平板闸门的结构设计与研究

范科飞 安平

摘要：液压平板闸门目前已广泛应用于河流、矿山等领域，具有结构简单、密封性好、操作灵活、便于控制等优点。为控制城市地下污水管道分流、引导，设计了液控平板闸门，并通过软件对其进行三维建模和有限元仿真。通过对平板闸门不同开口度的静力学仿真和模态分析，得到闸门工作时的应力、变形、各阶固有频率和振型，可根据平板闸门的固有频率合理设计污水管道水工设备并决定其应用场合。静应力分析和模态分析为管道用平板闸门的结构设计和应用工况分析提供了理论依据。

关键词：平板闸门;静力学仿真;模态分析

中图分类号：TV663+.1    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）04-0040-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.012

0    引言

近年来，我国城市化进程发展迅猛，用于防洪排涝和收集城市用水的给排水系统是城市发展不可缺失的一部分[1]。城市地下管网的建设和管理之间存在时间差、不同步现象是大部分城市在发展过程中存在的难题，主要表现为管网设计落后、不够超前，已建污水管网基础资料缺失，日常管理存在多头现象、衔接不畅不到位等[2]。南京市双垄河为南北向河道，目前双垄河与二阳沟连通工程正由桥工段企业实施，为合理分配双垄河蓄排雨水功能，充分发挥水利调度优势，亟需设计一款自动化程度高、环境适应性强的闸门。

平板闸门因具有结构简单、安装容易、维修方便、综合造价低、运行安全可靠等优点[3]，近年来广泛应用于各种水利枢纽或水电站中。作为水利工程中的挡水装置，水利管网的运行与闸门结构的可靠性密切相关。运用软件分析，依据相应规范验证钢闸门设计的可行性，对引水工程闸门结构进行静力学模拟计算和频率分析，得出适合引水工程的闸门结构型式，对工程应用具有重要意义[4-5]。

1    结构设计

闸门设计的重点和难点主要在于如何选择更优的闸门构造型式，以更好地满足工程布置及功能要求。基于安装环境需求，本设计选择平板式闸门为基本构型，辅以液压缸、加强筋等构件，完善平板闸门整体结构。

本设计平板闸门如图1所示，包括滑道、液压缸、桁架、液压杆、挡水板、加强筋及密封件等。平板闸门安装面与水工建筑螺栓连接固定，挡水板与液压杆铰接固定，通过外接油路控制液压杆的伸出、缩回实现活动闸门的位移、开启、关闭，或将活动闸门锁定在油缸行程内的某一位置，控制泄水量。

如图2所示，滑槽直升式挡水板，面板厚度10 mm，背部焊接田字型加强筋，增加结构强度。闸门整体尺寸为1 200 mm×2 000 mm×183 mm，最大开口直径800 mm。

2    力学分析

平板闸门正常运行时，闸门材料均处于线弹性阶段，其各构件产生形变均较小，因此计算时为线弹性薄板问题。闸门薄板广义上的应变矩阵为：

应力矩阵为：

由于薄板为各方向同性质的均匀材质，考虑水工钢闸门材料的实际情况，视各板结构均为弹性变形：

式（3）中的矩阵D为水工钢闸门材料的弹性矩阵，由各构件材料的弹性模量E与泊松比ν共同决定，属于材料的固有属性。矩阵D的计算公式可以表示为：

在平板闸门的应用中，设计承载水压为10 kPa，为更好地计算闸门受力状态，有必要进行有限元分析。将建立的平板闸门三维模型导入ANSYS中，并施加约束和负载，观察不同开口度平板闸门的受力状态。

图3为闸门全闭工况下受力变形云图，从图中可以看出闸门的主要变形分布在挡水板中部，最大变形量不超过0.5 mm。加强筋处于变形集中部位，能够起到增加挡水板强度的作用。

图4和图5为闸门半开状态下的变形和应力分布云图，由图可知，平板闸门在运行过程中变形和应力均较小，闸门可靠性高，使用稳定。变形与应力较大位置有加强筋支撑，保证了挡水板的可靠运行。

3    模态分析

为避免平板闸门在使用过程中与其他水工设备产生共振而造成严重损坏，有必要对闸门进行模态分析，确定结构的模态与主振型。对于平板闸门，因其质量和刚度都具有分布特性，理论上将其看成有限多自由度问题。多自由度无阻尼自由振动微分方程的一般形式为：

系统自由振动中，假设所有质量均做简谐振动，方程的解为：

式中：Xi为第i阶振型中位移的阵列;A（i）为第i阶振型中各点的振幅向量;ωni、φi分别为第i阶的固有频率和相角。

对于振动系统，振幅不全为零，故有特征方程：

求解特征方程后可以得到固有频率，即式（8）的特征值。在求得系统各阶固有频率后，将其中某一阶固有频率ωni代回到主振型方程式（7）中，并展开得：

对式（9）进行求解，求得的值都与An（i）成正比，这样就得到了第i阶固有频率ωni的n个振幅之间的比例关系，也就是系统按第i阶固有频率振动时各坐标的振幅比。所以，这n个具有确定相对比值的振幅组成的列阵称为系统的第i阶主振型，即：

将三维模型导入ANSYS中，并完成材料属性设置，对闸门结构采用自适应网格划分，随后进行模态分析。

全闭闸门模态云图如图6所示。

从图7中的数据可知，在平板闸门全闭状态下的各阶模态中，闸门结构都发生了严重变形，特别是在第9阶121.55 Hz和第10阶121.79 Hz，主振型超过1 m。

平板闸门运行过程中半开状态经常出现，故有必要对半开状态闸门进行分析，图8为半开闸门模态云图。

图9为半开闸门前10阶固有频率和主振型，从图中可以看出，在第1阶70.3 Hz、第6阶113.35 Hz、第8阶132.01 Hz及第10阶193.62 Hz主振型较大，均超过0.4 m。在闸门半开状态下应避免此频率产生共振现象。

图10为闸门全开状态下的固有频率和主振型，其中第1阶70.37 Hz、第4阶112.71 Hz、第6阶132.01 Hz和第8阶194.16 Hz主振型较大，均超过0.4 m。在闸门全开状态下应避免此频率产生共振现象。

4    结论

本文基于SolidWorks和ANSYS软件对平板闸门进行三维建模及静力学和模态分析，通过时域和频域两个角度验证平板闸门的可靠性，由仿真得出如下结论：

（1）根据平板闸门静力学仿真分析结果，闸门全闭状态下最大变形发生在挡水板中心位置，半開闸门最大变形在挡水板底部，应在附近分布加强筋，以增加挡水板强度。

（2）通过对平板闸门不同开口度的模态分析，得出不同开口度下固有频率的分布和主振型的大小，为平板闸门的应用提供了参考，可避免在使用中发生共振现象。

[参考文献]

[1] 郭永强.市政污水管纳入综合管廊的设计要点及影响探析[J].黑龙江交通科技，2020，43（7）：98-99.

[2] 乔小虎.浅谈县城污水管网管理中存在问题及对策[J].建筑与预算，2021（8）：101-103.

[3] 毕秋生，马弘毅.高精度控制液压平板闸门的设计与实现[J].煤炭技术，2017，36（11）：291-294.

[4] 杨光明，万宇飞，俞人杰，等.考虑止水位置的平面钢闸门应力有限元分析[J].人民长江，2019，50（1）：153-157.

[5] 吴锋.三金拦河闸改建工程闸门的设计及优化[J].黑龙江水利科技，2018，46（4）：148-150.

收稿日期：2021-11-24

作者简介：范科飞（1971—），男，江苏句容人，机械工程高级工程师、建设工程教授级高级工程师，长期从事机械设备及工程管理相关工作。

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