讨。

2 座板结构形式的选择

图1 大跨度平面闸门水平变形趋势图

座板的主要作用是将门叶上的荷载通过摇杆、滚轮传递到轨道上(图2)。

根据座板与门叶边梁之间结构和连接方式的不同，分别设计了4种方案进行优化比较，具体为：“槽嵌入—螺栓连接”、“槽嵌入—焊接连接”、“平面配合—螺栓连接”及“平面—焊接连接”等四种形式(图3)，各种形式具体的优缺点比较见表1。

经分析比较得知：“槽嵌入—螺栓连接”座板承载能力、制造工艺性及不锈钢用量等方面具有优势，方案合理，技术经济性好。

3 摇杆装置的优化计算

3.1 载荷分析

图2 座板受力示意图

图3 座板结构示意图

表1 座板与门叶边梁连接方式比较表

水压力通过边梁传递到座板，由座板内弧线接触传递给摇杆，摇杆轨面通过接触传递给滚轮，再由滚轮载荷作用于闸门埋件。摇杆装置的设计主要应考虑座板与摇杆之间、摇杆与滚轮之间的接触应力及结构布置需要，即以接触强度计算为主，结构分析为辅。具体情况以应用在巴基斯坦水利灌溉工程中的一种大跨度平面滚轮门(孔口宽度：18 288 mm，挡水水头：5 121 mm)为例进行分析计算。

座板内弧与外弧摇杆之间为线接触，摇杆轨面与滚轮之间亦为线接触，两条接触线呈空间90°关系。按赫兹公式计算时，座板内弧与外弧摇杆接触长度按3倍摇杆简化考虑(参见《水利水电工程启闭机设计规范》)。滚轮间距较近时，对其相互影响程度量化较为困难。此外，摇杆为T形状，轨道板刚度(由厚度尺寸决定)和滚轮支承点相互的影响按现有假设条件存在计算误差。为此，在赫兹公式计算的基础上，采用有限元对摇杆进行进一步的分析优化。

计算荷载考虑的因素有：闸门最高水位水压、泥沙淤积荷载、地震荷载，其中泥沙淤积荷载集中在闸门底部。滚轮按轮压相同的原则布置，因结构限制最底部的滚轮轮压最大。考虑到多滚轮受载不均匀问题，计算时轮压不均匀系数值取为1.2，具体轮压分布情况见图4，最大滚轮轮压为105.5 kN。

3.2 接触应力计算

根据与闸门及门槽的配合结构需要，初步摇杆装置及滚轮装置的主要尺寸确定情况见图5。

图4 摇杆、滚轮装置受力示意图

图5 初步选定的摇杆、滚轮装置结构图

(1)摇杆平面与滚轮之间为线接触，其接触应力按赫兹公式计算。

=628.5(MPa)≤3σs=3×345=1 035(MPa)

符合相关要求。

式中 σ为赫兹应力，MPa；P为滚轮荷载，P=Pmax=105.5 kN；E为弹性模量,E=2.1×105MPa；B为轨道宽度,B=140 mm；R为滚子半径,R=70 mm；σs为材料屈服强度，σs=345 MPa。

(2)摇杆外弧与座板内弧之间为线接触，其接触应力计算见图6。

图6 摇杆外弧与座板内弧接触示意图

= 829.6(MPa)≤3σs=3×345=1 035(MPa)

符合要求。

式中B’为有效计算长度,B’=225 mm；R’为滚子半径,R’=25 mm。

鉴于上述计算无法充分反映局部变形对接触应力的影响，待初步计算和结构配合确认基本满足要求后，通过有限元分析获得详细的局部应力，并对摇杆装置进行了优化设计。

3.3 有限元分析优化设计

采用三维实体建模，采用有限元对摇杆装置进行了优化计算。

3.3.1 有限元模型及边界条件

按照工作工况进行三维实体建模(图7)，滚轮直接作用在摇杆轨道面上，摇杆通过弧形面作用在座板上，尺寸、材料与初步设计一致。

图7 摇杆、座板三维模型图

分析的重点位置：滚轮与摇杆轨道的接触部位、摇杆与座板的接触部位、摇杆的结构应力及两个间距较近的滚轮对摇杆应力的相互影响。根据圣维南原理，对远离接触位置的细节可以忽略。

装配关系：座板固定在闸门边梁上；摇杆与座板弧面线接触；滚轮与摇杆面线接触。

约束：闸门边梁固定。

加载：按滚轮与摇杆线接触考虑，在摇杆中部一条线上加载最大滚轮轮压105.5 kN。

3.3.2 有限元计算分析及优化

根据三维模型，按实体网格进行划分，生成以六面体为主导的网格，必要时会有三棱柱、金字塔、四面体单元作为过渡。

对摇杆与座板接触的弧面处、滚轮与摇杆线接触处均进行网格细化处理，以保证计算结果的精确性(图8)。

图8 有限元模型网格划分图

根据有限元计算结果(图9)得知：摇杆与滚轮接触处的最大应力为643.1 MPa(图9 (a))，摇杆与座板接触处的最大应力为446 MPa(图9 (b))，摇杆整体结构应力(最大应力处位于摇杆T型结构的翼缘)为107 MPa(见图9 (c))，座板与摇杆接触处的最大应力为583.4 MPa(图9 (d))。

图9 有限元计算结果图

经有限元分析后最终确定的摇杆装置及滚轮装置的主要尺寸见图10。

图10 最终摇杆、滚轮装置结构图

主要计算优化体现在：

(1)摇杆T型结构翼板和腹板、摇杆与座板接触的弧面优化。

摇杆T型结构翼板厚度由25 mm减小到20 mm，腹板高度由50 mm减小到38 mm、厚度由50 mm减小到40 mm；摇杆与座板的接触弧面由R25 mm变为R40 mm。

(2)座板及座板与摇杆接触的弧面优化。

座板宽度由120 mm减小到100 mm，厚度由20 mm变为22 mm；座板与摇杆的接触弧面由R30 mm变为R50 mm。

有限元计算能充分反映出摇杆T型结构的局部应力以及摇杆与座板接触弧面的接触应力。优化后，摇杆装置的重量减少约23%，不锈钢用量明显减小。

4 结 语

通过分析比较后取得了以下结果：(1)确定了工艺性和材料消耗少的摇杆座板结构型式；(2)由计算得到摇杆应力分布状态，摇杆轨面部分的接触应力为200～650 MPa，从图9中可以看到最大应力处于摇杆轨面中心。将有限元分析和传统计算结果相比较后可以看出：摇杆平面与滚轮之间的接触应力相差不大；(3)由计算得到座板凹弧面与摇杆凸弧面应力分布状态，摇杆凸弧部分的接触应力为180～450 MPa。从图9中可以看到：最大应力位于摇杆凸弧面与座板凹弧面接触位置，摇杆外弧与座板内弧之间的接触应力手工计算值有一定偏差，但均小于接触许用应力值。通过计算发现：改变座板凹弧面与摇杆凸弧面的半径，其相应的接触应力有较大改变，遂通过参数调整进行了优化；(4)摇杆整体结构应力为：最大应力处在摇杆T型结构的翼缘，为107 MPa，鉴于传统计算无法确定翼板应力的分布及具体数值，对T型板与滚轮的宽度和厚度尺寸优化不利，而基于有限元分析计算进行的优化设计效果明显；(5)间距较小的两个滚轮对摇杆的应力影响较小。结构可以满足摇杆摆动的要求，设计强度符合要求。

参考资料：

[1] 水利水电工程钢闸门设计规范，SL74-2013[S].

[2] 水利水电工程启闭机设计规范，DL/T5167-2002[S].

TV7;TV547

B

1001-2184(2017)06-0028-05

四川省科技厅专项基金资助项目(编号：2015GZ0032)。

2017-10-18

曾 文(1963-)，男，四川南溪人，教授级高级工程师，硕士，从事水工机械设备及金属构件的生产技术和管理工作；

范如谷(1982-)，男，四川金堂人，工程师，学士，从事水利水电工程启闭设备设计工作；

杨 芳(1972-)，女，贵州施秉人，高级工程师，学士，从事水利水电工程启闭设备和金属构件设计工作；

李春蛟(1971-)，男，四川夹江人，助理工程师，从事水工机械设备及金属构件生产和安装工作.

李燕辉)

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截至2017年9月14日，向家坝水电站历年累计发电量达1 357亿千瓦时，相当于减少标煤消耗约4 233万吨，减排二氧化碳10 868万吨，为国家经济社会发展注入了强劲的“绿色”动力，其作为国家西电东送骨干电源点的社会经济效益也日益突显。

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