貴港航運(yùn)樞紐工程船閘1 600/200 kN門式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

張慶軍，李亞將，李孝明，曾令東

(中國(guó)葛洲壩集團(tuán)機(jī)械船舶有限公司，湖北 宜昌443007)

貴港航運(yùn)樞紐工程是西江航運(yùn)干線南寧至梧州段四個(gè)渠化梯級(jí)的第二個(gè)梯級(jí)，船閘1 600/200 kN門式啟閉機(jī)裝設(shè)于船閘50.0 m高程，運(yùn)行距離約388.5 m，軌距46 m。門機(jī)大車沿上下游方向走行，小車沿左、右岸方向走行，200 kN副鉤(電動(dòng)葫蘆)布置在上游門架主梁上，用于吊運(yùn)壩面和閘室零星物品。本機(jī)主起升用于船閘上下閘首疊梁檢修閘門、輸水廊道檢修閥門的啟閉及吊運(yùn)、上下閘首工作閘門、輸水廊道工作閥門及其啟閉設(shè)備的安裝及吊運(yùn)。

1門機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)

船閘1600/200 kN門機(jī)主要由小車、門架、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、200 kN電動(dòng)葫蘆、液壓自動(dòng)吊梁、160 t吊鉤組、司機(jī)室、電氣室、電力設(shè)備、錨定裝置等組成。門機(jī)總成見(jiàn)圖1所示。

門機(jī)的主要技術(shù)特性參數(shù)表見(jiàn)表1。

2門架結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

由于該門機(jī)跨度較大，為補(bǔ)償溫差和制造變形的影響，門架設(shè)計(jì)采用“一剛一柔”門腿結(jié)構(gòu)[1]，主框架結(jié)構(gòu)的梁體均采用箱型梁結(jié)構(gòu)，主梁總長(zhǎng)71 m，分三節(jié)制造，最長(zhǎng)一節(jié)為24 m，各節(jié)間采用高強(qiáng)螺栓及連接板進(jìn)行連接，主梁、剛性門腿與行走梁之間均采用法蘭螺栓連接方式，柔性腿與主梁之間采用可轉(zhuǎn)動(dòng)鉸座聯(lián)接。

2.1計(jì)算依據(jù)

1)強(qiáng)度及剛度評(píng)判。門架計(jì)算采用線彈性模型，材料選用Q345B，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3，容重γ=78.5 kN/m3，抗壓抗拉抗彎容許應(yīng)力[σ]=220 MPa[2]。門架容許剛度根據(jù)規(guī)范，當(dāng)工作級(jí)別為Q3-中時(shí)，跨中最大垂直靜撓度yL≤L/800，當(dāng)滿載小車位于懸臂上的有效工作位置時(shí)，該處的垂直靜撓度yL≤L/350，其中L為門機(jī)或小車的跨度[3]。

圖1門機(jī)總圖(單位：mm)

表1主要技術(shù)參數(shù)

2)荷載工況。起升載荷及小車自重載荷通過(guò)四個(gè)行走輪傳遞給門架主梁，門架行走梁通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接方式將上部全部載荷傳遞給大車運(yùn)行軌道，小車的水平慣性力按照集中力施加于小車輪壓處，門架水平慣性力按照慣性加速度施加水平方向場(chǎng)速度，主小車、液壓掛脫梁及起吊閘門的風(fēng)載荷按照集中力施加于門架頂部軌道小車輪壓位置，門架風(fēng)載荷以均布載荷型式施加于整個(gè)門架迎風(fēng)面上[4]。

門機(jī)工作時(shí)的重要計(jì)算工況及載荷組合如表2所示。

表2門機(jī)計(jì)算工況及載荷組合kN

注：工況2、3、6的P2、P3、P4、P5、P6的方向與主梁方向垂直。

2.2模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，主梁、支腿等結(jié)構(gòu)按等比例建立三維有限元模型(如圖2)，結(jié)構(gòu)的鋼板、內(nèi)部隔板、角鋼以及加勁肋板均采用四邊形和三角形板單元，單元厚度與設(shè)計(jì)方案保持一致。模型共有22.3萬(wàn)個(gè)單元，25.5萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。主梁與剛性腿、拱形梁之間，剛(柔)性腿與行走梁之間采用高強(qiáng)度螺栓連接，簡(jiǎn)化為剛性連接；主梁與柔性腿為鉸接，僅在X方向(右手定則)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，大車車輪與軌道的接觸點(diǎn)分為A、B……G和H，采用質(zhì)量單元替代，以確定軌道對(duì)輪的作用力的作用點(diǎn)。當(dāng)大車正常行走時(shí)，A、E位置固定，B、C、D、F、G、H可以沿軌道自由移動(dòng)，當(dāng)大車偏斜走行時(shí)，A、E位置固定，B、C、D、F、G、H點(diǎn)可以水平移動(dòng)，在D、H按規(guī)范加載偏斜力，如圖3。

圖2門架三維模型

圖3大車約束分布圖

2.3計(jì)算分析結(jié)果

考慮到該門機(jī)跨度很大，且主要由剛度控制門架結(jié)構(gòu)尺寸，因此依據(jù)門機(jī)主要載荷工況，特選取了10個(gè)變形較大的特征點(diǎn)進(jìn)行分析(見(jiàn)圖4)，點(diǎn)1、2位于剛性腿端的懸臂主梁上(距剛性腿中心線7.5 m)，點(diǎn)3、4位于跨內(nèi)剛性腿端的主梁上(距剛性腿中心線2.5 m)，點(diǎn)5、6位于主梁跨中，點(diǎn)7、8 位于跨內(nèi)柔性腿端的主梁上(距柔性腿中心線2.5 m)，點(diǎn)9、10位于柔性腿端的懸臂主梁上(距柔性腿中心線7.5 m)。由于該門機(jī)工況復(fù)雜，特選取表2中所列重要工況進(jìn)行分析。

圖4主梁最大位移統(tǒng)計(jì)點(diǎn)分布圖

2.3.1剛度校核

工況1：跨中，大車、小車不動(dòng)，起升載荷1 600 kN+自重載荷+風(fēng)載荷。

工況4：柔性腿外側(cè)懸臂極限位，大車、小車不動(dòng)。起升載荷500 kN+自重載荷+風(fēng)載荷

工況5：剛性腿外側(cè)懸臂極限位，大車、小車不動(dòng)。起升載荷500 kN+自重載荷+風(fēng)載荷

通過(guò)有限元計(jì)算分析，門架在額定載荷作用下，主梁跨中最大豎向位移控制工況為工況1，最大撓度為-47 mm，規(guī)范允許的最大撓度為[f]=L/800=46 000/800=57.5 mm。主梁剛性支腿最大豎向位移控制工況為工況10，最大豎向位移為-7 mm，規(guī)范允許的最大撓度為[f]=L/350=7 500/350=21.4 mm。主梁柔性支腿最大豎向位移控制工況為工況11，最大豎向位移為-6 mm，規(guī)范允許的最大撓度為[f]=L/350=7 500/350=21.4 mm。

2.3.2應(yīng)力校核

工況2：跨內(nèi)柔性腿極限位，大車制動(dòng)、小車不動(dòng)。行走載荷1 200 kN+自重荷載+風(fēng)荷載+慣性力。

工況3：跨內(nèi)剛性腿極限位，大車制動(dòng)、小車不動(dòng)。行走載荷1 200 kN+自重荷載+風(fēng)荷載+慣性力。

工況6：柔性腿外側(cè)懸臂極限位，大車制動(dòng)、小車不動(dòng)。行走載荷300 kN+自重荷載+風(fēng)荷載+慣性力+偏斜側(cè)向力。

通過(guò)有限元計(jì)算，在門機(jī)各正常工作情況下，主梁最大應(yīng)力控制工況為工況6，最大應(yīng)力為106 MPa，剛性腿最大應(yīng)力控制工況為工況3，最大應(yīng)力為81.4 MPa，柔性腿最大應(yīng)力控制工況為工況2，最大應(yīng)力為103 MPa。經(jīng)分析，以上門架主要工況下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點(diǎn)均非應(yīng)力集中點(diǎn)，且小于Q345B許用應(yīng)力220 MPa，均滿足規(guī)范要求。

2.3.3模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種方法，通過(guò)模態(tài)分析可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在外部或內(nèi)部振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)響應(yīng)，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及振動(dòng)故障診斷的重要方法[4]。采用有限元數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)門架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算研究，就是用有限元法解算結(jié)構(gòu)的特征值及特征向量，即結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，它們反映了結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)力特性，確定它們的值是動(dòng)力分析最基本的內(nèi)容。模態(tài)分析主要研究沒(méi)有阻尼的自由振動(dòng)，典型的無(wú)阻尼模態(tài)分析就是求解自由振動(dòng)基本方程的經(jīng)典的特征值。由于計(jì)算規(guī)模較大，自振頻率計(jì)算和模態(tài)提取采用了分塊蘭索斯算法(BlockLanczos)。分塊蘭索斯算法 (BlockLanczos)采用一組向量來(lái)實(shí)現(xiàn)Lanczos迭代，得到結(jié)構(gòu)前若干階特征值。分析時(shí)只須對(duì)模型施加零位移約束，本門機(jī)模態(tài)分析計(jì)算提取了門架前5階自振頻率，見(jiàn)表3，圖11～圖15列出了門架第1～5階振型的變形方式。

圖5 工況1門架Z方向位移(單位：m)

圖6工況4門架Z方向位移(單位：m)

圖7工況5門架Z方向位移(單位：m)

圖8工況2門架應(yīng)力分布圖(單位：kN/m2)

圖9工況3門架應(yīng)力分布圖(單位：kN/m2)

圖10工況6門架應(yīng)力分布圖(單位：kN/m2)

表3門架前5階自振模態(tài)

圖11第一階自振模態(tài)圖

圖12第二階自振模態(tài)

圖13第三階自振模態(tài)圖

圖14第四階自振模態(tài)

門機(jī)第1階振型為沿大車行走方向以主梁及門架頂部結(jié)構(gòu)為主的整體水平左右擺動(dòng)，主梁跨中振幅最大，可由門機(jī)大車啟、制動(dòng)激勵(lì)引起；第2階振型為主梁及門架頂部結(jié)構(gòu)為主的整體水平扭動(dòng)和前后擺動(dòng)，主梁剛性支腿側(cè)懸壁端振幅較大，可由小車、吊物沿主梁方向行走時(shí)水平制動(dòng)激勵(lì)引起；第3階振型為小車在主梁柔性支腿側(cè)懸壁端為主的整體水平振動(dòng)，可由小車、吊物沿主梁方向行走時(shí)水平制動(dòng)激勵(lì)引起；第4階振型及第5階振型為門機(jī)主梁的沿大車行走方向同方向和反方向水平擺動(dòng)。

圖15第五階自振模態(tài)

3結(jié)語(yǔ)

1)論述了超大跨度雙懸臂門式啟閉機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并結(jié)合需要考慮的荷載及工況組合，在最大限度模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的前提下，建立了門架結(jié)構(gòu)的整體有限元模型，計(jì)算校核了門架主要結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度均滿足現(xiàn)行規(guī)范相關(guān)要求。

2)從門架計(jì)算結(jié)果可以看出，主梁、剛性腿、柔性腿的最大應(yīng)力和撓度與鋼材的規(guī)范相比，有一定富余量，可在滿足門架強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的條件下，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低應(yīng)力集中，節(jié)約工程量。

3)模態(tài)分析結(jié)果表明，門機(jī)結(jié)構(gòu)由于跨度大，一側(cè)采用剛性支腿、一側(cè)采用柔性支腿，并且懸臂較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)剛度偏柔，低階振動(dòng)變形以主梁尤其是柔性支腿側(cè)懸臂端的水平振動(dòng)變形為主，實(shí)際工作過(guò)程中應(yīng)盡量平穩(wěn)門機(jī)各機(jī)構(gòu)啟、制動(dòng)，降低振動(dòng)發(fā)生的機(jī)率。

4)全剛性門架方案因受載荷和溫差產(chǎn)生的變形影響，導(dǎo)致大車車輪對(duì)門機(jī)軌道可能產(chǎn)生較大的側(cè)向壓力，從而增加門機(jī)大車車輪啃軌的可能，所以對(duì)于跨度大于35m的門式啟閉機(jī)，門架采用“一剛一柔”門腿結(jié)構(gòu)[1]，可以減小主梁因受載撓曲變形導(dǎo)致的門機(jī)大車啃軌現(xiàn)象，另外也可補(bǔ)償門機(jī)主梁和大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)制造和安裝過(guò)程中機(jī)械誤差的影響。