大型船閘移動(dòng)工作門伸縮式止水水密性驗(yàn)證方法

楊斌劉宏敏劉禮華

摘要：伸縮式止水是大型船閘移動(dòng)工作門的新型止水方法，它一改以往預(yù)壓式止水間隙適應(yīng)性差、局部容易漏水、材料磨損快等缺點(diǎn)，有著良好的封水性能和耐久性能。本文首次結(jié)合三個(gè)止水面的“U”型止水裝置，通過(guò)仿真計(jì)算和模型試驗(yàn)，給出了止水的關(guān)鍵特性-靜水水密性規(guī)律的獲取方法。該研究方法簡(jiǎn)便、科學(xué)，對(duì)伸縮式止水設(shè)計(jì)階段的斷面選取具有重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：伸縮式止水；有限元；MooneyRivlin公式；模型試驗(yàn)；靜水水密性

中圖分類號(hào)：TV131.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：

16721683（2016）05016304

Research on water tightness test method of telescopic water seal in large ship lock mobile working gate

YANG Bin1，LIU Hongmin1，LIU Lihua2

（1.Hubei Water Resources Technical College，Wuhan 430070，China； 2.School of Civil & Architectural Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

Abstract：Telescopic water seal is a new sealing method of large ship gate，it overcomes the shortcomings of traditional prepressure seal such as poor gap adaptability，local leakage，and quick material wear，with good sealing performance and durability.In this paper，combined with the "U" type sealing device which has three checks，through simulation calculations and model experiments，we studied the obtaining method of static water tightness which is the key characteristic of water seal.In this study，the method is simple，scientific，and has important reference value and reference meaning to the section selection in the design stage of telescopic water seal.

Key words：telescopic water seal； finite element； MooneyRivlin formula； model experiment； static water tightness

在水利水電工程中，閘門發(fā)生漏水不僅引起水資源損失，而且影響閘門的工作環(huán)境，導(dǎo)致建筑物空蝕和閘門振動(dòng)，威脅工程安全，因此止水裝置是閘門的重要元件。目前，大型船閘移動(dòng)工作門通常采用預(yù)壓式橡膠止水裝置，其存在閘門間隙適應(yīng)性差、局部容易漏水、移門時(shí)封水橡膠磨損快、閘門啟閉力大等缺點(diǎn)。

目前有一種在潛孔閘門上使用的充壓式水封[36]，其主要優(yōu)點(diǎn)是對(duì)閘門間隙的適應(yīng)性好，當(dāng)閘門一邊間隙不均勻時(shí)也能夠適應(yīng)封水。由于移動(dòng)工作門只能有三個(gè)止水對(duì)偶面，工程中采用“U”型止水裝置，見圖1，為了防止兩邊水封頂端無(wú)約束外伸破壞，在此處安裝空腔堵頭，這樣水封變形仍然是平面應(yīng)變問(wèn)題。

1 伸縮式止水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在“U”形止水裝置下部的充壓腔設(shè)有進(jìn)氣孔和出氣孔，進(jìn)氣孔通過(guò)閥門與放置在閘門板格內(nèi)部的空壓機(jī)輸出端連通；出氣孔通過(guò)閥門與大氣連通。當(dāng)進(jìn)氣孔向止水裝置的充壓腔充氣增壓，閘門就進(jìn)入止水堵漏的工作狀態(tài)；當(dāng)出氣孔通過(guò)閥門向外排氣減壓時(shí)閘門即可開啟。止水裝置由橡膠水封、壓板和座板組成，見圖2。水封包括硬橡膠封頭和軟橡膠肢臂、翼頭與肢體；壓板分內(nèi)壓板和外壓板。水封硬橡膠（封頭）部分能承受較大的間隙水壓力，水封軟橡膠（肢臂、翼頭與肢體）部分能夠產(chǎn)生較大變形，便于閘門止水裝置的伸縮操作，同時(shí)也可以提高止水元件對(duì)閘門間隙的適應(yīng)性。

2 封水試驗(yàn)

止水裝置的封水效果是閘門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。靜水水密性驗(yàn)證在自行設(shè)計(jì)的專用大型實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，見圖3。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由承壓面板、活動(dòng)臺(tái)板、基座、測(cè)量?jī)x器儀表組成，并與高壓水箱、加壓機(jī)、穩(wěn)壓器和各種控制閥相連。驗(yàn)證選用框形止水試件，設(shè)置止水前端與鋼板的預(yù)留間隙分別為5、10、15、20、25、30 mm，由水穩(wěn)壓器向止水背腔充壓（模擬工程中采用的氣壓），壓力分別為5、6、7、8、9、……、29、30 m水頭，壓力穩(wěn)定后向模擬庫(kù)水壓力的高壓水箱充壓，觀察止水漏水或射水發(fā)生情況。

3 仿真計(jì)算驗(yàn)證方法

3.1 材料參數(shù)測(cè)定

進(jìn)行仿真計(jì)算首先要測(cè)定材料的力學(xué)參數(shù)。橡膠是各向同性材料，應(yīng)變能函數(shù)We通常寫成左CauchyGreen變形張量B的函數(shù)表達(dá)式，應(yīng)變張量不變量分別用I1，I2，I3表示，即We可寫成：

對(duì)水封封頭硬橡膠和肢臂、翼頭與肢體軟橡膠進(jìn)行材料參數(shù)的測(cè)定。測(cè)定中采取單軸拉伸、單軸壓縮和純剪切實(shí)驗(yàn)（由于實(shí)驗(yàn)室無(wú)法完成真正意義上的純剪切實(shí)驗(yàn)，故用受限拉伸實(shí)驗(yàn)代替）：

單軸拉伸實(shí)驗(yàn)采用啞鈴型標(biāo)準(zhǔn)試件，每種材料采用三個(gè)試件，每個(gè)試件進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法為以砝碼重量為拉伸負(fù)荷，直接加載量測(cè)各止水材料相應(yīng)的拉伸比，同步計(jì)算拉伸應(yīng)力，扯斷時(shí)停止實(shí)驗(yàn)；單軸壓縮實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)壓縮試件，在壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)WE60上加載量測(cè)變形得到各止水材料的單向壓縮特征；受限拉伸實(shí)驗(yàn)采用寬度比其長(zhǎng)度大很多的橡膠薄片，將其長(zhǎng)度方向（縱向）兩端用夾具夾住，然后再橫向拉伸，采用和單軸拉伸實(shí)驗(yàn)同樣的試件分組和拉伸方法[6]。

由各實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力伸長(zhǎng)比值，采用最小二乘法，擬合出材料MooneyRivlin力學(xué)模型的材料參數(shù)，見表1。

3.2 仿真計(jì)算

運(yùn)用有限元方法對(duì)止水全過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算以驗(yàn)證水密性，分析安裝和止水過(guò)程水封應(yīng)力變化及分布情況、水封與鋼夾及面板之間的接觸應(yīng)力，繪制關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變時(shí)程曲線，從而定性地研究水封的止水性能[6，9]。有限元分析采用大型有限元分析軟件ABAQUS進(jìn)行。在單元選擇方面，考慮到橡膠為近不可壓縮材料，采用雜交單元，因其為大應(yīng)變分析，涉及到非常大的網(wǎng)格扭曲，特采用四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變四變形單元CPE4RH，單元控制屬性為減縮積分和沙漏控制。水封座板、壓板采用四結(jié)點(diǎn)雙線性平面應(yīng)變單元CPE4I，單元控制屬性為非協(xié)調(diào)膜式[1014]?？紤]到水封受荷過(guò)程中止水面板與橡膠的接觸問(wèn)題，將可能成為接觸面的水封座板、水封壓板創(chuàng)建為主面，對(duì)應(yīng)的橡膠面創(chuàng)建為從面，并成對(duì)地創(chuàng)建接觸相互作用，調(diào)用接觸屬性。根據(jù)實(shí)際情況約束水封座板x和y方向、壓板x方向位移，并在壓板上施加y負(fù)向位移以模擬安裝過(guò)程。安裝完成后，完全約束[HJ2.25mm]水封壓板與水封座板x和y方向的位移，并在水封背腔施加壓力模擬水封自由外伸過(guò)程。自由外伸模擬完成后，在壓板和止水面板之間施加水平方向水流，模擬伸縮式止水封水過(guò)程。計(jì)算模型見圖4。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程背景

亭子口水利樞紐工程位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，亭子口升船機(jī)下閘首工作門門槽底高程3595 m，閘墻頂面高程3870 m，門槽順?biāo)飨驅(qū)?5 m，垂直水流向長(zhǎng)210 m，閘門上游面板距船廂端面200 mm，支承跨度達(dá)到196 m，由于閘門水平向的剛度低、變形大，其止水裝置設(shè)計(jì)加工是整個(gè)升船機(jī)建設(shè)的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題之一。

4.2 靜水水密性的仿真計(jì)算和模型試驗(yàn)

下閘首工作門采用的充壓伸縮式水封斷面見圖5。在仿真計(jì)算中，將封頭與止水面板間的接觸應(yīng)力不小于相應(yīng)的庫(kù)壓作為封水的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，整理出一定的庫(kù)壓作用下所需要的封水背壓，繪制封水曲線見圖6。在靜水水密性試驗(yàn)中，觀察水封漏水射水發(fā)生情況，臨界封水庫(kù)壓記錄于表2，根據(jù)記錄表繪制出的封水曲線見圖7。比較圖6和圖7發(fā)現(xiàn)仿真計(jì)算與模型試驗(yàn)的封水規(guī)律基本吻合（注意坐標(biāo)軸對(duì)應(yīng)）。

5 結(jié)語(yǔ)

大型船閘移動(dòng)工作門伸縮式止水的工作特征可

通過(guò)模型試驗(yàn)和仿真計(jì)算得到。研制了伸縮式

止水的專用試驗(yàn)裝置，也形成了精度較高的伸縮式止水的仿真計(jì)算方法。本文是對(duì)研究成果的一次總結(jié)。該套試驗(yàn)裝置和仿真計(jì)算方法可以用來(lái)較好的模擬實(shí)際工程中大型船閘移動(dòng)門伸縮式止水的變形和封水過(guò)程。研究結(jié)果，尤其是不同庫(kù)壓下的臨界封水背壓的規(guī)律對(duì)伸縮式止水設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

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