水工弧形鋼閘門自振特性研究

程志新，張港

（華北水利水電大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，河南 鄭州 450045）

引言

弧形閘門因無門槽、啟門力小、操作方便等優(yōu)點而大量用于各種水道工作[1]。在水利工程運(yùn)行過程中，弧形閘門受到水流的脈動作用會產(chǎn)生不同程度的振動，這種閘門與水流相互耦合產(chǎn)生的閘門振動稱為流激振動，結(jié)構(gòu)會發(fā)生變形、磨損以及腐蝕的現(xiàn)象[2]，這些都是引起弧形閘門失事破壞的源頭[3]。為避免其遭受破壞，可以從兩個方面入手：一是改善閘門進(jìn)出水流流態(tài)，盡量避免異常水流荷載的產(chǎn)生；二是優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，改變自身固有頻率來避免水激勵力的高能區(qū)作用。但是由于改變水流流態(tài)一定會引起其它水工結(jié)構(gòu)的改變，實施起來較為困難。因此，首要研究的是弧形閘門結(jié)構(gòu)和動力特性，以便有效減少弧形閘門的失事破壞現(xiàn)象的發(fā)生。

1 研究方法

由于弧形閘門是復(fù)雜的空間板梁結(jié)構(gòu)，也很難測定作用其上的水流脈動壓力，所以在對弧形閘門進(jìn)行動力分析時，大都是先計算弧形閘門的自振頻率，在與作用水流的脈動頻率相比較，來使其自振頻率遠(yuǎn)離高能脈動頻率區(qū)，確保閘門工作環(huán)境的安全[4]。

許多實驗資料表明現(xiàn)在已經(jīng)能準(zhǔn)確得到水流脈動頻率，水流脈動主頻率主要在1至20Hz之間浮動，其中有48.3%在1至10Hz之間變化，超過20Hz的很少。閘門結(jié)構(gòu)在水中的振動屬于流體彈與性理論研究的內(nèi)容，閘門的振動是兩者協(xié)同作用的結(jié)果，所以要用彈性結(jié)構(gòu)與流體的耦聯(lián)振動理論來分析其振動特性。但是閘門振動本身就是一個很復(fù)雜的問題，所以目前普遍采用理論分析的方法，計算閘門在空氣中的自振頻率，再通過水力學(xué)試驗測定振動擾力，即水流總脈動壓力的幅值和頻率，以檢驗閘門是否發(fā)生共振[5]。

由于作用于門體的水動力載荷難以采用函數(shù)式表示，載荷作用機(jī)理尚不完全清晰，并且弧形閘門承受的動水壓力是一個連續(xù)波動的過程，時均壓力上下波動的水流作用力就是脈動壓力。因此，在對弧形閘門自振特性進(jìn)行研究時，采用有限元模態(tài)計算與原型觀測試驗相結(jié)合的方法，即簡化邊界條件，設(shè)定理論分析的工況參數(shù)，在有限元模態(tài)計算的基礎(chǔ)上，通過原型觀測試驗，對理論計算分析和設(shè)計計算的成果進(jìn)行驗證。

2 工程實例

2.1 工程概況

本文以陜西漢江蜀河水電站泄洪閘弧形工作閘門為研究對象，孔口尺寸13.0×24.3m（寬×高），弧形閘門半徑32m，底檻高程193.5m，支鉸高程217.6m，設(shè)計水頭23.8m。整體采用的是三支臂結(jié)構(gòu)、球鉸支承，使用懸掛式液壓啟閉機(jī)啟閉，啟閉機(jī)容量為2×4000kN。本文主要對弧形閘門在動水試驗水位216.15m下的自振頻率和模態(tài)進(jìn)行了計算分析。

2.2 有限元計算

2.2.1 有限元模型

采用AUTODESK公司商業(yè)軟件Inventor 2011建立弧形閘門有限元模型，對閘門的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定簡化，例如省略了止水部件、側(cè)輪裝置、所有螺栓螺母、欄桿等，建立的模型如圖 1所示?；⌒伍l門有限元計算選取四面體單元（Solid187 element）和六面體單元（Solid186 element）混合而成的組合有限元模型，單元的劃分基本上按弧形閘門結(jié)構(gòu)布置上的特點采用自然離散的方式，將面板、橫梁腹板、橫梁翼板、縱梁腹板、縱梁翼板、吊耳、支臂腹板、支臂連接桿等構(gòu)件劃分為六面體單元，支鉸、軸承、鉸軸劃分為四面體單元。

圖1 弧形閘門有限元模型

2.2.2 邊界條件

（1）水壓力載荷

水壓力直接作用于面板外壁上，水體密度取 1000kg/m3[5]，面板分布水壓力根據(jù)水頭按下式計算：

靜力擋水工況閘門水頭為22.65m，荷載動力系數(shù)取1.0。水壓力寬度范圍為面板寬度 12.9m，高度范圍為面板底緣到正常高水位 22.65m，水壓力從頂部的 0逐漸增加到底部的221970Pa。

（2）閘門自重

閘門自重方向向下，由三維建模軟件自動計算，閘門門葉重 165724kg，支臂重 198623kg，支鉸（鉸座+鉸軸）重53000kg，軸承重 2194kg，（門葉+支臂+鉸鏈+鉸軸）為419541kg。

（3）止水摩擦力

考慮側(cè)止水橡皮的摩阻力，側(cè)橡膠止水型號為 L60（SF6674），預(yù)壓縮 4mm，橡皮頭部寬 60mm，與不銹鋼摩擦系數(shù)為0.5。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 有限元計算結(jié)果

通過有限元計算得到弧形閘門在動水試驗水位下的模態(tài)振型和參數(shù)，這里取前4階。其前4階自振特性分析結(jié)果如表1所示，振型圖取前3階圖3所示。

表1 閘門結(jié)構(gòu)自振頻率 單位：Hz

模態(tài)分析結(jié)果表明，閘門全閉擋水工況的基頻在 4.4Hz左右。由圖2可以看出，弧形閘門的第一階振型以門葉扭曲為主；第二階振型以支臂部分的彎曲為主，彎曲方向向內(nèi)，呈靠攏趨勢；第三階振型以支臂和門葉部分同時彎曲為主，彎曲方向為Z向。

圖2 弧形閘門振型圖

3.2 原型觀測試驗結(jié)果

通過改進(jìn)隨機(jī)子空間法得到弧形閘門的自振頻率，經(jīng)計算整理，結(jié)果如表2所示。

表2 弧形閘門自振頻率

由表2可以看出，主梁的自振頻率要大于支臂，其中支臂的自振頻率從一階到四階增加較為穩(wěn)定，而主梁的自振頻率在第三階和第四階之間有較大增加。

3.3 結(jié)果對比分析

對弧形閘門自振頻率的有限元模態(tài)計算結(jié)果和模態(tài)測試結(jié)果進(jìn)行整理，如表3所示。

表3 弧形閘門自振頻率模態(tài)計算結(jié)果與測試結(jié)果對比表

由表3可以看出，主梁測試所得到的自振頻率值最大，閘門經(jīng)計算得到的自振頻率值最小。弧形閘門前三階，也就是在低階階段的自振頻率計算值與測試值契合度較高。但是弧形閘門存在制造和裝配誤差，運(yùn)行條件無法預(yù)判等問題，實際運(yùn)行工況下的邊界條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比理論計算繁瑣，使得四階（含四階）以上自振頻率測試值高于計算值，但都有一致增大趨勢[6]。

4 結(jié)語

本文對弧形閘門自振特性進(jìn)行了研究，提出了一種將有限元模態(tài)計算與原型觀測試驗相結(jié)合的方法，并以蜀河水電站弧形閘門為例展開算例分析，先通過有限元模態(tài)計算得到弧形閘門的自振頻率，然后通過原型觀測試驗中的模態(tài)測試進(jìn)行驗證與分析。本文所提出的方法能極大滿足水工閘門工程分析的要求，計算結(jié)果為弧形閘門振動故障診斷及預(yù)報及其結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)，可供同類型閘門振動穩(wěn)定性研究借鑒。