龍溪口航電樞紐船閘下閘首人字門三維建模

劉星星，李亞虎

(中國水利水電第十工程局有限公司，成都，611800)

龍溪口航電樞紐位于犍為縣新民鎮(zhèn)上游約600m～800m的岷江河段，是岷江下游河段梯級規(guī)劃的第四個梯級。龍溪口船閘閘室尺寸(長×寬×門坎水深)為220m×34m×5.5m，可通航2×1000t級船隊，門葉結(jié)構(gòu)為多主橫梁結(jié)構(gòu)雙扇人字閘門，單扇門葉尺寸為20.2m×24.0m×3.022m(寬×高×厚)，主梁按等荷載原則布置，共設(shè)有15道，主梁間加設(shè)垂直次梁，縱向設(shè)有垂直隔板，閘門背面設(shè)置十字交叉的背拉桿，用以增加門葉的整體剛度[1]。在閘門模型建立過程中，可大致將其分為門葉、底樞、頂樞以及背拉桿等子裝配體，各子裝配體由若干零部件構(gòu)成，需事先對其進行裝配，而閘門將作為總裝配體進行最終裝配。

1 閘門三維建模

1.1 模型建立

下閘首人字門分為左右兩扇，每扇又分9節(jié)，二者相互對稱，建模時以右扇為基準(zhǔn)，裝配后通過鏡像得到左扇門葉，底樞及水封等亦是如此，在對裝配體進行鏡像時需注意基準(zhǔn)面及鏡像方式的選取。左扇門葉及底樞等部件在鏡像后將會生成單個新部件，需解除裝配特征后重新對其進行裝配，以方便后續(xù)運動算例的建立。

1.1.1 基準(zhǔn)面的使用

使用Solidworks進行建模一般都是選取基準(zhǔn)面進行草圖繪制，然后對草圖進行拉伸、掃描等實體生成操作，再對實體進行切除、倒角等特征操作。需要注意的是，在對某些實體進行建造時無法找到基準(zhǔn)面或是使用現(xiàn)有基準(zhǔn)面進行草圖繪制較為麻煩，可以以現(xiàn)有基準(zhǔn)面為基礎(chǔ)，創(chuàng)建新的基準(zhǔn)面。例如在繪制端部垂直隔板T型小梁時，考慮到推力隔板次梁與其在同一平面且二者繪制較為困難，便以主梁腹板面為基準(zhǔn)面，創(chuàng)建“基準(zhǔn)面1”用以繪制草圖，再進行拉伸便可快速創(chuàng)建實體。圖1所示即為“基準(zhǔn)面1”。

圖1 “基準(zhǔn)面1”示意

1.1.2 型材的應(yīng)用

在模型建造過程中，例如角鋼、工字鋼等截面形狀細(xì)節(jié)較為繁瑣的型材，若是使用草圖繪制截面再拉伸去創(chuàng)建，在降低工作效率的同時也影響模型精度，此時對型材庫的使用便顯得尤為重要，Solidworks型材庫擁有較為完備的各類型材，可選取不同型號以滿足建造要求。以主梁間垂直次梁為例，建造時以面板為基準(zhǔn)面繪制與角鋼等長的線段，因次梁數(shù)量較多且均布，所以在草圖繪制時可使用“陣列”及“鏡像”等操作以減小工作量，退出草圖后在“結(jié)構(gòu)構(gòu)件—GB”條件下選取規(guī)格為“20/12.5d=14”的不等邊角鋼，在“組”條件下選取草圖線段，角鋼實體便會生成，但此時角鋼的方向及其與面板的接觸并不滿足設(shè)計要求，需通過“找出輪廓”以及“鏡像輪廓”等操作將角鋼調(diào)整至合適的方向。Solidworks中其余型材的使用均與角鋼相似，合理地使用型材，不僅能提高工作效率，還對模型精度的提高有一定的幫助。角鋼型材示意見圖2。

圖2 角鋼型材示意

1.1.3 不規(guī)則及多曲面構(gòu)件的創(chuàng)建

船閘結(jié)構(gòu)中所應(yīng)用的材料大多為板材，且形狀較為規(guī)則，可以使用拉伸、切除等基本操作建立實體，但類似于底樞以及水封等形狀不規(guī)則或存在多個曲面的構(gòu)件，便很難用拉伸及切除來創(chuàng)建。底樞創(chuàng)建過程中，在使用常規(guī)拉伸及切除的基礎(chǔ)上還采用了“旋轉(zhuǎn)凸臺”“旋轉(zhuǎn)切除”及“掃描切除”等特征操作。以底樞頂蓋為例，頂蓋與球瓦配合部分為圓臺加圓柱狀的殼體結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)拉伸切除建造較為麻煩，此時以殼體結(jié)構(gòu)豎截面形狀為輪廓繪制草圖，選取殼體結(jié)構(gòu)中心軸為旋轉(zhuǎn)軸，使用“旋轉(zhuǎn)凸臺”特征便可快速創(chuàng)建實體，蘑菇頭也是用此特征創(chuàng)建而成。底樞部件以鑄件為主，整體性較強，所以在實體創(chuàng)建時使用“合并結(jié)果”選項，可去除多余邊線，再使用“圓角”特征對構(gòu)件加以修飾，使其更具有鑄件特征。底樞頂蓋如圖3所示。

圖3 底樞頂蓋示意

人字門底水封為“P”形水封并與底樞相配合，因此具有多個曲面，但其截面形狀一致且具有明確的路徑，所以可以使用“掃描”特征創(chuàng)建。依據(jù)設(shè)計圖紙在任一基準(zhǔn)面上繪制出路徑草圖，退出草圖后借助現(xiàn)有基準(zhǔn)面及路徑草圖建立與路徑草圖相垂直的“基準(zhǔn)面2”，在“基準(zhǔn)面2”上繪制水封截面草圖，最后以水封截面草圖為掃描輪廓，路徑草圖為掃描路徑，生成水封實體?！癙”形水封如圖4所示。

圖4 “P”形水封示意

1.2 模型裝配

船閘屬于大型裝配體，若在同一裝配體內(nèi)裝配，不僅零件數(shù)量眾多，且配合關(guān)系較為繁瑣，因此將其分為底樞、頂樞、門葉以及背拉桿等子裝配體，預(yù)先將子裝配體裝配完畢，整體裝配時以子裝配體為單位，以此來簡化裝配過程。

1.2.1 底樞裝配

底樞裝配時以底樞底座為基準(zhǔn)，隨后依次將墊板、蘑菇頭、封蓋板、頂蓋(含球瓦)及異形橡皮進行裝配，裝配時以“同軸心”及“重合”這兩種配合關(guān)系為主，按照實際生產(chǎn)步驟來講，球瓦與頂蓋需預(yù)先進行裝配。底樞裝配時，為方便運動算例的建立，要注意保留蘑菇頭與球瓦水平方向的轉(zhuǎn)動，而其他零部件之間則要保持固定。底樞裝配如圖5所示。

圖5 底樞裝配

1.2.2 門葉及背拉桿裝配

單節(jié)門葉間裝配較為簡單，選取節(jié)間任意相鄰面或邊線，采用“重合”即可完成裝配，但在門葉單節(jié)裝配完成后，還需借助門葉背拉桿節(jié)點板所在平面完成背拉桿裝配。背拉桿同樣由若干零部件構(gòu)成，所以也需要預(yù)先裝配。背拉桿在門葉背水面呈交叉狀布置，依靠現(xiàn)有平面或邊線定位較為困難，因此以背拉桿節(jié)點板所在平面為基準(zhǔn)面，依據(jù)設(shè)計圖繪制背拉桿中心線，裝配時以中心線為基準(zhǔn)，使背拉桿平行于中心線且使抗拉板底面與節(jié)點板表面相重合，同時在抗拉板與中心線端點之間采用距離配合，以完全固定背拉桿。背拉桿裝配如圖6所示。

圖6 背拉桿裝配

1.2.3 頂樞裝配

頂樞零部件繁多，在預(yù)先裝配時，需注意楔塊與拉架之間的配合關(guān)系，依據(jù)設(shè)計圖紙將楔塊調(diào)整至適當(dāng)位置，防止后續(xù)裝配墊片及包板時出現(xiàn)干涉。在頂樞拉架與門葉進行裝配時A桿與門葉間不可存在直接配合關(guān)系，需通過墊圈添加配合，若二者直接配合，將會導(dǎo)致拉架與門葉完全固定，影響運動算例的建立。頂樞裝配如圖7所示。

圖7 頂樞裝配

1.2.4整體裝配

閘門整體裝配基本順序為：右扇底樞—右扇門葉—右扇頂樞—右扇背拉桿—右扇支枕墊塊—左扇底樞—左扇門葉—左扇頂樞—左扇背拉桿—左扇支枕墊塊[2]。為方便運動算例建立，閘門整體裝配時需及時調(diào)整各部件之間的配合及其在裝配體中的狀態(tài)，開始裝配時各零部件狀態(tài)都應(yīng)是固定的，以免在拖動零件進行裝配時相對位置產(chǎn)生變化。裝配時分別在A、B支墊切線端點間以及底樞底座兩底面間添加“重合”配合，此時左右扇門葉位置已完全固定，模型整體裝配也已完成，但還需改變部分零部件狀態(tài)，其中除左右底樞底座、頂樞拉架、枕墊及枕座為固定狀態(tài)外，其余零部件都應(yīng)是浮動狀態(tài)，調(diào)整后拖動門葉任一點時門葉應(yīng)以蘑菇頭為中心產(chǎn)生水平方向的轉(zhuǎn)動。下閘首人字門整體裝配效果如圖8所示。

圖8 下閘首人字門整體裝配

2 模型應(yīng)用

2.1 干涉檢查

干涉檢查可采用兩種方式，即裝配體碰撞檢查和靜態(tài)干涉檢查[3]。在建造過程中使用靜態(tài)干涉檢查，能夠及時發(fā)現(xiàn)構(gòu)件之間存在干涉的部位，結(jié)合設(shè)計圖紙分析屬于模型建造問題或是設(shè)計問題，及時對結(jié)構(gòu)做出調(diào)整，以滿足實際生產(chǎn)操作要求。例如以端梁腹板底面為基準(zhǔn)面進行背拉桿節(jié)點板及主梁后翼緣建造時，拉伸后發(fā)現(xiàn)二者均與端板存在干涉，此時便需要對干涉部位進行切除，在實際生產(chǎn)過程中也應(yīng)當(dāng)注意此問題。

在建立運動算例之前，向門葉添加“旋轉(zhuǎn)”命令，并在此過程中進行裝配體碰撞檢查，以防止各構(gòu)件因存在干涉而無法正常運行，但在旋轉(zhuǎn)時應(yīng)當(dāng)注意旋轉(zhuǎn)角度不得大于閘門啟閉最大運行角度，避免影響檢查結(jié)果。

2.2 重心測量

門葉單節(jié)制造過程中，為保證吊裝翻身安全，需要對門葉單節(jié)重心及質(zhì)量進行測量，用以確定吊耳位置及吊裝方案[4]。測量時使用三個方向的量來確定重心位置，即重心到中間位置隔板的距離X、到面板的距離Y以及到主梁的距離Z。下閘首九節(jié)門葉中，底節(jié)與頂節(jié)受板厚及結(jié)構(gòu)影響，重心位置要偏向門軸柱側(cè)，即X值要大于零，其余各單節(jié)均為對稱結(jié)構(gòu)，重心位于中間位置隔板板厚中心，即X值為零。

2.3 運動算例

閘門運動算例可用多種方法創(chuàng)建，其中最為快捷的方法便是開始前選擇自動鍵碼，在不同時間節(jié)點處拖動門葉旋轉(zhuǎn)至合適位置，時間軸線上將自動生成鍵碼，隨之算例生成，此種方式雖可以展示閘門基本運行狀況，但其最大的缺點為拖動門葉時無法精準(zhǔn)掌握閘門啟閉角度，因此算例存在一定的誤差。

第二種方式便是給閘門添加旋轉(zhuǎn)馬達，讓其自動啟閉。將“旋轉(zhuǎn)馬達1”添加至底樞底座，馬達方向選擇底座任一圓周面并調(diào)整至合適方向，使頂蓋相對其移動，運動方式選擇“距離”，位移設(shè)置為67.5°，開始時間設(shè)置為“0秒”，持續(xù)時間設(shè)置為“5秒”，點擊“計算”則閘門開啟部分計算完畢。隨后復(fù)制0秒時間節(jié)點處各實體鍵碼，粘貼至11秒節(jié)點處，在6秒節(jié)點處添加“旋轉(zhuǎn)馬達2”，除開始時間設(shè)置為“6秒”外，其余步驟與“旋轉(zhuǎn)馬達1”相同。此時兩個馬達作業(yè)時間點均是0-11秒，互相干擾導(dǎo)致無法計算，因此需要在“旋轉(zhuǎn)馬達1”5秒節(jié)點處放置鍵碼并將鍵碼后時間點全部關(guān)閉，在“旋轉(zhuǎn)馬達2”6秒節(jié)點處放置鍵碼并將鍵碼前時間點全部關(guān)閉，隨后點擊“計算”，則閘門啟閉運動算例生成。此種方式雖操作較為麻煩，但精準(zhǔn)度更高，可以更加準(zhǔn)確地展示閘門運行狀況。

以上兩種方式無論是直接拖動還是添加旋轉(zhuǎn)馬達，均是對閘門啟閉動力進行模擬，現(xiàn)實中閘門啟閉并未依靠馬達，而是采用臥式液壓啟閉機實現(xiàn)啟閉，啟閉機推拉桿頭部的球軸承與設(shè)置在閘門頂梁處的插銷軸聯(lián)接，以此來傳遞動力。

3 結(jié)語

(1)使用Solidworks在船閘制造前進行三維建模，在建模過程中預(yù)見實際生產(chǎn)可能會遇到的問題并解決，從而避免失誤，提高生產(chǎn)效率；將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維實體，使船閘具象化，不僅加強了對船閘結(jié)構(gòu)的理解，還對進一步掌握設(shè)計圖紙技術(shù)要求及制造工藝有一定的幫助。

(2)通過對船閘的測量，確定船閘重量及重心等關(guān)鍵參數(shù)，對于保障吊裝過程的安全具有極大的幫助；使用運動算例模擬船閘運行時的狀況，加深了對船閘運行原理及各機構(gòu)間配合關(guān)系的理解。

(3)此次船閘模型的成功建立，為后續(xù)船閘及更多構(gòu)件模型的建立提供了寶貴的經(jīng)驗，今后對模型的應(yīng)用也必將進一步加深。