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船闸闸门底枢的结构仿真

数控产品网 www.cncproduct.com   2014-06-23   来源:网络转载   阅读:718次

0 引言

    交通运输业是国民经济中的一个重要组成部分,时刻影响着整个社会的经济活动。现代交通运输业由铁路、公路、水运、航空和管道等运输方式所组成。其中水运的运输能力高,运输成本低,便于大、中、小结合及长短途运输结合、对环境污染少,成为交通业中的一个重要组成部分。

    我国具有发展内河水运的天然良好条件,潜力很大。在兴建水利枢纽,渠化河流和修建运河时,船闸是克服集中落差的一种主要通航建筑物,它是由上下闸首、闸门、闸室等组成的。闸室灌水和泄水,使水位升降。船闸的闸首、闸室都是固定不动的水工建筑物,由闸首、闸门、闸室围成固定不动的闸厢,起挡水作用。船过闸时,由廊道和阀门构成的输水系统向闸室灌水,闸室水位上升;闸室向外泄水,闸室水位降落。停在闸室的船舶靠水的浮力,随闸室的水位升降,与上游或下游水面齐平,达到克服水位差的目的。

    船闸在水利枢纽通航中所起的关键作用,是枢纽的重要组成部分。对于特别重要的通航河流上,如长江、京杭运河、西江上的水利枢纽中,船闸则占有很重要的地位。这就要求船闸设计从选型与布置,结构设计,计算校核和系统仿真各个方面提供保证条件,满足运行要求。

1 闸门的选型分析

    人字闸门:是承受单向头的船闸中,最常见的门型。人字闸门由两扇门叶组成,门叶底部支承在底枢上。通过在顶部的启闭机推拉杆的作用,门叶能绕着通过项、底枢中心的轴线转动。在启闭时门叶靠顶、底枢支承;关闭挡水时,水压力靠设在门轴柱上的、枕垫块,传递给闸首两侧的边墩。

    三角闸门:启闭是绕垂直轴旋转,俯视形如三角形而得名。国外三角闸门的挡水面多做为圆弧形,因此亦称为扇形闸门。或将其归为弧形闸门一类,称为平转式弧形闸门。三角闸门挡水时,作用在面板上的水压力的合力,通过旋转轴,偏心很小。因此,闸门启闭力较小,能在动水启闭,能承受双向水头。

图1 人字闸门和三角闸门 

图1 人字闸门和三角闸门

    底枢是人字门中最容易发生故障的部件。底枢结构形式必须使门叶受压力作用时,底枢不传递水压力作用。让作用在低梁上的水压力只通过支、枕垫块传到闸墙上。当支、枕垫块长期使用而发生磨损时,当门叶拱高下垂时,要有防止底枢受力过大的措施。底枢形式根据构造不同可分为两类:一是活动式底枢;二是固定式底枢。典型活动式底枢由上帽盖、承轴台的可动部分和轴承台的不动部分构成。上帽盖是与支垫座铸在一起的钢铸件,用螺栓固定在底梁腹板的门轴柱端。在上帽盖内镶嵌青铜衬套,蘑菇头就在衬套内,固定在承轴台的可动部分上,而承轴台的可动部分又安装在承轴台的不动部分上。当门叶关闭时,在承轴台的可动部分与不动部分之间,预留有3mm的缝隙。当门叶开启时,在底枢水平作用力,预留的缝隙消失水平力就传到承轴台的不可动部分上。当门叶关闭时,支、枕垫块接触后,门叶受到挤压重新形成缝隙。这时,门叶承受的水压力由支、枕垫块传至闸墙。在承轴台的可动部分与不可动部分之间设置导向缝,控制移动方向与门叶轴线平行。缝隙内设有橡皮垫圈,以防止杂物进入。

2 三维软件的选择

    选择SolidWorks2008软件进行仿真。SolidWorks是一个基于特征、参数化、实体建模的设计工具。该软件采用Windows图形用户界面。功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点,使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。利用SolidWorks,可以创建全相关的三维实体模型,设计过程中,实体之间可以存在或者不存在约束关系;同时,可以利用自动的或用户定义的约束关系来体现设计意图。

3 结构设计说明

3.1基础预埋件

    基础预埋件的作用是将门体所受到的荷载安全的传递到闸首、闸墙上。

    对于安装、调整、定位和固定埋件用的锚栓和插筋,应有足够的强度和刚度,直径一般不小于16mm,伸入一期混凝土,一般不小于200mm。

    为保证预埋件安装的精度,在埋件处的混凝土常采用浇筑二期混凝土的办法。预留二期混凝土的范围,应有足够尺寸,便于埋件的安装调整,并应注意新老混凝土的结合。

图2 预埋件组合 

图2 预埋件组合

3.2步拉杆部分及其调整方法

    为了能适应各种情况,支撑结构的拉杆需可调长度。为实现拉杆长度可调整,此支撑结构的拉杆部分由下拉杆支座、下拉杆、调节螺栓支座、一堆楔块组成。

    此底枢结构的拉杆部分由下拉杆与下拉杆支座两部分组成,下拉杆支座内有一对楔块与下拉杆锲合,下拉杆内槽以及两楔块都有一定的斜度。通过调节楔块的上下位置,达到调整拉杆长度的目的。楔块由设在下拉杆支座上的调节螺栓支架内的调节螺栓调节位置,调整到合适位置后在楔块下垫上垫块固定。当旋动内凹楔块的调节螺栓,内凹楔块上升,拉杆长度伸长;当旋动外凸楔块上的调节螺栓,外凸楔块上升,拉杆长度缩短。

图3 拉杆长度的调整方法的示图 

图3 拉杆长度的调整方法的示图

3.3底枢部分

    下拉杆支座:一端连接门叶结构部分,一端连接甲乙两拉杆,低端连接蘑菇头及轴承台,是底枢结构的中心。

    连接门叶部分:靠两个方向的螺栓组连接。

    连接拉杆部分:靠底枢轴连接甲乙两拉杆,使下拉杆支座2能自由旋转,从而使门叶自由旋转。

    连接轴承台部分:靠蘑菇头与蘑菇头衬套连接,轴承台埋在混凝土中固定,与蘑菇头连接,蘑菇头与蘑菇头衬套实现旋转。此部分承受底枢结构的所有垂直压力。

图4 底枢部分 

图4 底枢部分

4 重点零件的计算与校核

4.1下拉杆的校核

    下拉杆是是底枢支撑结构传递拉力的关键部分,按照要求对下拉杆进行校核。

图5 下拉杆俯视图 

图5 下拉杆俯视图

    假设拉杆拉力100t,试校核l1、l2尺寸:

    本零件材料为锻45,查得其力学性能:屈服强度σS≥355mpa,则σn取355mpa,n取1.5

    [σ]=σn/n=355/1.5=236.67mpa

    l1=F/A1=(1×106)/(180×l1mm2)≤[σ],计算可得:l1≥4225.3mm

    同理:

    l2=F/A2=(1×106)/(180×(l2-280)mm2)≤[σ],计算可得:l2≥4505.3mm

    该拉杆若按照拉力100t校核,则拉杆尺寸:l1≥4225.3mm;l2≥4505.3mm

4.2蘑菇头与衬套间的接触应力

    蘑菇头固定安装在闸首边墩的承轴台上,它是一个半球型的金属头,其上部为一个与之相配套的衬套,它们共同承担闸门自重和门体自重产生的偏心力分力,在设计计算时,以上荷载最终简化为一集中荷载作用于蘑菇头。

    目前,在人字闸门底枢摩擦副蘑菇头与铜衬套的设计及材料选用中,较多地选择铸钢与之相配套的铜衬套,这种结构形式具有很多优点,如闸门能够绕着顶枢、底枢形成的轴线自由转动,钢与铜的组合能够发挥材料特性,减小摩擦。但其最大的缺点是:常年处于水下,泥沙污染大,工况恶劣;一旦蘑菇头与铜衬套之间的油膜被破坏,底枢蘑菇头与铜衬套就会抱死,加剧铜衬套的磨损,久而久之,门体的门轴柱发生倾斜,使门体止水不严,影响船闸的正常运行。

    由于底枢摩擦副所用的材料是“软硬”结合,即蘑菇轴头采用铸钢,球瓦采用铸铜,而铜的耐磨性能比钢低得多,所以底枢破坏时一般表现为:球瓦有较大的磨损破坏。底枢摩擦副的设计,主要考虑蘑菇头和轴套间的接触应力,以此得到轴头的半径,并选择相应的球瓦尺寸及材料。现行人字闸门底枢摩擦副接触应力的计算公式,主要有三个:

    一、是经典赫兹接触理论的计算公式;

    二、是按材料力学的原理计算平均应力的计算公式;

    三、是以材料力学原理为基础,借鉴赫兹理论应力分布假设得到的最大接触应力的简化计算方法。

    计算过程在此处不详细展开,可以自行立式计算。

图6 蘑菇头与蘑菇头衬套连接 

图6 蘑菇头与蘑菇头衬套连接

5 结束语

    本文对船闸的闸门选型、结构设计和重要部件的检验和校核分别进行介绍,着重对人字闸门支承运转件——底枢作了详细的介绍。并且发现,底枢的失效不仅仅与拉杆的受力有关,和底枢的摩擦副接触应力也有很大的关系,因此对现行的人字闸门的技术改造不能从根本上改变问题,还需对底枢的摩擦副接触应力进行验算,文中也提供了三种计算方法,可供参考。并且我们可以进一步加以研究,以期拟合出蘑菇头的接触应力的计算公式。

CncProduct.Com(编辑:小朱)
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