液壓閘門增力式舉升機(jī)構(gòu)優(yōu)化及有限元分析

李凱旋，耿曄晗，竇立瑋，王 湛，閆永生

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048）

1 研究背景

目前，常見(jiàn)的液壓閘門主要包括合頁(yè)活動(dòng)閘、液壓升降壩、鋼壩閘等[1]，但多采用直推式舉升機(jī)構(gòu)，該類閘門在建攔蓄高度多為1～5 m，目前，最高在建也僅為6 m，資料可查建于南洋河天鎮(zhèn)縣[2]和遼寧省海城市[3]。隨著水利工程的發(fā)展，閘門也不僅僅局限于常規(guī)功能，需求也逐漸向景觀性、生態(tài)性、控制性等多重功能方向發(fā)展[4-6]，閘門攔蓄高度從1～6 m的常規(guī)攔蓄高度逐漸向6～8 m的較高攔蓄高度發(fā)展，舉升機(jī)構(gòu)已不能完全滿足當(dāng)前水工閘門的需求，亟待解決尋找一種適合于4～8m較高攔蓄高度尤其是攔蓄高度大于6m的舉升機(jī)構(gòu)，促進(jìn)液壓閘門技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

目前，對(duì)于閘門的工作特性已有一些研究基礎(chǔ)。如謝良平[7]建立常見(jiàn)3 m、4 m、5 m壩高的直推式液壓升降壩物理模型試驗(yàn)，研究分析其在不同開(kāi)啟方式下，正常泄水及擋水的泄流特性分析。陳業(yè)銀等[8]介紹了直推式液壓升降壩的結(jié)構(gòu)、原理及特點(diǎn)，并采用彈性力學(xué)三維有限元法計(jì)算不同工況下面板及支承結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形；周建方等[9]提出了鋼閘門結(jié)構(gòu)正常使用極限狀態(tài)可靠度分析的3種計(jì)算模式，對(duì)鋼閘門結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)規(guī)范正常使用極限狀態(tài)可靠指標(biāo)進(jìn)行了校準(zhǔn)計(jì)算和分析。

但是對(duì)于非直推式舉升機(jī)構(gòu)的工作特性研究相對(duì)來(lái)說(shuō)幾近空白，僅有劉明軍等[10]介紹了一種非直推式新型液壓攔河壩的優(yōu)缺點(diǎn)，該種結(jié)構(gòu)推力液壓缸行程較直推式的短，且每個(gè)支撐點(diǎn)都是三角形支撐，穩(wěn)定性更高，但也僅僅適用于6 m閘以下。俞昊捷等[11]介紹了一種非直推式折疊液壓壩支撐結(jié)構(gòu)在升降過(guò)程中的工作特性及有限元分析，并分析了該結(jié)構(gòu)在不同面板閉合角度下應(yīng)力的變化規(guī)律及壩前泥沙淤積對(duì)該種結(jié)構(gòu)的影響。

而本文的增力式舉升機(jī)構(gòu)是在直推式舉升機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行發(fā)展的新型機(jī)構(gòu)，該舉升機(jī)構(gòu)在升降過(guò)程中，受力不斷發(fā)生變化，舉升機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性都需要進(jìn)行深入分析及計(jì)算。本文結(jié)合其運(yùn)動(dòng)原理計(jì)算其在較高攔蓄高度4～8 m情況下，液壓缸缸徑、行程、穩(wěn)定安全系數(shù)隨啟閉角度的變化規(guī)律及關(guān)系，確定其在運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)情況，通過(guò)分析其安全穩(wěn)定性，判斷其適用的攔蓄高度工況條件。并以6 m寬、4 m高增力式舉升機(jī)構(gòu)為模型案例，建立三維有限元模型，開(kāi)展靜力學(xué)仿真分析計(jì)算，模擬超高溢流30 cm工況下的各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變及變形情況，提出需要改進(jìn)的部件及改進(jìn)措施，為液壓閘門增力式舉升機(jī)構(gòu)在較高攔蓄高度下的設(shè)計(jì)、改進(jìn)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

2 結(jié)構(gòu)模型建立及計(jì)算

2.1 三維模型及計(jì)算參數(shù)建立首先建立液壓閘門直推式、增力式舉升機(jī)構(gòu)三維可視化實(shí)體模型，能夠保證這兩種舉升機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行，且都可以實(shí)現(xiàn)閘門啟閉角度0°～75°任意角度擋水及泄水。直推式舉升機(jī)構(gòu)包括液壓缸、底鉸支座、鉸軸等。由液壓缸旋轉(zhuǎn)伸縮直推門葉，門葉繞底軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)升閘擋水，降閘泄水功能。直推式舉升機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液壓缸小角度直推和支撐，不僅安全可靠，也具有一定景觀性[12-13]；增力式舉升機(jī)構(gòu)包括門葉、上折疊桿組合、下折疊桿組合、底軸鉸鏈總成、綜合支架等。其中，上折疊桿與下折疊桿和液壓缸連接于連接軸，在連接軸處發(fā)生折疊，液壓缸伸縮旋轉(zhuǎn)推動(dòng)連接軸，上下折疊桿發(fā)生旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)門葉繞底軸旋轉(zhuǎn)，升閘擋水、降閘泄水。該舉升機(jī)構(gòu)與直推式相比，縮短了液壓缸的行程，也節(jié)省了折疊連桿下放后的空間[14]。具體液壓舉升機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，計(jì)算結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 舉升機(jī)構(gòu)三維詳圖

圖2 舉升機(jī)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)

表1 舉升機(jī)構(gòu)參數(shù) （單位：mm）

2.2 計(jì)算公式模擬工程條件，當(dāng)閘門倒伏時(shí)，壩面水平，即啟閉角度為0°；當(dāng)閘門立閘時(shí)，門葉有一定角度傾立，即啟閉角度為75°。工況為閘前超高溢流30 cm，閘后無(wú)水，參考文獻(xiàn)[15]，啟閉角度為0°、15°、30°時(shí)，按動(dòng)水壓力計(jì)算；當(dāng)啟閉角度大于40°、60°、75°時(shí)，按靜水壓力計(jì)算。

對(duì)于直推式結(jié)構(gòu)，將門葉OO′與液壓缸AB看作平衡力系，建立對(duì)O點(diǎn)彎矩為0的靜力平衡方程，推導(dǎo)出液壓缸受力，即：

對(duì)于增力式結(jié)構(gòu)，首先將門葉OO′、上折疊桿AB作為一平衡力系，該力系中考慮閘門所受水壓力，閘門自重，建立對(duì)O點(diǎn)彎矩為0的靜力平衡方程，得到上折疊桿所有推力；然后將上折疊桿AB、下折疊桿BD、液壓缸CE整體作為一平衡力系，該力系中考慮上折疊桿，液壓缸，下折疊桿受力，建立對(duì)D點(diǎn)彎矩為0的靜力平衡方程，推導(dǎo)出液壓缸受力公式，即：

液壓缸的液壓桿直徑采用公式

液壓缸穩(wěn)定安全系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[16]計(jì)算。式中：G水為壩面所受水壓力；G壩為壩重；e為水壓力中心離底部距離；μ為安全系數(shù)，取1.2；b為單支液壓缸所承受壩面長(zhǎng)度，取3 m；H為壩面長(zhǎng)度；h為攔蓄高度；γ為水的容重，取10 kN/m3；g為重力加速度，取10 m/s2；h1為超高溢流，取30 cm；h2為壩面底點(diǎn)距水面的垂直距離；α為啟閉角度；β為液壓缸與壩面夾角；OA為壩面底軸距上折疊桿與門葉交點(diǎn)的距離；P為工作壓力。

液壓缸穩(wěn)定安全計(jì)算，采用歐拉公式[17]計(jì)算：

式中：k為液壓缸穩(wěn)定安全系數(shù)；Fcr為液壓缸受壓臨界壓力；F為液壓缸所受軸向壓力；E為活塞桿材料縱向彈性模量，取2.06×105MPa；Id為活塞桿的截面慣性矩；μ0為長(zhǎng)度折減系數(shù)；μ為長(zhǎng)度系數(shù)，兩端鉸接μ=1；Lz為活塞桿全行程外伸狀態(tài)支點(diǎn)間距。

2.3 液壓缸缸徑隨啟閉角度的變化規(guī)律如圖3所示，兩種舉升機(jī)構(gòu)在閘門開(kāi)啟過(guò)程中，缸徑隨著啟閉角度的變化有很大的差別。直推式舉升機(jī)構(gòu)，起推時(shí)即啟閉角度為0°時(shí)候液壓缸受力大，隨著閘門的起升，液壓缸受力逐漸減小，減小到閘門升起啟閉角度45°左右，液壓缸受力逐漸增大至完全升起即啟閉角度為75°時(shí)停止，當(dāng)閘門完全升起時(shí)，液壓缸受力接近起推時(shí)的受力情況，由此可以看出，直推式舉升機(jī)構(gòu)在起推時(shí)，液壓缸受力最大，啟閉角度為75°時(shí)，受力與起推時(shí)接近，相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較大。而增力式舉升機(jī)構(gòu)，起推時(shí)，液壓缸受力很小，隨著啟閉角度的增加，受力逐漸增大，增大到啟閉角度30°時(shí)，達(dá)到最大，然后液壓缸受力逐漸減小，直到閘門完全升起，液壓缸受力最小，由此可以看出，該結(jié)構(gòu)在起推時(shí)和完全升起時(shí)，液壓缸受力最小，可以有效減小液壓缸的損壞，增長(zhǎng)閘門的使用壽命。

圖3 液壓缸缸徑隨啟閉角度的變化規(guī)律

2.4 液壓缸缸徑及行程隨攔蓄高度的變化規(guī)律通過(guò)2.3節(jié)確定最大允許缸徑值，選取液壓缸參數(shù)，揭示液壓缸缸徑及行程隨攔蓄高度的變化規(guī)律。如圖4所示，兩種舉升機(jī)構(gòu)的液壓缸缸徑和行程都隨著攔蓄高度的增加而增大，并存在一定線性關(guān)系，直推式舉升機(jī)構(gòu)的缸徑隨著攔蓄高度的增加遞增最慢，增力式舉升機(jī)構(gòu)的液壓缸缸徑隨著攔蓄高度的增加遞增最快，說(shuō)明在同等較高攔蓄高度情況下，直推式的缸徑較小，且隨著攔蓄高度的增加，缸徑增速較慢，存在一定的優(yōu)勢(shì)。相反，直推式舉升機(jī)構(gòu)的液壓缸行程隨著攔蓄高度的增加遞增最快，增力式舉升機(jī)構(gòu)的液壓缸缸徑隨著攔蓄高度的增加遞增最慢，說(shuō)明在同等較高攔蓄高度情況下，增力式舉升機(jī)構(gòu)中液壓缸行程較小，且隨著攔蓄高度的增加，行程增長(zhǎng)較慢，存在一定的優(yōu)勢(shì)。

圖4 液壓缸缸徑及行程隨攔蓄高度的變化規(guī)律

2.5 液壓缸穩(wěn)定安全性隨攔蓄高度的變化規(guī)律閘門在升降過(guò)程中，液壓缸整體承受軸向壓力，且活塞桿全行程外伸狀態(tài)支點(diǎn)間距Lz與液壓桿桿徑d之比大于10，可能就存在風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行安全穩(wěn)定性計(jì)算。直推式舉升機(jī)構(gòu)中細(xì)長(zhǎng)比在13～14范圍內(nèi)，已經(jīng)超過(guò)10，安全穩(wěn)定性較差，需要進(jìn)行安全穩(wěn)定性的校核計(jì)算，而增力式的細(xì)長(zhǎng)比在5～6范圍內(nèi)，安全穩(wěn)定性較高。液壓缸所受軸向壓力F與臨界力Fcr比為液壓缸的穩(wěn)定安全系數(shù)，且該系數(shù)不應(yīng)小于3.5[16]。由圖5可知，隨著攔蓄高度增加，該系數(shù)變化存在一定的趨勢(shì)。增力式舉升機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)隨著攔蓄高度的增加而增大，非常安全穩(wěn)定。但是直推式舉升機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)隨著攔蓄高度的增加而減少，且在攔蓄高度大于6 m時(shí)，該系數(shù)已基本小于3.5，存在一定安全隱患。由此可知，增力式舉升機(jī)構(gòu)適合于4～6 m較高攔蓄高度，尤其適合于攔蓄高度大于6 m的情況下，直推式舉升機(jī)構(gòu)已經(jīng)不能應(yīng)用于攔蓄高度大于6 m的鋼構(gòu)閘門。

圖5 液壓缸穩(wěn)定安全性隨攔蓄高度的變化規(guī)律

3 有限元分析計(jì)算

采用有限元方法對(duì)增力式舉升機(jī)構(gòu)開(kāi)展靜力學(xué)仿真分析計(jì)算，以模擬設(shè)定工況下結(jié)構(gòu)受力及變形情況。結(jié)構(gòu)整體單元采用solid186實(shí)體單元，邊界條件設(shè)置按項(xiàng)目實(shí)際情況簡(jiǎn)化設(shè)置，閘體模型寬度6000 mm，高度4000 mm，壩面可在0°～75°間轉(zhuǎn)動(dòng)，選取計(jì)算角度為（0°、30°、45°、60°、75°），閘體主體材料采用Q235B鋼，其他材料如軸、套等轉(zhuǎn)動(dòng)部件為45#鋼，閘體厚度為10mm，預(yù)埋件厚度為20 mm，底部鋼板通過(guò)地錨螺栓與基礎(chǔ)鎖緊固定，壩底基礎(chǔ)為鋼筋混凝土，施加荷載為擬承受壩頂溢流300 mm時(shí)，閘門承受靜水壓力載荷模擬計(jì)算，各部件旋轉(zhuǎn)部位設(shè)置為No Separation（不分離接觸），滑移部位（液壓缸）設(shè)置為bonded（綁定接觸）。網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，設(shè)置整體網(wǎng)格劃分最大尺寸100 mm，上折疊桿、下折疊桿、底軸鉸鏈總成及綜合支架細(xì)化網(wǎng)格，最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為20 mm，模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 029 677個(gè)，網(wǎng)格數(shù)量為541 915個(gè)。

在農(nóng)村地區(qū)，這種情況可以逆轉(zhuǎn)。在自然狀態(tài)下的木材存活和生長(zhǎng)時(shí)釋放VOCs;林地和森林中的空氣可以比許多室內(nèi)環(huán)境具有更高的濃度。

三維有限元網(wǎng)格劃分模型如圖6所示，具體分析主要部件的應(yīng)力、應(yīng)變及整體位移情況，主要部件包括閘門整體、門葉、底軸鉸鏈總成、綜合支架、上折疊桿組合、下折疊桿組合及鉸鏈軸、套等，計(jì)算所用材料特性詳見(jiàn)表2。

圖6 三維有限元網(wǎng)格劃分模型

表2 材料特性

3.1 各部件應(yīng)力最大值隨啟閉角度的變化規(guī)律主要部件的應(yīng)力最大值隨閘門啟閉角度的變化詳見(jiàn)圖7，可知：（1）門葉所受應(yīng)力隨著啟閉角度的增大而增大，并且在60°～75°的過(guò)程有明顯增大趨勢(shì)；（2）除門葉以外的其他主要部件受應(yīng)力情況與閘門整體受力趨勢(shì)一樣，隨著啟閉角度的增大而增大，但是在60°～75°的過(guò)程卻逐漸減小；（3）以材料屈服強(qiáng)度為判斷依據(jù)，分析該舉升機(jī)構(gòu)在不同啟閉角度下超過(guò)材料屈服強(qiáng)度的情況。對(duì)閘門整體進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，可知在60°情況下，位于該舉升機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部位即上折疊桿與下折疊桿的連接軸位置所受應(yīng)力最大，高達(dá)358.2 MPa，如圖8（a）；在75°情況下，門葉所受最大應(yīng)力高達(dá)336.54 MPa，位置處于門葉底軸液壓缸驅(qū)動(dòng)連接處，如圖8（b）；（4）在30°～60°情況下，底軸鉸鏈總成中底軸鉸鏈座立板位置高達(dá)330.83 MPa，如圖8（c）；綜合支架立板高達(dá)265.12 MPa，如圖8（d）；上折疊桿組合中上折疊桿結(jié)構(gòu)板高達(dá)358.2 MPa，如圖8（e）；下折疊桿結(jié)構(gòu)板所受應(yīng)力較小，僅為156.04 MPa沒(méi)有超過(guò)屈服強(qiáng)度，如圖8（f）。

圖7 各部件應(yīng)力最大值隨啟閉角度的變化規(guī)律

圖8 應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度應(yīng)力云圖

3.2 各部件應(yīng)變最大值隨啟閉角度的變化規(guī)律主要關(guān)鍵部位的應(yīng)變最大值隨閘門啟閉角度的變化詳見(jiàn)圖9，可知：閘門整體及門葉等效應(yīng)變隨著啟閉角度的增大而增大，并且在60°～75°的過(guò)程有明顯增大趨勢(shì)；除閘門整體及門葉以外的其他主要部件等效應(yīng)變情況隨著啟閉角度的增大而增大，但是在60°～75°的過(guò)程逐漸減小；在75°情況下，閘門整體及門葉應(yīng)變的值最大，為2.66×10-3mm/mm。

圖9 各部件等效應(yīng)變最大值隨啟閉角度的變化規(guī)律曲線圖

3.3 閘門整體隨啟閉角度的變形情況由圖10可知：閘門整體變形最大值在隨著啟閉角度的增大先增大后減小，如圖10（a）；啟閉角度為30°時(shí)，變形量最大，達(dá)到26.511 mm；選取啟閉角度為30°的三維云圖為例說(shuō)明，閘門主要變形的位置位于門葉前端，需要加強(qiáng)該處強(qiáng)度，如圖 10（b）。

圖10 整體變形隨啟閉角度的變化情況

4 結(jié)論

（1）液壓閘門增力式舉升機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)閘門啟閉角度0°～75°任意角度擋水及泄水，當(dāng)閘門開(kāi)啟0°～30°時(shí)，增力式舉升機(jī)構(gòu)的液壓缸受力逐漸增大，而后在30°～75°，受力逐漸減小，尤其當(dāng)立閘擋水（即開(kāi)啟角度為75°）時(shí)，液壓缸受力最小，這在一定程度上，可以大大減少液壓缸的損耗，延長(zhǎng)閘門的使用壽命。

（2）隨著閘門攔蓄高度的增大，增力式舉升機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)直推式舉升機(jī)構(gòu)相比穩(wěn)定性更強(qiáng)。傳統(tǒng)直推式舉升機(jī)構(gòu)隨著攔蓄高度的增加，液壓缸安全穩(wěn)定性越來(lái)越差，更適用于攔蓄高度小于6 m的工況條件；而增力式舉升機(jī)構(gòu)隨著攔蓄高度的增加，液壓缸安全穩(wěn)定性越來(lái)越好，說(shuō)明增力式舉升機(jī)構(gòu)更適用于較高攔蓄高度4～8m的工況條件。

（3）除在垂直作用于閘面的集中載荷作用下施力區(qū)域出現(xiàn)高應(yīng)力外，增力式舉升機(jī)構(gòu)在各工況下應(yīng)力水平均不超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度，局部應(yīng)力集中處應(yīng)力水平小幅超過(guò)了材料屈服強(qiáng)度；在垂直作用于閘面的集中載荷作用下，施力區(qū)域出現(xiàn)高應(yīng)力，建議要盡可能加大作用面面積，分散集中載荷，提高閘門的穩(wěn)定性；底軸鉸鏈總成、鉸鏈軸套區(qū)域及綜合支架存在應(yīng)力集中，建議加強(qiáng)焊接質(zhì)量檢測(cè)，防止疲勞開(kāi)裂等失效；增力式舉升機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件即上折疊桿與下折疊桿的連接軸部位、上折疊桿結(jié)構(gòu)板結(jié)構(gòu)突變處所受應(yīng)力最大，高達(dá)358.2 MPa，小幅度超過(guò)了材料屈服強(qiáng)度，建議增加連接軸軸徑、結(jié)構(gòu)板厚度或者增加過(guò)渡圓弧等結(jié)構(gòu)消除應(yīng)力集中，保證關(guān)鍵部件安全。

（4）閘門整體及門葉應(yīng)變最大值隨閘門啟閉角度的增大而增大，其他主要部件等效應(yīng)變情況隨著啟閉角度在0°～60°時(shí)增大而增大，在60°～75°的過(guò)程逐漸減小，75°時(shí)閘門整體及門葉應(yīng)變的值最大，為2.66×10-3mm/mm。

（5）閘門整體變形最大值在隨著啟閉角度的增大先增大后減小，在啟閉角度為30°時(shí)，變形量最大，達(dá)到26.511 mm，主要變形的位置位于門葉前端，建議加強(qiáng)該處門板厚度或添加增強(qiáng)構(gòu)件等，減少門葉變形量。