门槽预埋件安装精度对闸门磨损的影响仿真分析

涂菊初，乔鹏飞，金向杰

（1.中铁七局集团第三工程有限公司，陕西 西安 710032；2.华北水利水电大学机械学院，河南 郑州 450000）

平面闸门具有结构简单、启门力小等特点，广泛应用于中小型引水工程中。平面钢闸门一般由活动的门叶结构、埋件和启闭设备等组成。门叶和埋件之间通过滚轮实现闸门的升降运动。如：二滩水电站尾水管闸门[1]，乌东德水电站右岸导流隧洞[2]等。

预埋件的精度与闸门启闭性能有直接的联系，国内外学者对门槽施工及精度进行了研究。白润波等[3]针对水工钢闸门轨道底板与混凝土基础间的接触问题，基于三维接触有限元数值实验和物理模型试验综合分析，探讨轨道截面尺寸、砼基础厚度及砼强度等对轨道-砼基础接触压应力的影响效应。韩君格[4]运用ANSYS 分析了滑杆折叠式闸门的强度和刚度，并优化了闸门的静动力学特性。混凝土和门槽结构强度计算时，Ong 等[5]采用拉压杆模型计算D 区能满足工程精度的要求，并能用于任何混凝土结构及荷载情况。白润波等[6]采用理论推导、数值计算、有限元求解的方法对水工钢闸门轨道纵向应力进行了研究。研究表明轨道与混凝土基础的水平摩阻力使轨道底面弯曲应力有较大幅度下降，轮轨接触局部荷载的作用与弯矩的叠加效应使轨道顶部横截面的正应力有大幅度提高。

卢新杰等[7]针对传统平面门槽在二期混凝土浇筑时产生的问题提出了一种新的平面闸门门槽埋件支撑装置及门槽埋件安装方法，可保证门槽安装精度的同时通过一次性混凝土浇筑即可满足水工要求，加快了施工进度。曹洋[8]提出了水工闸门门槽混凝土与埋件一次施工技术，即在混凝土浇筑之前安装门槽埋件，然后焊接门槽埋件成一个整体，浇筑闸底板和闸墩混凝土，使得闸门槽埋件与闸底板及闸墩混凝土一次浇筑成型，保证了混凝土振捣充分及外观质量。吴维明等[9]针对大型钢闸门，提出了闸门门槽安装方法。

综上所述，众多学者在闸门自身的强度、刚度等方面进行了分析和优化，在闸门的施工安装工艺方面也进行了针对性研究，但是对于闸门安装精度对闸门启闭性能的影响研究较少，本文针对滇中引水工程楚雄段施工9标用钢平面闸门，分析其安装精度对门槽磨损的影响。

1 闸门及提升系统建模

本文中，闸门型式为平面定轮门，结构为3 孔3 扇，尺寸为4 200 mm×6 900 mm，设计水头6.9 m，总水压力1 024 kN，采用固定卷扬式启闭机操控，启升速度0.6 m/min，启升高度13 m，如图1 所示。

图1 进水口闸门及提升系统

根据工程实际，对闸门预埋件及门叶进行等效简化。水流方向取混凝土厚度为800 mm，门槽深度方向取500 mm，其他参数按工程实际选取，在SW 中建立单孔模型用于理论推导，如图2 所示。

图2 计算模型

2 门槽磨损分析

门槽在使用中，由于安装误差的存在，门槽升降过程中将加剧磨损。本文根据假设安装变形的极限情况，计算门槽升降时，门槽的受力情况，根据Archard 磨损理论[10]，计算不同安装精度时门槽的磨损量。混凝土和钢门槽的参数见表1，水压和闸门尺寸满足设计要求。

表1 仿真分析用材料参数表

在ANSYS 中，仿真计算得到的变形量如图3 所示。

图3 应力应变计算结果

根据上述步骤，计算不同装配误差下的闸门应力大小，结果见表2。

表2 不同装配误差时的应力大小

磨损量的计算，通过阿查得模型得到。阿查得模型的计算公式如下：

式中：V 为磨损量，P 为法向压力，L 为相对距离，H 为硬度，本文中取HB140，K 为磨损因子，本文中取2×10-5。

磨损量、法向压力和距离的微分表达式为：

dV=dhdA，

dP=σdA，

式中：h 为磨损深度，A 为接触面积。σ 由上述仿真分析得到。

根据表2 的应力大小，按启闭1 000 次，每次13 m行程计算，得到最大磨损量，见表3。

表3 不同装配误差时的磨损量大小

3 结论

本文通过SW 和ANSYS 软件，建立了简化的钢平面闸门模型，利用理论推导和有限元计算，分析了门槽在不同安装精度下的受力情况及磨损大小。根据计算得到，在不同安装误差时，闸门启闭1 000 次门槽预埋件最大的磨损量。本文的计算结果可以为闸门施工提供一定的理论依据。