平板閘門的結構設計與研究

范科飛 安平

摘要：液壓平板閘門目前已廣泛應用于河流、礦山等領域，具有結構簡單、密封性好、操作靈活、便于控制等優點。為控制城市地下污水管道分流、引導，設計了液控平板閘門，并通過軟件對其進行三維建模和有限元仿真。通過對平板閘門不同開口度的靜力學仿真和模態分析，得到閘門工作時的應力、變形、各階固有頻率和振型，可根據平板閘門的固有頻率合理設計污水管道水工設備并決定其應用場合。靜應力分析和模態分析為管道用平板閘門的結構設計和應用工況分析提供了理論依據。

關鍵詞：平板閘門;靜力學仿真;模態分析

中圖分類號：TV663+.1? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）04-0040-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.012

0? ? 引言

近年來，我國城市化進程發展迅猛，用于防洪排澇和收集城市用水的給排水系統是城市發展不可缺失的一部分[1]。城市地下管網的建設和管理之間存在時間差、不同步現象是大部分城市在發展過程中存在的難題，主要表現為管網設計落后、不夠超前，已建污水管網基礎資料缺失，日常管理存在多頭現象、銜接不暢不到位等[2]。南京市雙壟河為南北向河道，目前雙壟河與二陽溝連通工程正由橋工段企業實施，為合理分配雙壟河蓄排雨水功能，充分發揮水利調度優勢，亟需設計一款自動化程度高、環境適應性強的閘門。

平板閘門因具有結構簡單、安裝容易、維修方便、綜合造價低、運行安全可靠等優點[3]，近年來廣泛應用于各種水利樞紐或水電站中。作為水利工程中的擋水裝置，水利管網的運行與閘門結構的可靠性密切相關。運用軟件分析，依據相應規范驗證鋼閘門設計的可行性，對引水工程閘門結構進行靜力學模擬計算和頻率分析，得出適合引水工程的閘門結構型式，對工程應用具有重要意義[4-5]。

1? ? 結構設計

閘門設計的重點和難點主要在于如何選擇更優的閘門構造型式，以更好地滿足工程布置及功能要求。基于安裝環境需求，本設計選擇平板式閘門為基本構型，輔以液壓缸、加強筋等構件，完善平板閘門整體結構。

本設計平板閘門如圖1所示，包括滑道、液壓缸、桁架、液壓桿、擋水板、加強筋及密封件等。平板閘門安裝面與水工建筑螺栓連接固定，擋水板與液壓桿鉸接固定，通過外接油路控制液壓桿的伸出、縮回實現活動閘門的位移、開啟、關閉，或將活動閘門鎖定在油缸行程內的某一位置，控制泄水量。

如圖2所示，滑槽直升式擋水板，面板厚度10 mm，背部焊接田字型加強筋，增加結構強度。閘門整體尺寸為1 200 mm×2 000 mm×183 mm，最大開口直徑800 mm。

2? ? 力學分析

平板閘門正常運行時，閘門材料均處于線彈性階段，其各構件產生形變均較小，因此計算時為線彈性薄板問題。閘門薄板廣義上的應變矩陣為：

應力矩陣為：

由于薄板為各方向同性質的均勻材質，考慮水工鋼閘門材料的實際情況，視各板結構均為彈性變形：

式（3）中的矩陣D為水工鋼閘門材料的彈性矩陣，由各構件材料的彈性模量E與泊松比ν共同決定，屬于材料的固有屬性。矩陣D的計算公式可以表示為：

在平板閘門的應用中，設計承載水壓為10 kPa，為更好地計算閘門受力狀態，有必要進行有限元分析。將建立的平板閘門三維模型導入ANSYS中，并施加約束和負載，觀察不同開口度平板閘門的受力狀態。

圖3為閘門全閉工況下受力變形云圖，從圖中可以看出閘門的主要變形分布在擋水板中部，最大變形量不超過0.5 mm。加強筋處于變形集中部位，能夠起到增加擋水板強度的作用。

圖4和圖5為閘門半開狀態下的變形和應力分布云圖，由圖可知，平板閘門在運行過程中變形和應力均較小，閘門可靠性高，使用穩定。變形與應力較大位置有加強筋支撐，保證了擋水板的可靠運行。

3? ? 模態分析

為避免平板閘門在使用過程中與其他水工設備產生共振而造成嚴重損壞，有必要對閘門進行模態分析，確定結構的模態與主振型。對于平板閘門，因其質量和剛度都具有分布特性，理論上將其看成有限多自由度問題。多自由度無阻尼自由振動微分方程的一般形式為：

系統自由振動中，假設所有質量均做簡諧振動，方程的解為：

式中：Xi為第i階振型中位移的陣列;A（i）為第i階振型中各點的振幅向量;ωni、φi分別為第i階的固有頻率和相角。

對于振動系統，振幅不全為零，故有特征方程：

求解特征方程后可以得到固有頻率，即式（8）的特征值。在求得系統各階固有頻率后，將其中某一階固有頻率ωni代回到主振型方程式（7）中，并展開得：

對式（9）進行求解，求得的值都與An（i）成正比，這樣就得到了第i階固有頻率ωni的n個振幅之間的比例關系，也就是系統按第i階固有頻率振動時各坐標的振幅比。所以，這n個具有確定相對比值的振幅組成的列陣稱為系統的第i階主振型，即：

將三維模型導入ANSYS中，并完成材料屬性設置，對閘門結構采用自適應網格劃分，隨后進行模態分析。

全閉閘門模態云圖如圖6所示。

從圖7中的數據可知，在平板閘門全閉狀態下的各階模態中，閘門結構都發生了嚴重變形，特別是在第9階121.55 Hz和第10階121.79 Hz，主振型超過1 m。

平板閘門運行過程中半開狀態經常出現，故有必要對半開狀態閘門進行分析，圖8為半開閘門模態云圖。

圖9為半開閘門前10階固有頻率和主振型，從圖中可以看出，在第1階70.3 Hz、第6階113.35 Hz、第8階132.01 Hz及第10階193.62 Hz主振型較大，均超過0.4 m。在閘門半開狀態下應避免此頻率產生共振現象。

圖10為閘門全開狀態下的固有頻率和主振型，其中第1階70.37 Hz、第4階112.71 Hz、第6階132.01 Hz和第8階194.16 Hz主振型較大，均超過0.4 m。在閘門全開狀態下應避免此頻率產生共振現象。

4? ? 結論

本文基于SolidWorks和ANSYS軟件對平板閘門進行三維建模及靜力學和模態分析，通過時域和頻域兩個角度驗證平板閘門的可靠性，由仿真得出如下結論：

（1）根據平板閘門靜力學仿真分析結果，閘門全閉狀態下最大變形發生在擋水板中心位置，半開閘門最大變形在擋水板底部，應在附近分布加強筋，以增加擋水板強度。

（2）通過對平板閘門不同開口度的模態分析，得出不同開口度下固有頻率的分布和主振型的大小，為平板閘門的應用提供了參考，可避免在使用中發生共振現象。

[參考文獻]

[1] 郭永強.市政污水管納入綜合管廊的設計要點及影響探析[J].黑龍江交通科技，2020，43（7）：98-99.

[2] 喬小虎.淺談縣城污水管網管理中存在問題及對策[J].建筑與預算，2021（8）：101-103.

[3] 畢秋生，馬弘毅.高精度控制液壓平板閘門的設計與實現[J].煤炭技術，2017，36（11）：291-294.

[4] 楊光明，萬宇飛，俞人杰，等.考慮止水位置的平面鋼閘門應力有限元分析[J].人民長江，2019，50（1）：153-157.

[5] 吳鋒.三金攔河閘改建工程閘門的設計及優化[J].黑龍江水利科技，2018，46（4）：148-150.

收稿日期：2021-11-24

作者簡介：范科飛（1971—），男，江蘇句容人，機械工程高級工程師、建設工程教授級高級工程師，長期從事機械設備及工程管理相關工作。

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