大跨度齒輪驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)式弧形下臥門水動(dòng)力特性及流激振動(dòng)研究

馮夢雪,嚴(yán)根華,董 家

(1.中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510610;2.水利部 交通運(yùn)輸部 國家能源局 南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029;3.水文水資源與水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210029)

本項(xiàng)研究依托澳門擋潮閘進(jìn)行。該擋潮閘具有擋潮、排澇、航運(yùn)、水環(huán)境等綜合利用功能。閘址位于灣仔水道喇叭口中部,從左到右依次布置船閘、排澇泵站、1孔通航孔、6孔泄水孔。通航孔凈寬62 m,底板高程-5.5 m,門型采用弧形旋轉(zhuǎn)下臥門,門頂高程5.5 m,門頂允許溢流高度0.6 m。泄水孔凈寬30m,底板高程-3.5 m,門型采用弧形旋轉(zhuǎn)下臥門,門頂高程5.5 m,門頂允許溢流高度0.6 m。閘門為單向擋潮,平時(shí)處于長開狀態(tài)平臥在河底,臺(tái)風(fēng)暴潮來臨前關(guān)閘擋潮。

本工程通航孔采用大跨度旋轉(zhuǎn)式下臥閘門,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性。本項(xiàng)研究精制了1∶20通航孔下臥門的水彈性振動(dòng)模型,同時(shí)還按工程實(shí)際布置情況進(jìn)行齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計(jì)與制造,為獲得通航孔下臥門的流激振動(dòng)安全性評估數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)保障條件。

通過閘門結(jié)構(gòu)水彈性振動(dòng)模型試驗(yàn),獲得不同外江和內(nèi)江水位組合條件下的閘門流激振動(dòng)加速度及振動(dòng)位移特征。本項(xiàng)試驗(yàn)還對閘門水封對流激振動(dòng)的影響程度進(jìn)行對比分析,取得了該型特型閘門的基本動(dòng)力響應(yīng)特征。

通過特制齒輪驅(qū)動(dòng)模擬系統(tǒng)獲得了通航孔下臥門不同工況下啟閉力變化特征,指出了影響閘門啟閉機(jī)容量的部分不確定因素,為啟閉機(jī)容量的合理選取提供了判斷依據(jù)。

閘門結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性的三維空間有限元分析獲得了閘門結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性,分別取得了門葉和轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力分布情況,給出了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足安全運(yùn)行要求的結(jié)論。閘門結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性成果獲得了不同約束條件下的閘門結(jié)構(gòu)固有頻率及振動(dòng)形態(tài),為閘門結(jié)構(gòu)的共振分析提供了評估依據(jù)。

最后,通過對閘門水力學(xué)、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性、啟閉力特性以及流激振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)的綜合分析,對閘門結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全性進(jìn)行科學(xué)評估[1-5]。在此基礎(chǔ)上,提出了確保通航孔下臥門安全運(yùn)行的相關(guān)建議。

1 通航孔下臥門結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用1∶20物理模型試驗(yàn),測量通航孔不同內(nèi)外江水位組合、閘門開度條件下的閘室段水流流態(tài)、流速分布和波高等水力特性。

1.2 閘門運(yùn)行流態(tài)特性

閘室流態(tài)觀測重點(diǎn)考慮正常運(yùn)行和非常運(yùn)行工況兩種情況下的水流流態(tài)特征。其基本流態(tài)特征具有如下形態(tài):

1.2.1 正常水位差條件下不同工況水流流態(tài)

在外江1.5 m、內(nèi)江0.5 m水位組合條件下,閘門開度小于no=0.3以下,門體處于擋潮(擋水)狀態(tài);當(dāng)開度大于no=0.4流態(tài)時(shí),閘門門頂開始溢流。當(dāng)閘門相對開度no=0.4上游水流平穩(wěn),門頂水深較薄,水流呈現(xiàn)貼流狀態(tài),下游水流波動(dòng)不大,水流動(dòng)力作用較小(見圖1(a))。當(dāng)閘門開啟至n=0.5開度時(shí),閘上出現(xiàn)跌流流態(tài),閘室出現(xiàn)明顯的三滾式波浪(見圖1(b)),此時(shí)對閘門結(jié)構(gòu)形成一定的脈動(dòng)激勵(lì)力荷載,這種流態(tài)也是引發(fā)閘門流激振動(dòng)的主要?jiǎng)恿奢d源。隨著閘門開度的進(jìn)一步加大,過閘水流逐漸處于平穩(wěn)。說明這種特型閘門的水流流態(tài)具有較強(qiáng)的臨界性。

圖1 外江1.5 m內(nèi)江0.5 m,不同開度閘室流態(tài)

隨著內(nèi)外江水位的提高,閘室流態(tài)隨閘門開度略有變化,但仍以三滾波浪水流為主。當(dāng)外江水位2.0 m、內(nèi)江水位1.0 m,閘門開度no=0.5時(shí),閘上出現(xiàn)跌流流態(tài),閘室表現(xiàn)出三滾波浪水流(見圖2),波幅相對較大。這種水流流態(tài)形成的脈動(dòng)激勵(lì)力作用荷載,是誘發(fā)閘門流激振動(dòng)的主要?jiǎng)恿奢d源。

圖2 外江2 m內(nèi)江1 m,開度0.5閘室流態(tài)

1.2.2 加大水位差閘門溢流流態(tài)

在外江水位為3.0 m、內(nèi)江水位1.5 m,閘門開度no=0.4,閘室出現(xiàn)較強(qiáng)二滾波浪,三浪已經(jīng)推出閘室(見圖3(a)),對閘門結(jié)構(gòu)造成較大振動(dòng)激勵(lì)力的主要是前兩滾波浪。隨著上下游水位差的進(jìn)一步加大,閘室流態(tài)惡化,涌浪加大。如外江水位3.0 m、內(nèi)江水位1.0 m,閘門開度no=0.4,此時(shí)閘室涌浪明顯,相對于內(nèi)江水位1.5 m工況而言,水位差增大了下泄水流的動(dòng)能。其水流流態(tài)由兩滾波浪演變?yōu)榧磳⑼瞥鲩l室的一滾波浪形態(tài)(見圖3(b))。

圖3 加大水位差閘室流態(tài)

進(jìn)一步降低內(nèi)江水位至0.5 m,此時(shí)該工況的外江水位為3.0 m,閘門開度保持no=0.4,其水流流態(tài)同樣由兩滾波浪演變?yōu)榧磳⑼瞥鲩l室的一滾波浪形態(tài)。但閘室尾端的涌浪強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng),在此工況下涌浪波高達(dá)到1.2 m。

隨著上下游水位差的增加,旋滾與波浪的作用力呈現(xiàn)增加趨勢。這從波浪高度及強(qiáng)度兩方面得到佐證。

1.3 通航孔閘門水流脈動(dòng)壓力特征

通航孔閘門屬于大孔口結(jié)構(gòu),閘門啟閉過程中存在門頂與門底間隙同時(shí)過流現(xiàn)象,動(dòng)水壓力作用突出。為掌握閘門運(yùn)行過程中的水動(dòng)力荷載作用情況,對閘門結(jié)構(gòu)在不同上下游水位、不同閘門開度情況下的水流脈動(dòng)壓力特征進(jìn)行試驗(yàn)測試與分析。

通航孔閘門及閘室底板水流脈動(dòng)壓力測點(diǎn)布置見圖4。在門體中部、1/4斷面處及閘室底板等部位共布置15個(gè)測點(diǎn),以比較全面地測定動(dòng)水荷載對閘門結(jié)構(gòu)的作用情況。

圖4 通航孔閘門及閘室底板水流脈動(dòng)壓力測點(diǎn)布置圖

下臥門脈動(dòng)壓力測試按如下工況進(jìn)行:(1)外江水位1.5 m、內(nèi)江水位0.5 m脈動(dòng)壓力測量;(2)外江水位2.0 m、內(nèi)江水位1.0 m脈動(dòng)壓力;(3)外江水位2.5 m、內(nèi)江水位1.5 m脈動(dòng)壓力;(4)外江水位3.0 m、內(nèi)江水位2.0 m脈動(dòng)壓力。此外,還考查了不同水位差條件下的水流脈動(dòng)壓力變化狀況。

1.3.1 正常設(shè)計(jì)工況條件下閘門結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)壓力

外江水位1.5 m、內(nèi)江水位0.5 m時(shí),作用于閘門結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)壓力總體不大,門體溢流面上脈動(dòng)壓力均方根值較大值在1.825 kPa～4.737 kPa范圍內(nèi)變化;而閘室凹面縫隙流部位的脈動(dòng)壓力均方根值較大值在0.946 kPa～2.157 kPa范圍內(nèi)變化。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,門體溢流面的較大脈動(dòng)壓力強(qiáng)度約為閘室凹面縫隙流部位的脈動(dòng)壓力的2倍,說明門體溢流水舌及下游波浪或滾波對下臥門的動(dòng)力作用比縫隙流脈動(dòng)壓力要大的多,這與流態(tài)觀測一致,也是符合水流運(yùn)行實(shí)際情況的。

典型測點(diǎn)的閘門結(jié)構(gòu)脈動(dòng)壓力時(shí)域過程和功率譜密度繪于圖5。從脈動(dòng)壓力譜密度可以看出,閘門脈動(dòng)壓力能量主要集中在1.0 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)。

圖5 閘門結(jié)構(gòu)典型測點(diǎn)脈動(dòng)壓力時(shí)域過程和功率譜密度

隨著內(nèi)外江水位的改變,作用于門體的脈動(dòng)壓力略有變化。外江水位2 m內(nèi)江水位1 m作用于門體溢流面上脈動(dòng)壓力均方根值較大值在2.388 kPa～3.462 kPa范圍內(nèi)變化;而閘室凹面縫隙流部位的脈動(dòng)壓力均方根值較大值在0.67 kPa～2.4 kPa范圍內(nèi)變化。數(shù)據(jù)顯示,門體溢流面的較大脈動(dòng)壓力強(qiáng)度約為閘室凹面縫隙流部位的脈動(dòng)壓力的1.3倍,脈動(dòng)壓力能量主要集中在1.0 Hz以內(nèi)的低頻區(qū),其脈動(dòng)壓力量級及變化規(guī)律與前述工況基本相似。

1.3.2 水位差對閘門脈動(dòng)壓力的影響

外江水位3 m內(nèi)江水位2.0 m～0.5 m時(shí),作用于閘門結(jié)構(gòu)上下兩面的脈動(dòng)壓力隨水位增加而有所增加,門體溢流面上脈動(dòng)壓力均方根值較大值在2.96 kPa～5.63 kPa范圍內(nèi)變化;而閘室凹面縫隙流部位的脈動(dòng)壓力均方根值較大值在1.09 kPa～1.29 kPa范圍內(nèi)變化。數(shù)據(jù)顯示,門體溢流面的較大脈動(dòng)壓力強(qiáng)度約為閘室凹面縫隙流部位的脈動(dòng)壓力的3～5倍,說明上下游水位差對門體溢流水舌及下游波浪或滾波出現(xiàn)顯著增加趨勢,尤其對下臥門上部溢流面的動(dòng)力作用比縫隙流脈動(dòng)壓力要大些,這與流態(tài)觀測、波浪高度的變化一致。

2 通航孔下臥門結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)特性

通航孔下臥門在啟閉過程和正常運(yùn)行過程中受到動(dòng)水作用而發(fā)生振動(dòng),其振動(dòng)安全性值得高度重視和關(guān)注。通過水彈性振動(dòng)模型試驗(yàn)分別測試不同運(yùn)行工況下的閘門振動(dòng)加速度和振動(dòng)位移響應(yīng)數(shù)據(jù),以評估閘門運(yùn)行狀態(tài)下的動(dòng)力安全性。

2.1 通航孔下臥門振動(dòng)加速度

本工程下臥門孔口尺寸大,全開下臥和直立擋潮啟閉過程將經(jīng)歷過流動(dòng)水及擋水溢流的動(dòng)水荷載作用,由此誘發(fā)閘門結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng),閘門振動(dòng)加速度響應(yīng)是評價(jià)結(jié)構(gòu)振動(dòng)量的重要?jiǎng)恿?shù)。因此,在門體布置3個(gè)三向振動(dòng)加速度測點(diǎn),通過隨機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,獲得閘門振動(dòng)加速度最大、最小及均方根值,同時(shí)取得振動(dòng)加速度能量在頻域的分布狀態(tài)。

當(dāng)外江水位1.5 m,內(nèi)江水位0.5 m時(shí),下臥門不同開度條件下的閘門三向振動(dòng)加速度試驗(yàn)結(jié)果顯示,該工況的閘門振動(dòng)加速度總體不大,最大振動(dòng)加速度均方根值在0.002 m/s2～0.112 m/s2范圍內(nèi)變化。典型測點(diǎn)的閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)域過程和功率譜密度繪于圖6。從振動(dòng)加速度譜密度可以看出,閘門振動(dòng)能量主要集中在1.0 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)。

圖6 5#測點(diǎn)X、Y、Z方向振動(dòng)加速度譜特征(水位0.5 m/1.5 m 閘門開度n=0.4)

當(dāng)外江水位2.5 m,內(nèi)江水位1.5 m時(shí),下臥門不同開度條件下的閘門三向最大振動(dòng)加速度均方根值在0.001 m/s2～0.124 m/s2范圍內(nèi)變化;典型測點(diǎn)的閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)時(shí)域過程和功率譜密度顯示,閘門振動(dòng)能量主要集中在1.0 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)(見圖7)。

圖7 閘門典型工況測點(diǎn)X、Y、Z方向振動(dòng)加速度譜特征

通航孔下臥門其它運(yùn)行工況的流激振動(dòng)加速度響應(yīng)參數(shù)具有類似特征。當(dāng)不同外江水位1.5 m～3 m,內(nèi)江水位0.5 m～2 m范圍內(nèi)變化時(shí),下臥門最大振動(dòng)加速度均方根值在0.001 m/s2～0.135 m/s2范圍內(nèi)變化;由振動(dòng)加速度譜密度可以看出,閘門振動(dòng)能量主要集中在1.0 Hz以內(nèi)的低頻區(qū),優(yōu)勢頻率在0.5 Hz以內(nèi),屬于低頻振動(dòng)特征。不同水位差條件下的閘門流激振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)顯示,閘門的振動(dòng)加速度隨水位差的增加在2%～14%范圍內(nèi)變化。

2.2 閘門振動(dòng)位移

通航孔下臥門全開下臥和直立擋潮啟閉過程將經(jīng)歷過流動(dòng)水及擋水溢流的動(dòng)水荷載作用,由此誘發(fā)閘門結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng),閘門振動(dòng)位移響應(yīng)也是評價(jià)結(jié)構(gòu)振動(dòng)量的重要?jiǎng)恿?shù)之一。因此,在研究測量閘門振動(dòng)加速度參數(shù)的同時(shí),還測量了門體三向振動(dòng)位移參量,通過隨機(jī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,獲得閘門振動(dòng)位移最大、最小及位移均方根值,同時(shí)取得振動(dòng)位移能量在頻域的分布狀態(tài)。

外江水位1.5 m、內(nèi)江水位0.5 m是工程設(shè)計(jì)主要的擋潮工況之一,振動(dòng)位移試驗(yàn)結(jié)果顯示,閘門的振動(dòng)位移量隨開度變化不大,從總體上看,閘門振動(dòng)位移最大值在0.087 mm～1.51 mm范圍內(nèi)變化,振動(dòng)位移均方根值在0.024 mm～0.065 mm范圍內(nèi)變動(dòng)。閘門振動(dòng)位移的規(guī)律譜密度曲線顯示,位移主能量主要集中在2 Hz～9 Hz范圍內(nèi)變化,典型振動(dòng)位移時(shí)域過程及頻譜曲線如圖8所示。

圖8 2#測點(diǎn)X、Y、Z方向振動(dòng)位移譜特征(水位0.5 m/1.5 m 閘門開度0.4)

不同水位差條件下的閘門振動(dòng)位移測試,旨在了解加大閘門運(yùn)行工作水頭后結(jié)構(gòu)在動(dòng)水作用下的安全性。試驗(yàn)在外江水位3 m,閘門開度no=0.4,改變內(nèi)江水位0.5 m～2.0 m狀態(tài)下進(jìn)行。試驗(yàn)表明:閘門的振動(dòng)位移量隨水位差的增加而加大,閘門振動(dòng)位移增幅在9%～59%范圍內(nèi)變化,較大振動(dòng)位移均方根值在0.02 mm～0.033 mm范圍內(nèi)變動(dòng)。

3 閘門結(jié)構(gòu)的啟閉力特性

通航孔旋轉(zhuǎn)式弧形下臥門采用齒輪驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行啟閉操作,其啟閉力與常規(guī)上翻式閘門完全不同。在運(yùn)行過程中隨著閘門啟閉門高度不同,啟閉力將隨之變化。針對閘門連續(xù)啟閉過程進(jìn)行啟閉力試驗(yàn),測量閘門運(yùn)行過程中啟閉力的變化情況。

3.1 閘門啟閉力測量試驗(yàn)設(shè)備

閘門原型動(dòng)力系統(tǒng)采用2×3×3000 kN的齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)輪分度圓直徑1.653 m,門體齒輪條分度圓直徑15.312 m;模型中采用相似的結(jié)構(gòu),采用齒輪結(jié)構(gòu)模擬原型的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),根據(jù)閘門模型比尺,模型中小齒輪的外徑8.265 cm,分度圓直徑7.765 cm;轉(zhuǎn)盤齒輪條外徑76.56 cm,分度圓直徑76.06 cm,模型布置如圖9所示。在閘門左右兩側(cè)分別布置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),在啟閉門過程中分別測量兩側(cè)的啟閉作用力。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、扭矩傳感器(力矩測量)、步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)以及各部件之間的連接系統(tǒng)。

圖9 閘門動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)布置(閘門左側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))

3.2 通航孔閘門啟閉過程特性

通航孔啟閉力試驗(yàn)在如下工況下進(jìn)行:(1)閘門空載調(diào)試工況;(2)閘門在設(shè)計(jì)水位條件下連續(xù)啟門與閉門,以及閘門翻轉(zhuǎn)180°時(shí)的檢修工況。根據(jù)試驗(yàn)要求,分別測量啟閉門過程中的扭矩,由扭矩根據(jù)小齒輪的分度圓半徑計(jì)算齒輪嚙合點(diǎn)處的作用力,進(jìn)而求得閘門啟閉門過程中的啟閉門作用力。

3.2.1 通航孔下臥門空載啟閉力試驗(yàn)

閘門空載啟閉力試驗(yàn)按河道無水、門葉空腔無水,測試臥門安裝調(diào)試階段全過程啟閉力變化情況。在空載條件下,閘門門體空腔無水,閘門從全開位0°到檢修位180°連續(xù)過程進(jìn)行啟閉力試驗(yàn),測量的閘門啟閉力過程曲線如圖10所示,試驗(yàn)中測量的啟閉力為驅(qū)動(dòng)小齒輪與閘門門體齒輪條嚙合處的作用力。

圖10 無水空載調(diào)試檢修全過程閘門右側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟閉力過程

從圖中數(shù)據(jù)可以看出,左側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的啟閉力三次測量結(jié)果中最大值分別為8 784 kN、8 784 kN和9 202 kN,平均作用力8 923 kN;右側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的啟閉力三次測量結(jié)果分別為:11 712 kN、11 712 kN和11 503 kN,平均作用力11 642 kN。兩側(cè)平均啟閉力約10 282.5 kN,最大值出現(xiàn)在閘門關(guān)閉過程中的全關(guān)位90°位置,隨著閘門的進(jìn)一步上翻,啟閉力逐漸減小,直至閘門上翻平臥時(shí)啟閉力值為零。閘門下臥過程中的最大啟閉力要小于關(guān)門過程,這是系統(tǒng)摩擦力作用的緣故。

從總體上看,閘門安裝期間無水工況下進(jìn)行調(diào)試時(shí),閘門啟閉力已經(jīng)超出啟閉機(jī)容量的要求(3×3000 kN),需另加其他輔助啟閉設(shè)備予以解決。

3.2.2 通航孔下臥門正常運(yùn)行狀態(tài)啟閉力試驗(yàn)

在閘門空腔無水的條件下,進(jìn)行閘門上下游有水工況啟閉力試驗(yàn),閘門從全開位0°到檢修位180°連續(xù)過程進(jìn)行啟閉力測量,圖11—圖12繪出了閘室水位分別為-0.3 m和2.0 m工況下的啟閉力試驗(yàn)曲線。從圖中數(shù)據(jù)可以看出,在閘室水位-0.3 m時(shí),右側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大啟閉力試驗(yàn)值分別為7 738 kN和7 947 kN,平均值7 842.5 kN;左側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大啟閉力值分別為5 856 kN和6 065 kN,平均值5 960.5 kN;閘室水位2.0 m時(shí)右側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大啟閉力試驗(yàn)值分別為6 438 kN和6 438 kN,左側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大啟閉力值分別為3 973 kN和4 183 kN,平均值4 078 kN。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,閘門啟閉力值隨著河道水位提高而減小,河道水位愈高,閘門的啟閉力越小。這是閘門受到的浮力作用影響所致。此外,左右兩側(cè)啟閉機(jī)的啟閉力有所不同,這是兩側(cè)控制系統(tǒng)同步性存在遲延的緣故。

圖11 閘室水位-0.3 m工況閘門啟閉力過程(0°～180°)

圖12 上下游水位2.0 m工況閘門啟閉力過程(0°～180°)

在河道水位分別為0.3 m、1.5 m,門體空腔局部進(jìn)水情況下,測到的右側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大啟閉力試驗(yàn)值分別為8 575 kN和8 993 kN,左側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大啟閉力值分別為6 693 kN和6 902 kN;河道水位1.5 m時(shí),門體進(jìn)水量進(jìn)一步增加,右側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大啟閉力試驗(yàn)值上升至9 621 kN,左側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大啟閉力值上升至7 738 kN。說明門葉空腔進(jìn)水會(huì)顯著增加閘門的啟閉力值,這是需要高度重視的。

4 通航孔下臥門靜動(dòng)力特性的三維有限元分析

通航孔下臥門結(jié)構(gòu)是一種特型閘門,可通過有限元數(shù)值模擬分析其結(jié)構(gòu)三維空間的受力特性。

4.1 閘門結(jié)構(gòu)三維有限元模型

閘門結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性分析包括:閘門在各靜壓水頭作用下的應(yīng)力和位移分布特性,動(dòng)力特性分析研究閘門整體在自由狀態(tài)、約束狀態(tài)下,閘門的自振頻率及對應(yīng)的振型特征;流固耦合模態(tài)分析主要研究閘門在考慮水體的附加質(zhì)量影響時(shí)閘門自振頻率及振型等。

旋轉(zhuǎn)式弧形下臥鋼閘門三維有限元模型包括三維幾何模型和三維有限元模型,不同視角下結(jié)構(gòu)模型圖詳見圖13—圖16所示。離散單元采用solid 185單元,對局部部件采用局部網(wǎng)格加密,共離散291.9萬單元,84.7萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖13 閘門整體幾何模型

圖14 閘門與閘墩連接結(jié)構(gòu)局部模型

圖15 模擬圓盤局部齒輪模型(小齒輪與齒輪盤)

圖16 閘門圓盤內(nèi)部隔板結(jié)構(gòu)

4.2 考慮波浪作用的有限元計(jì)算分析

考慮波浪作用的閘門結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算工況包括:(1)考慮閘門前波浪壓力影響;(2)考慮內(nèi)江最低開閘水位-1.17 m的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[6]計(jì)算閘門前波浪壓力荷載(見圖17),本工程采用的波浪壓力為Ps=22.22 kPa,Pd=3.6 kPa。

圖17 波浪壓力計(jì)算

Ps=γH

(1)

(2)

式中:Ps為靜水面處的波浪壓力強(qiáng)度,m;Pz為靜水面以下深度z處的波浪壓力強(qiáng)度,m;H為波高,m;γ為水的重度,kN/m3;d為靜水面至閘室底板(或閘門底部)的高度,m;z為靜水面以下至計(jì)算點(diǎn)高度,m;L為波長,m。

設(shè)計(jì)波高1.824 m,波浪中心超高0.444 m,波長L=24.17 m,波周期0.81 m,經(jīng)計(jì)算Ps=22.22 kPa;Pd=3.6 kPa。

該工況有限元計(jì)算采用軸與圓盤固結(jié)連接和軸與圓盤接觸連接兩種模型。

(1) 固結(jié)模型。有限元計(jì)算模型中,軸與圓盤之間采用固結(jié)接觸,模型構(gòu)建單元507萬,節(jié)點(diǎn)151萬。位移與應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果為,下臥門最大位移123.2 mm,其中圓盤附近位移10.6 mm左右,門體最大變形約112.6 mm(如圖18所示)。采用實(shí)體單元,門體結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐州^密,應(yīng)力較大的區(qū)域主要分布在門葉與圓盤連接的部位,局部擠壓應(yīng)力最大值440 MPa左右,分布在圓盤內(nèi)側(cè)與門葉面板連接的部位,主要是該部位承受來自門體的荷載以及門葉的變形的影響,另外該部位存在縱膈板且圓盤部位寬度方向門葉部位無縱膈板布置,導(dǎo)致該部位是主要的承載區(qū)域(見圖19)。閘門門葉結(jié)構(gòu)本身應(yīng)力不大,縱膈板應(yīng)力較大的部位主要在圓盤部位對應(yīng)的縱膈板部位。這種應(yīng)力較大部位的出現(xiàn),是由于模型約束剛度偏大,出現(xiàn)較大應(yīng)力集中區(qū)的緣故。

圖18 閘門位移分布

圖19 閘門應(yīng)力分布

(2) 接觸模型。有限元計(jì)算模型中,軸與圓盤采用接觸模型(接近實(shí)際情況),約束條件設(shè)置在閘墩部位及驅(qū)動(dòng)小齒輪部位,閘門水壓力荷載包括3.85 m水位壓力、波浪壓力以及內(nèi)江-1.17 m水位壓力。有限元計(jì)算結(jié)果見圖20—圖21。最大位移94 mm,門葉最大變形89 mm左右出現(xiàn)在閘門中斷面的中下部;門葉最大應(yīng)力250 MPa左右,發(fā)生部位在圓盤內(nèi)側(cè)與門葉面板連接部位,門體結(jié)構(gòu)應(yīng)力不大。

圖20 門體位移分布

圖21 門體應(yīng)力分布

兩種不同邊界接觸模型的靜力計(jì)算結(jié)果顯示,按實(shí)際工程接觸邊界獲得的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)更符合實(shí)際情況。

4.3 通航孔閘門結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析

閘門約束模態(tài)是指在閘墩與閘門接觸連接的基礎(chǔ)上,考慮圓盤驅(qū)動(dòng)小齒輪的約束,在擋水情況下可認(rèn)為驅(qū)動(dòng)小齒輪呈固定狀態(tài)。閘門約束條件下振動(dòng)模態(tài)頻率與振型如表1和圖22所示。約束狀態(tài)下,閘門一階振型表現(xiàn)為門體一階彎曲變形,頻率3.88 Hz。

表1 閘門約束狀態(tài)模態(tài)頻率及振型

圖22 閘門約束狀態(tài)低階模態(tài)振型

閘門結(jié)構(gòu)的流固耦合模態(tài)特性分析將考慮流場對閘門結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響。閘門結(jié)構(gòu)流固耦合模態(tài)的計(jì)算是在約束狀態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行的,流體域選擇閘門門體高度的5倍[7]。閘門流固耦合條件下的一階頻率3.53 Hz,振型表現(xiàn)為閘門門體的彎曲變形(見圖23)。閘門振動(dòng)模態(tài)的流固耦合計(jì)算結(jié)果顯示,與干模態(tài)相比,一階模態(tài)頻率下降9%。

圖23 閘門流固耦合狀態(tài)低階模態(tài)振型

5 通航孔下臥門運(yùn)行安全性評價(jià)

本工程采用的特大型旋轉(zhuǎn)式弧形下臥門結(jié)構(gòu)的運(yùn)行安全需要滿足擋水(或擋潮)安全以及閘門啟閉安全。通過閘門結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性、閘門結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性、閘門結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)特性以及閘門啟閉力試驗(yàn)成果的綜合分析,可以獲得下臥門如下安全性評估意見。

5.1 下臥門結(jié)構(gòu)的流態(tài)特性

通航孔工作閘門啟閉運(yùn)行時(shí),在一定外江和內(nèi)江水位條件下,隨閘門開度變化部分工況存在波浪或滾波現(xiàn)象,閘室主要表現(xiàn)出3浪或2浪滾波流態(tài)現(xiàn)象。正常運(yùn)行工況下閘門過流產(chǎn)生的激勵(lì)力不大。

在外江水位3 m,內(nèi)江水位2 m時(shí),閘門相對開度no=0.4時(shí),3個(gè)滾波的最大波高分別為:70 cm,22 cm以及24 cm;當(dāng)閘門開度進(jìn)一步增加,至相對開度no=0.5時(shí),閘室流態(tài)發(fā)生改變,出現(xiàn)兩個(gè)滾波,第一波波高為24 cm,第二波波高為26 cm,較相對開度no=0.4時(shí)有所下降。其它開度的波幅明顯減小,說明較強(qiáng)的滾波與閘門開度、內(nèi)外江水位差密切相關(guān),具有很強(qiáng)的臨界性。顯然在這種工況下閘門不宜作長時(shí)間停留,應(yīng)該迅速開啟或關(guān)閉,避開此類不利工況的產(chǎn)生。

非正常情況下的閘下涌浪具有特殊性,比如當(dāng)上游水位3 m,降低下游水位至0.5 m時(shí),此時(shí)水位差達(dá)到2.5 m,閘室波高也升高至1.2 m之高。這是需要注意的。

5.2 下臥門結(jié)構(gòu)的水流脈動(dòng)壓力特性

正常設(shè)計(jì)工況閘門結(jié)構(gòu)脈動(dòng)壓力特性試驗(yàn)結(jié)果指出,外江水位1.5 m、內(nèi)江水位0.5 m門體溢流面上脈動(dòng)壓力均方根值較大值在1.825 kPa～4.737 kPa范圍內(nèi)變化;而閘室凹面縫隙流部位的脈動(dòng)壓力均方根值較大值在0.946 kPa～2.157 kPa范圍內(nèi)變化。門體溢流面的較大脈動(dòng)壓力強(qiáng)度約為閘室凹面縫隙流部位的脈動(dòng)壓力的2倍,說明門體溢流水舌及下游波浪或滾波對下臥門的動(dòng)力作用比縫隙流脈動(dòng)壓力要大的多。閘門脈動(dòng)壓力能量主要集中在1.0 Hz以內(nèi)的低頻區(qū)。

閘室水位差對門體的脈動(dòng)壓力產(chǎn)生明顯影響,尤其對門頂溢流面,水位差越大,脈動(dòng)壓力也隨之增加。外江水位3 m內(nèi)江水位2.0 m～0.5 m時(shí),門體溢流面上脈動(dòng)壓力均方根值較大值在2.96 kPa～5.63 kPa范圍內(nèi)變化;閘室凹面縫隙流部位的脈動(dòng)壓力均方根值較大值在1.09 kPa～1.29 kPa范圍內(nèi)變化。門體溢流面的較大脈動(dòng)壓力強(qiáng)度約為閘室凹面縫隙流部位的脈動(dòng)壓力的3倍～5倍,說明上下游水位差對門體溢流水舌及下游波浪或滾波出現(xiàn)顯著增加趨勢,尤其對下臥門上部溢流面的動(dòng)力作用比縫隙流脈動(dòng)壓力要大些,這與流態(tài)觀測、波浪高度的變化一致。說明下臥門運(yùn)行水位差的控制非常重要,閘門運(yùn)行時(shí)應(yīng)當(dāng)力爭控制在設(shè)計(jì)工況范圍內(nèi)運(yùn)行。

5.3 下臥門結(jié)構(gòu)的流激振動(dòng)特性

閘門流激振動(dòng)加速度測量結(jié)果顯示,不同外江水位1.5 m～3.0 m,內(nèi)江水位0.5 m～2.0 m范圍內(nèi)變化時(shí),下臥門在不同開度條件下的閘門三向振動(dòng)加速度總體不大,最大振動(dòng)加速度均方根值在0.001 m/s2～0.135 m/s2范圍內(nèi)變化。閘門振動(dòng)加速度能量主要集中在1.0 Hz以內(nèi)的低頻區(qū),優(yōu)勢頻率在0.5 Hz以內(nèi),屬于低頻振動(dòng)特征。閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)位移量最大值在0.0878 mm～1.5100 mm范圍內(nèi)變化,振動(dòng)位移均方根值在0.0238 mm～0.0650 mm范圍內(nèi)變動(dòng)。閘門的振動(dòng)位移量隨水位差的增加而加大,閘門振動(dòng)位移增幅在9%～59%范圍內(nèi)變化。

5.4 下臥門結(jié)構(gòu)的啟閉力特性

閘門啟閉力試驗(yàn)結(jié)果顯示,空載狀態(tài)下閘門左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的啟閉力平均值分別為8 923 kN和11 642 kN,兩側(cè)平均啟閉力值為10 282.5 kN,最大啟閉力值出現(xiàn)在閘門關(guān)閉過程中的全關(guān)位90°位置,已超出啟閉機(jī)設(shè)計(jì)容量。

閘門正常動(dòng)水啟閉運(yùn)行時(shí),從全開下臥位0°到檢修位180°連續(xù)啟閉過程中,閘室水位在-0.3 m～2.0 m范圍變化時(shí),右側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大啟閉力平均值7 842.5 kN～6 438 kN;左側(cè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最大啟閉力值平均值5 960.5 kN～4 078 kN。說明河道水位愈高,閘門的啟閉力越小,這是閘門受到的浮力作用影響所致。此外,左右兩側(cè)啟閉機(jī)的啟閉力有所不同,這是兩側(cè)控制系統(tǒng)同步性存在遲延的緣故。因此實(shí)際工程上需嚴(yán)格控制閘門兩側(cè)啟閉系統(tǒng)的同步性。

啟閉力測試結(jié)果顯示,正常運(yùn)行工況下閘門啟閉力滿足設(shè)計(jì)容量要求,但閘門最大啟閉力值出現(xiàn)在空載調(diào)試狀態(tài),因此需另加其他輔助啟閉設(shè)備予以解決。

5.5 閘門結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力特性

當(dāng)考慮下臥門轉(zhuǎn)軸與圓盤采用接觸模型,約束條件設(shè)置在閘墩部位及驅(qū)動(dòng)小齒輪部位,施加的閘門水壓力荷載包括外江3.85 m水位壓力、波浪壓力以及內(nèi)江-1.17 m水位壓力條件下,閘門結(jié)構(gòu)最大位移94 mm,門葉最大變形89 mm,出現(xiàn)在閘門中斷面的中下部;閘門最大應(yīng)力250 MPa左右,發(fā)生部位在圓盤內(nèi)側(cè)與門葉面板連接部位,門葉結(jié)構(gòu)應(yīng)力不大。滿足閘門設(shè)計(jì)規(guī)范要求[8]。閘門結(jié)構(gòu)流固耦合條件下振動(dòng)基頻為3.53 Hz,相應(yīng)振型表現(xiàn)為閘門門體的彎曲變形。

5.6 下臥門結(jié)構(gòu)運(yùn)行安全性評價(jià)

通航孔下臥門不同運(yùn)行工況下的水流流態(tài)觀測顯示,閘門在0.4或0.5開度出現(xiàn)流態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,具有很強(qiáng)的臨界性。在流態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)容易引發(fā)下游三滾波浪或二滾波浪,相應(yīng)水流脈動(dòng)壓力荷載也將明顯增強(qiáng),只要運(yùn)行過程中不作停留,快速越過一般不會(huì)產(chǎn)生不利強(qiáng)烈振動(dòng)問題。此外,水流脈動(dòng)壓力的主能量主要集中在1 Hz以內(nèi)的低頻區(qū),而閘門結(jié)構(gòu)的流固耦合振動(dòng)基頻為3.5 Hz,一般不會(huì)產(chǎn)生閘門結(jié)構(gòu)的共振現(xiàn)象[9-11]。

閘門結(jié)構(gòu)的啟閉力測試結(jié)果顯示,下臥門在正常運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行啟閉操作,其啟閉力控制在8 000 kN以內(nèi),滿足啟閉機(jī)設(shè)計(jì)容量(3×3000 kN)要求。該型閘門的啟閉機(jī)容量受控于安裝調(diào)試階段的空載啟閉過程以及門體空腔進(jìn)水狀態(tài),此外,還需要處理好兩側(cè)啟閉系統(tǒng)的同步性問題。因此只要針對性地處理好安裝過程和門體焊接質(zhì)量即可解決好安全啟閉問題。

6 結(jié) 語

本文按1∶20比例制作了通航孔下臥門的當(dāng)量水彈性振動(dòng)模型,按工程實(shí)際布置情況進(jìn)行齒輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計(jì),獲得通航孔下臥門的流激振動(dòng)安全性的相關(guān)數(shù)據(jù),包括閘門結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性以及結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)特性,得到以下結(jié)論:

(1) 該型閘門在啟閉過程中表現(xiàn)出門頂溢流和底部凹槽縫隙流動(dòng)組合流動(dòng)現(xiàn)象,在閘門相對開度0.4～0.5之間呈現(xiàn)出3浪或2浪滾波流態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,閘室水位差越大,波高越大,對閘門的動(dòng)力作用就越大。

(2) 閘門開啟過程中門頂溢流產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力要大于底部凹槽的脈動(dòng)壓力,不同工況下前者脈動(dòng)壓力強(qiáng)度約為后者的2倍～5倍左右。脈動(dòng)壓力強(qiáng)度隨閘室水位差的加大而增加,這與閘室流態(tài)變化特征一致。

(3) 不同運(yùn)行工況下閘門流激振動(dòng)加速度和位移響應(yīng)隨水位差的增加而加大,具有低頻振動(dòng)特征,振動(dòng)量級處于可控范疇。

(4) 正常運(yùn)行工況下閘門啟閉力滿足啟閉機(jī)設(shè)計(jì)容量要求,空載調(diào)試過程中兩側(cè)啟閉力超出設(shè)計(jì)容量,需另行增加輔助設(shè)備予以解決。應(yīng)當(dāng)指出,對于封閉結(jié)構(gòu),門葉空腔進(jìn)水會(huì)顯著增加閘門的啟閉力值,這是需要高度重視的。

(5) 閘門靜動(dòng)力特性分析結(jié)果指出,正常運(yùn)行工況下閘門結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分布滿足鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范要求。流固耦合條件下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析結(jié)果顯示,閘門結(jié)構(gòu)一般不會(huì)產(chǎn)生危害性共振現(xiàn)象。

(6) 鑒于該型閘門平時(shí)處于平臥狀態(tài),具有河道通透、通航暢通、生態(tài)良好等優(yōu)點(diǎn),在處理好泥沙淤積等問題后可在大型水閘工程中推廣應(yīng)用。