吳曉峰

（衢州江匯翻板閘門有限公司，浙江衢州324000）

0 引言

水力翻板閘是水工閘門的一種，被廣泛應(yīng)用于水利工程中，起到防洪、蓄水作用，其中以連桿滾輪式翻板閘及中部鉸鏈?zhǔn)椒彘l最為常見，這兩種翻板閘在泄洪時，過流水流從閘板底部和上部流過，然后匯流；閘板返回時，由于泄洪過程中水流夾雜著雜草和樹枝，可能造成閘門底部關(guān)閉不嚴(yán)，難以密封[1-4]。底鉸鏈翻板閘由于鉸鏈設(shè)置在閘板底部，開閘泄洪徹底，關(guān)閘有效地防止了夾雜的產(chǎn)生，底部易于密封，因此近年來底鉸鏈翻板閘逐漸流行起來[5]。底鉸鏈翻板閘雖有上述優(yōu)點，但蓄水時閘板迎水面承受著很大的水壓力，此水壓力對底鉸鏈軸產(chǎn)生很大的力矩，使底鉸鏈軸與閘板相交處產(chǎn)生較大的變形及應(yīng)力，因此保證閘板具有足夠的強度是安全使用底鉸鏈翻板閘的關(guān)鍵。

綜上所述，針對某現(xiàn)場的跨度為12 m、高度為4 m的底鉸鏈翻板閘，擬采用ANSYS軟件構(gòu)建實體和板殼相結(jié)合的有限元模型，處理閘板的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用該有限元模型進(jìn)行閘板的靜強度分析，并對閘板的強度薄弱點進(jìn)行結(jié)構(gòu)補強的有限元模擬，以便為翻板閘的安全運行提供有力的理論支持。

1 底鉸鏈翻板閘的結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 底鉸鏈翻板閘結(jié)構(gòu)組成

分析的對象為一款液壓式底鉸鏈翻板閘門，由地基1、1塊閘板2、2套閘板傾動機(jī)構(gòu)3、2個閘板支座4、2套橫梁限位機(jī)構(gòu)5、2個支墩6等組成。此翻板閘門為一對稱結(jié)構(gòu)，閘板2處于河道中部，閘板傾動機(jī)構(gòu)3、閘板支座4、橫梁限位機(jī)構(gòu)5等處于河道擋墻之外。閘板傾動機(jī)構(gòu)是由油缸支座3-1、擺動油缸套3-2、油缸桿3-3、安裝在閘板軸兩端的搖臂2-2、地基1組成的四桿機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)閘板傾動。橫梁限位機(jī)構(gòu)5是由限位橫梁5-4、連桿5-3、油缸桿5-2、固定在地基上的油缸套5-1組成的四桿機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)的功能是蓄水時橫梁限位閘板，使閘板傾動機(jī)構(gòu)的擺動油缸無需保壓。

圖1 液壓式底鉸鏈翻板閘蓄水示意圖

圖2 液壓式底鉸鏈翻板閘過流示意圖

1.2 底鉸鏈翻板閘工作原理

蓄水時，擺動油缸桿3-3伸長，驅(qū)動閘板2順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)閘板2轉(zhuǎn)動的角度略大于90°時，焊在閘板2的轉(zhuǎn)臂2-2轉(zhuǎn)過的角度也大于90°，此時驅(qū)動橫梁限位機(jī)構(gòu)5，油缸桿5-2伸長并帶動連桿5-3，連桿5-3帶動限位橫梁5-4水平逆時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)限位橫梁5-4轉(zhuǎn)到河道擋墻1-1凹槽及外墻1-2的凹槽內(nèi)，并處在搖臂2-2右端平面2-4上方時，橫梁限位機(jī)構(gòu)5停止運動，閘板傾動機(jī)構(gòu)3的油缸卸壓，在水壓及自身重力作用下閘板2有逆時針轉(zhuǎn)動的趨勢，限位橫梁5-4受到向上的力，由于河道擋墻1-1凹槽及外墻1-2的凹槽約束的作用，限位橫梁5-4受到向下的約束力，以此約束力抵抗蓄水時閘板2受到水壓力及水力矩。

泄洪時，擺動油缸桿3-3稍微伸長，驅(qū)動閘板2順時針小角度轉(zhuǎn)動，此時限位橫梁5-4卸載，垂直方向僅受自身重力，此時驅(qū)動橫梁限位機(jī)構(gòu)5，油缸桿5-2收縮并帶動連桿5-3，連桿53帶動限位橫梁5-4水平順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)限位橫梁5-4移開搖臂2-2右端平面2-4時，橫梁限位機(jī)構(gòu)5停止運動。此時閘板傾動機(jī)構(gòu)3不受限制，擺動油缸桿3-3收縮，驅(qū)動閘板2逆時針轉(zhuǎn)動，開閘泄洪。泄洪時，閘板2平放在有橡膠墊的支墩6上。

2 底鉸鏈翻板閘的有限元模型

2.1 分析的對象

強度分析的對象為底鉸鏈翻板閘的閘板，閘板的跨度為12 m，高度為4 m，如圖3所示。閘板本體2-1由鋼板焊接而成，閘板本體底部焊有一圓軸2-3。圓軸的兩側(cè)各焊有一搖臂2-2，且搖臂2-2和閘板2-1本體呈45°夾角，可使閘板傾動機(jī)構(gòu)的油缸的行程較小。蓄水時，依靠密封條7實現(xiàn)閘板2的密封，密封條7安裝在地基、河道擋墻1-1及河道內(nèi)。

圖3 液壓式底鉸鏈翻板閘閘板

2.2 有限元模型

閘板為一復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，其板面由縱橫交錯的薄鋼板焊接而成，如果采用實體單元劃分，將會產(chǎn)生大量的單元。因此對板面的薄鋼板選用板殼單元，對軸及搖臂選用實體單元，其幾何模型如圖4所示，并對以上單元設(shè)置材料參數(shù)，其彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3。劃分單元時，板面的厚度10 mm定義為板殼元的實常數(shù)，然后把鋼板及筋板劃分成規(guī)則的矩形，軸的中部采用拖拉、掃略網(wǎng)格，軸的兩端及轉(zhuǎn)臂采用自由網(wǎng)格劃分，共劃分10 960個板殼單元，66 550個實體單元，通過以上操作，得到有限元模型。

圖4 閘板的幾何模型

蓄水時閘板受力最大，加載時對有限元模型加入重力場。兩端軸頭的圓柱面及轉(zhuǎn)臂頂端平面（圖3中2-4面）加入固定約束。按蓄水水面超過板面頂部0.2 m的極限工況，在板面的迎水面加入水壓力函數(shù)，使水壓力在板面高度方向形成梯形壓力。

3 有限元強度分析結(jié)果

經(jīng)求解，得到該翻板閘的應(yīng)力分布，如圖5所示。由圖5可知，該翻板閘的最大應(yīng)力發(fā)生在閘板板面與底鉸鏈軸的相交處（圖5 中MX 處），最大應(yīng)力為326 MPa，超過了Q235的屈服極限（235 MPa），因此結(jié)構(gòu)需要加強。

圖5 閘板的應(yīng)力分布

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

鑒于以上原因，對該翻板閘進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在背水面的閘板板面與底鉸鏈軸的相交處加入了10 mm 后的通板，使其相交處形成了箱形結(jié)構(gòu)，經(jīng)有限元試算后，其閘板底部的最大應(yīng)力下降到212 MPa，小于板材的屈服極限（如圖6），說明改進(jìn)是有效的。

圖6 閘板結(jié)構(gòu)改進(jìn)后應(yīng)力分布

5 結(jié)論

底鉸鏈翻板閘具有可防止夾雜產(chǎn)生、底部易于密封的優(yōu)點，但蓄水時閘板迎水面承受著很大的水壓力，造成了閘板產(chǎn)生較大應(yīng)力，因此保證閘板具有足夠的強度是安全使用底鉸鏈翻板閘的關(guān)鍵。

對跨度為12 m、高度為4 m的底鉸鏈翻板閘進(jìn)行了有限元計算，得到該翻板閘的最大應(yīng)力發(fā)生在閘板板面與底鉸鏈的相交處，最大應(yīng)力為326 MPa，超過了一般鋼材的屈服極限。對該翻板閘進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在背水面的閘板板面與底鉸鏈的相交處加入了10 mm厚的通板，使其相交處形成了箱形結(jié)構(gòu)，經(jīng)有限元試算后，其閘板底部的最大應(yīng)力下降到212 MPa。板面的鋼板及筋板采用板殼單元，軸的中部采用拖拉、掃略網(wǎng)格，軸的兩端及轉(zhuǎn)臂采用自由網(wǎng)格劃分，使單元數(shù)大為減少，實現(xiàn)了用有限元方法計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)翻板閘閘板的強度計算。