平板閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

范科飛 安平

摘要：液壓平板閘門目前已廣泛應(yīng)用于河流、礦山等領(lǐng)域，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封性好、操作靈活、便于控制等優(yōu)點(diǎn)。為控制城市地下污水管道分流、引導(dǎo)，設(shè)計(jì)了液控平板閘門，并通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行三維建模和有限元仿真。通過(guò)對(duì)平板閘門不同開(kāi)口度的靜力學(xué)仿真和模態(tài)分析，得到閘門工作時(shí)的應(yīng)力、變形、各階固有頻率和振型，可根據(jù)平板閘門的固有頻率合理設(shè)計(jì)污水管道水工設(shè)備并決定其應(yīng)用場(chǎng)合。靜應(yīng)力分析和模態(tài)分析為管道用平板閘門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用工況分析提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：平板閘門;靜力學(xué)仿真;模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：TV663+.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）04-0040-04

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

0? ? 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市化進(jìn)程發(fā)展迅猛，用于防洪排澇和收集城市用水的給排水系統(tǒng)是城市發(fā)展不可缺失的一部分[1]。城市地下管網(wǎng)的建設(shè)和管理之間存在時(shí)間差、不同步現(xiàn)象是大部分城市在發(fā)展過(guò)程中存在的難題，主要表現(xiàn)為管網(wǎng)設(shè)計(jì)落后、不夠超前，已建污水管網(wǎng)基礎(chǔ)資料缺失，日常管理存在多頭現(xiàn)象、銜接不暢不到位等[2]。南京市雙壟河為南北向河道，目前雙壟河與二陽(yáng)溝連通工程正由橋工段企業(yè)實(shí)施，為合理分配雙壟河蓄排雨水功能，充分發(fā)揮水利調(diào)度優(yōu)勢(shì)，亟需設(shè)計(jì)一款自動(dòng)化程度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的閘門。

平板閘門因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝容易、維修方便、綜合造價(jià)低、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[3]，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于各種水利樞紐或水電站中。作為水利工程中的擋水裝置，水利管網(wǎng)的運(yùn)行與閘門結(jié)構(gòu)的可靠性密切相關(guān)。運(yùn)用軟件分析，依據(jù)相應(yīng)規(guī)范驗(yàn)證鋼閘門設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)引水工程閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)模擬計(jì)算和頻率分析，得出適合引水工程的閘門結(jié)構(gòu)型式，對(duì)工程應(yīng)用具有重要意義[4-5]。

1? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閘門設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要在于如何選擇更優(yōu)的閘門構(gòu)造型式，以更好地滿足工程布置及功能要求?；诎惭b環(huán)境需求，本設(shè)計(jì)選擇平板式閘門為基本構(gòu)型，輔以液壓缸、加強(qiáng)筋等構(gòu)件，完善平板閘門整體結(jié)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)平板閘門如圖1所示，包括滑道、液壓缸、桁架、液壓桿、擋水板、加強(qiáng)筋及密封件等。平板閘門安裝面與水工建筑螺栓連接固定，擋水板與液壓桿鉸接固定，通過(guò)外接油路控制液壓桿的伸出、縮回實(shí)現(xiàn)活動(dòng)閘門的位移、開(kāi)啟、關(guān)閉，或?qū)⒒顒?dòng)閘門鎖定在油缸行程內(nèi)的某一位置，控制泄水量。

如圖2所示，滑槽直升式擋水板，面板厚度10 mm，背部焊接田字型加強(qiáng)筋，增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。閘門整體尺寸為1 200 mm×2 000 mm×183 mm，最大開(kāi)口直徑800 mm。

2? ? 力學(xué)分析

平板閘門正常運(yùn)行時(shí)，閘門材料均處于線彈性階段，其各構(gòu)件產(chǎn)生形變均較小，因此計(jì)算時(shí)為線彈性薄板問(wèn)題。閘門薄板廣義上的應(yīng)變矩陣為：

應(yīng)力矩陣為：

由于薄板為各方向同性質(zhì)的均勻材質(zhì)，考慮水工鋼閘門材料的實(shí)際情況，視各板結(jié)構(gòu)均為彈性變形：

式（3）中的矩陣D為水工鋼閘門材料的彈性矩陣，由各構(gòu)件材料的彈性模量E與泊松比ν共同決定，屬于材料的固有屬性。矩陣D的計(jì)算公式可以表示為：

在平板閘門的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)承載水壓為10 kPa，為更好地計(jì)算閘門受力狀態(tài)，有必要進(jìn)行有限元分析。將建立的平板閘門三維模型導(dǎo)入ANSYS中，并施加約束和負(fù)載，觀察不同開(kāi)口度平板閘門的受力狀態(tài)。

圖3為閘門全閉工況下受力變形云圖，從圖中可以看出閘門的主要變形分布在擋水板中部，最大變形量不超過(guò)0.5 mm。加強(qiáng)筋處于變形集中部位，能夠起到增加擋水板強(qiáng)度的作用。

圖4和圖5為閘門半開(kāi)狀態(tài)下的變形和應(yīng)力分布云圖，由圖可知，平板閘門在運(yùn)行過(guò)程中變形和應(yīng)力均較小，閘門可靠性高，使用穩(wěn)定。變形與應(yīng)力較大位置有加強(qiáng)筋支撐，保證了擋水板的可靠運(yùn)行。

3? ? 模態(tài)分析

為避免平板閘門在使用過(guò)程中與其他水工設(shè)備產(chǎn)生共振而造成嚴(yán)重?fù)p壞，有必要對(duì)閘門進(jìn)行模態(tài)分析，確定結(jié)構(gòu)的模態(tài)與主振型。對(duì)于平板閘門，因其質(zhì)量和剛度都具有分布特性，理論上將其看成有限多自由度問(wèn)題。多自由度無(wú)阻尼自由振動(dòng)微分方程的一般形式為：

系統(tǒng)自由振動(dòng)中，假設(shè)所有質(zhì)量均做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，方程的解為：

式中：Xi為第i階振型中位移的陣列;A（i）為第i階振型中各點(diǎn)的振幅向量;ωni、φi分別為第i階的固有頻率和相角。

對(duì)于振動(dòng)系統(tǒng)，振幅不全為零，故有特征方程：

求解特征方程后可以得到固有頻率，即式（8）的特征值。在求得系統(tǒng)各階固有頻率后，將其中某一階固有頻率ωni代回到主振型方程式（7）中，并展開(kāi)得：

對(duì)式（9）進(jìn)行求解，求得的值都與An（i）成正比，這樣就得到了第i階固有頻率ωni的n個(gè)振幅之間的比例關(guān)系，也就是系統(tǒng)按第i階固有頻率振動(dòng)時(shí)各坐標(biāo)的振幅比。所以，這n個(gè)具有確定相對(duì)比值的振幅組成的列陣稱為系統(tǒng)的第i階主振型，即：

將三維模型導(dǎo)入ANSYS中，并完成材料屬性設(shè)置，對(duì)閘門結(jié)構(gòu)采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，隨后進(jìn)行模態(tài)分析。

全閉閘門模態(tài)云圖如圖6所示。

從圖7中的數(shù)據(jù)可知，在平板閘門全閉狀態(tài)下的各階模態(tài)中，閘門結(jié)構(gòu)都發(fā)生了嚴(yán)重變形，特別是在第9階121.55 Hz和第10階121.79 Hz，主振型超過(guò)1 m。

平板閘門運(yùn)行過(guò)程中半開(kāi)狀態(tài)經(jīng)常出現(xiàn)，故有必要對(duì)半開(kāi)狀態(tài)閘門進(jìn)行分析，圖8為半開(kāi)閘門模態(tài)云圖。

圖9為半開(kāi)閘門前10階固有頻率和主振型，從圖中可以看出，在第1階70.3 Hz、第6階113.35 Hz、第8階132.01 Hz及第10階193.62 Hz主振型較大，均超過(guò)0.4 m。在閘門半開(kāi)狀態(tài)下應(yīng)避免此頻率產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

圖10為閘門全開(kāi)狀態(tài)下的固有頻率和主振型，其中第1階70.37 Hz、第4階112.71 Hz、第6階132.01 Hz和第8階194.16 Hz主振型較大，均超過(guò)0.4 m。在閘門全開(kāi)狀態(tài)下應(yīng)避免此頻率產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

4? ? 結(jié)論

本文基于SolidWorks和ANSYS軟件對(duì)平板閘門進(jìn)行三維建模及靜力學(xué)和模態(tài)分析，通過(guò)時(shí)域和頻域兩個(gè)角度驗(yàn)證平板閘門的可靠性，由仿真得出如下結(jié)論：

（1）根據(jù)平板閘門靜力學(xué)仿真分析結(jié)果，閘門全閉狀態(tài)下最大變形發(fā)生在擋水板中心位置，半開(kāi)閘門最大變形在擋水板底部，應(yīng)在附近分布加強(qiáng)筋，以增加擋水板強(qiáng)度。

（2）通過(guò)對(duì)平板閘門不同開(kāi)口度的模態(tài)分析，得出不同開(kāi)口度下固有頻率的分布和主振型的大小，為平板閘門的應(yīng)用提供了參考，可避免在使用中發(fā)生共振現(xiàn)象。

[參考文獻(xiàn)]

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收稿日期：2021-11-24

作者簡(jiǎn)介：范科飛（1971—），男，江蘇句容人，機(jī)械工程高級(jí)工程師、建設(shè)工程教授級(jí)高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事機(jī)械設(shè)備及工程管理相關(guān)工作。

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