溪洛渡大坝表孔液压启闭机油缸支铰结构设计及有限元计算分析

2012-12-19龙朝晖王小慧刘天德

水电站设计 2012年1期

龙朝晖，王小慧，刘天德

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

露顶式弧形闸门液压启闭机中间铰支承有两种型式，一种是铰支座预埋在闸墩边墙内，另一种是受边墩高度限制铰支座安装在闸顶表面。溪洛渡大坝表孔液压启闭机铰支承采用第一种型式，应用传统力学方法计算支铰结构，因力学模型的简化使计算存在较大的误差与困难，较难全面反映支铰结构受力情况，故采用三维有限元方法对该支铰的结构强度进行验算分析。

2 闸门及启闭机布置

溪洛渡大坝坝顶中部设置7个表孔，工作闸门为露顶式弧形闸门，孔口尺寸为12.5m×14.4m(宽×高)，底止水高程为586.155m，坝顶高程为610.00m。闸门采用2×1 000kN悬挂式(油缸中部支承)液压启闭机操作，其布置见图1。

3 支铰结构设计

油缸支铰设计为十字铰型式(见图2)。支铰由内、外钢筒与外伸支架组成，内外钢筒轴线(X向)与外伸支架的C处油缸轴承座孔的轴线(Z向)为空间垂直关系。其中，外钢筒通过与预埋插筋焊接等形

图1 大坝表孔液压启闭机闸门布置

式镶嵌于混凝土中，与水工结构成一整体受力部件；内钢筒通过AB两个轴套安装于外钢筒内部，可绕垂直水流方向轴线旋转，以适应油缸在顺水流平面内的转动；外伸支架与内钢筒焊接，C处设置与内外钢筒轴线互相垂直的油缸轴承座孔，以适应启闭机与闸门的安装误差引起的侧向摆动及闸门启闭过程中的侧向振动。

4 支铰结构强度有限元验算

4.1 工况分析

从启闭机与闸门的工作特点可知，在启门瞬间、

图2 支铰结构型式与受力简图

启门过程、闭门过程、闭门瞬间的工况循环中，支铰在启门瞬间受力最大，故将启门瞬间工况作为该支铰结构强度校核的计算工况。在结构强度计算中，相对于启闭荷载，结构自重的影响极小，支铰为轴对称结构(外伸支架与内钢筒绕轴线转动)，因此可认为支铰的安装位置与角度不影响支铰结构自身的强度计算。

4.2 强度理论与允许应力

支铰应力分布为三向应力状态，在常温、静载受力状况下，金属材料应按第四强度理论验算结构强度。第四强度理论为：

其中σ1、σ2、σ3为计算点的三个主应力，[σ]为允许应力。

按DL/T5013-95《水利水电工程钢闸门设计规范》，构件允许应力见表1。

表1 构件允许应力

注：[σcd]为腹板局部承压应力。

4.3 荷载计算

液压启闭机在启闭闸门时，油缸传递到支铰的载荷主要为沿油缸轴向的拉力P，以及克服内外钢筒之间滑动摩擦所需的附加转矩M。为安全计，支铰承受的拉力P需在理论启闭力F的基础上考虑动载效应，采用1.1的动载系数，即P=1 000×1.1=1 100(kN)，计算出内钢筒支承轴套AB两处的支座反力：RA=1 865kN，RB=765kN。考虑AB处轴套的摩擦系数ξ为0.15，A处轴套内径为680mm，B处轴套内径为660mm，则克服滑动摩擦所需的附加转矩MA为：MA=95 115kN·mm，MB=37 867.5kN·mm。该附加转矩由C处的两侧轴承座受力不一致产生，两侧轴承座孔中心距为620mm，故作用在C处轴承座上的附加力偶PΔ为：PΔ=214.488kN。