溪洛渡大壩表孔液壓啟閉機油缸支鉸結構設計及有限元計算分析

2012-12-19 02:00:10龍朝暉王小慧劉天德

水電站設計 2012年1期

龍朝暉，王小慧，劉天德

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 前言

露頂式弧形閘門液壓啟閉機中間鉸支承有兩種型式，一種是鉸支座預埋在閘墩邊墻內，另一種是受邊墩高度限制鉸支座安裝在閘頂表面。溪洛渡大壩表孔液壓啟閉機鉸支承采用第一種型式，應用傳統力學方法計算支鉸結構，因力學模型的簡化使計算存在較大的誤差與困難，較難全面反映支鉸結構受力情況，故采用三維有限元方法對該支鉸的結構強度進行驗算分析。

2 閘門及啟閉機布置

溪洛渡大壩壩頂中部設置7個表孔，工作閘門為露頂式弧形閘門，孔口尺寸為12.5m×14.4m(寬×高)，底止水高程為586.155m，壩頂高程為610.00m。閘門采用2×1 000kN懸掛式(油缸中部支承)液壓啟閉機操作，其布置見圖1。

3 支鉸結構設計

油缸支鉸設計為十字鉸型式(見圖2)。支鉸由內、外鋼筒與外伸支架組成，內外鋼筒軸線(X向)與外伸支架的C處油缸軸承座孔的軸線(Z向)為空間垂直關系。其中，外鋼筒通過與預埋插筋焊接等形

圖1 大壩表孔液壓啟閉機閘門布置

式鑲嵌于混凝土中，與水工結構成一整體受力部件；內鋼筒通過AB兩個軸套安裝于外鋼筒內部，可繞垂直水流方向軸線旋轉，以適應油缸在順水流平面內的轉動；外伸支架與內鋼筒焊接，C處設置與內外鋼筒軸線互相垂直的油缸軸承座孔，以適應啟閉機與閘門的安裝誤差引起的側向擺動及閘門啟閉過程中的側向振動。

4 支鉸結構強度有限元驗算

4.1 工況分析

從啟閉機與閘門的工作特點可知，在啟門瞬間、

圖2 支鉸結構型式與受力簡圖

啟門過程、閉門過程、閉門瞬間的工況循環中，支鉸在啟門瞬間受力最大，故將啟門瞬間工況作為該支鉸結構強度校核的計算工況。在結構強度計算中，相對于啟閉荷載，結構自重的影響極小，支鉸為軸對稱結構(外伸支架與內鋼筒繞軸線轉動)，因此可認為支鉸的安裝位置與角度不影響支鉸結構自身的強度計算。

4.2 強度理論與允許應力

支鉸應力分布為三向應力狀態，在常溫、靜載受力狀況下，金屬材料應按第四強度理論驗算結構強度。第四強度理論為：

其中σ1、σ2、σ3為計算點的三個主應力，[σ]為允許應力。

按DL/T5013-95《水利水電工程鋼閘門設計規范》，構件允許應力見表1。

表1 構件允許應力

注：[σcd]為腹板局部承壓應力。

4.3 荷載計算

液壓啟閉機在啟閉閘門時，油缸傳遞到支鉸的載荷主要為沿油缸軸向的拉力P，以及克服內外鋼筒之間滑動摩擦所需的附加轉矩M。為安全計，支鉸承受的拉力P需在理論啟閉力F的基礎上考慮動載效應，采用1.1的動載系數，即P=1 000×1.1=1 100(kN)，計算出內鋼筒支承軸套AB兩處的支座反力：RA=1 865kN，RB=765kN。考慮AB處軸套的摩擦系數ξ為0.15，A處軸套內徑為680mm，B處軸套內徑為660mm，則克服滑動摩擦所需的附加轉矩MA為：MA=95 115kN·mm，MB=37 867.5kN·mm。該附加轉矩由C處的兩側軸承座受力不一致產生，兩側軸承座孔中心距為620mm，故作用在C處軸承座上的附加力偶PΔ為：PΔ=214.488kN。