門槽預埋件安裝精度對閘門磨損的影響仿真分析

涂菊初，喬鵬飛，金向杰

（1.中鐵七局集團第三工程有限公司，陜西 西安 710032；2.華北水利水電大學機械學院，河南 鄭州 450000）

平面閘門具有結構簡單、啟門力小等特點，廣泛應用于中小型引水工程中。平面鋼閘門一般由活動的門葉結構、埋件和啟閉設備等組成。門葉和埋件之間通過滾輪實現閘門的升降運動。如：二灘水電站尾水管閘門[1]，烏東德水電站右岸導流隧洞[2]等。

預埋件的精度與閘門啟閉性能有直接的聯系，國內外學者對門槽施工及精度進行了研究。白潤波等[3]針對水工鋼閘門軌道底板與混凝土基礎間的接觸問題，基于三維接觸有限元數值實驗和物理模型試驗綜合分析，探討軌道截面尺寸、砼基礎厚度及砼強度等對軌道-砼基礎接觸壓應力的影響效應。韓君格[4]運用ANSYS 分析了滑桿折疊式閘門的強度和剛度，并優化了閘門的靜動力學特性。混凝土和門槽結構強度計算時，Ong 等[5]采用拉壓桿模型計算D 區能滿足工程精度的要求，并能用于任何混凝土結構及荷載情況。白潤波等[6]采用理論推導、數值計算、有限元求解的方法對水工鋼閘門軌道縱向應力進行了研究。研究表明軌道與混凝土基礎的水平摩阻力使軌道底面彎曲應力有較大幅度下降，輪軌接觸局部荷載的作用與彎矩的疊加效應使軌道頂部橫截面的正應力有大幅度提高。

盧新杰等[7]針對傳統平面門槽在二期混凝土澆筑時產生的問題提出了一種新的平面閘門門槽埋件支撐裝置及門槽埋件安裝方法，可保證門槽安裝精度的同時通過一次性混凝土澆筑即可滿足水工要求，加快了施工進度。曹洋[8]提出了水工閘門門槽混凝土與埋件一次施工技術，即在混凝土澆筑之前安裝門槽埋件，然后焊接門槽埋件成一個整體，澆筑閘底板和閘墩混凝土，使得閘門槽埋件與閘底板及閘墩混凝土一次澆筑成型，保證了混凝土振搗充分及外觀質量。吳維明等[9]針對大型鋼閘門，提出了閘門門槽安裝方法。

綜上所述，眾多學者在閘門自身的強度、剛度等方面進行了分析和優化，在閘門的施工安裝工藝方面也進行了針對性研究，但是對于閘門安裝精度對閘門啟閉性能的影響研究較少，本文針對滇中引水工程楚雄段施工9標用鋼平面閘門，分析其安裝精度對門槽磨損的影響。

1 閘門及提升系統建模

本文中，閘門型式為平面定輪門，結構為3 孔3 扇，尺寸為4 200 mm×6 900 mm，設計水頭6.9 m，總水壓力1 024 kN，采用固定卷揚式啟閉機操控，啟升速度0.6 m/min，啟升高度13 m，如圖1 所示。

圖1 進水口閘門及提升系統

根據工程實際，對閘門預埋件及門葉進行等效簡化。水流方向取混凝土厚度為800 mm，門槽深度方向取500 mm，其他參數按工程實際選取，在SW 中建立單孔模型用于理論推導，如圖2 所示。

圖2 計算模型

2 門槽磨損分析

門槽在使用中，由于安裝誤差的存在，門槽升降過程中將加劇磨損。本文根據假設安裝變形的極限情況，計算門槽升降時，門槽的受力情況，根據Archard 磨損理論[10]，計算不同安裝精度時門槽的磨損量。混凝土和鋼門槽的參數見表1，水壓和閘門尺寸滿足設計要求。

表1 仿真分析用材料參數表

在ANSYS 中，仿真計算得到的變形量如圖3 所示。

圖3 應力應變計算結果

根據上述步驟，計算不同裝配誤差下的閘門應力大小，結果見表2。

表2 不同裝配誤差時的應力大小

磨損量的計算，通過阿查得模型得到。阿查得模型的計算公式如下：

式中：V 為磨損量，P 為法向壓力，L 為相對距離，H 為硬度，本文中取HB140，K 為磨損因子，本文中取2×10-5。

磨損量、法向壓力和距離的微分表達式為：

dV=dhdA，

dP=σdA，

式中：h 為磨損深度，A 為接觸面積。σ 由上述仿真分析得到。

根據表2 的應力大小，按啟閉1 000 次，每次13 m行程計算，得到最大磨損量，見表3。

表3 不同裝配誤差時的磨損量大小

3 結論

本文通過SW 和ANSYS 軟件，建立了簡化的鋼平面閘門模型，利用理論推導和有限元計算，分析了門槽在不同安裝精度下的受力情況及磨損大小。根據計算得到，在不同安裝誤差時，閘門啟閉1 000 次門槽預埋件最大的磨損量。本文的計算結果可以為閘門施工提供一定的理論依據。