航运枢纽工程船闸闸门启闭机设计研究

2023-05-27斯哲锐江西省信江船闸通航中心

珠江水运 2023年9期

◎ 斯哲锐江西省信江船闸通航中心

闸门启闭机是航运枢纽工程的重要组成部分，其性能直接影响船闸的运行，为保证航运环境的安全性，启闭机设计优化成为行业重点研究内容。因此相关人员应重视船闸闸门启闭机的设计，学习先进启闭机设计理念，结合航运枢纽工程建设需要，不断调整船闸闸门启闭机设计方案，使启闭机的性能达到工程标准，为航运营造安全的运行环境。

1.门架结构设计计算

1.1 闸门启闭机性能

为保证闸门启闭机的设计质量，设计人员需了解航运枢纽工程的真实情况，分析该工程对闸门启闭机的性能需求，明确设计闸门启闭机应达到的标准，以便后续设计工作的顺利开展。第一，确认闸门启闭机的组成，包括小车、门架、大车等多种装置组成，安装位置为闸槽，据此设计船闸闸门启闭机的门框结构。第二，合理设置闸门启闭机的设计标准，按照标准设计门机的技术参数，合理设计门架的规格，保证闸门启闭机与闸框的距离小于0.3毫米。

以江西信江内河某航运枢纽工程为例，为保证闸门启闭机在工程中发挥应有作用，设计人员深入研究工程的运行特点，据此制定闸门启闭机设计方案验收标准，江西内河部分船闸闸门规格如表1所示。按照该标准设计的船闸闸门门架更符合枢纽工程的运行需要，根据设计规范为启闭机选择性能合适的零件，启闭机设计难度显著下降，设计人员的工作效率提升，设计方案实施后可使启闭机在航运枢纽工程中发挥应有作用。

表1 江西信江段内河航运枢纽工程船闸规格

1.2 强度与刚度评判

强度及刚度检测是门架设计的重要环节，设计人员在计算门架强度与刚度时，应合理选择计算方式，并检验计算所用信息来源的可信性，保证设计方案实施的安全性。通常情况下，门架强度与刚度计算选用线性弹性模型，计算跨中最大垂直静挠度，如启闭机工作级别为中，设计门架的垂直静挠度不可超过门机或小车跨度1/800，如小车所处位置为悬臂，且该位置为有效工作位，则要求该位置最大挠度低于门机或小车跨度1/350，不超过该标准即代表设计方案中门架强度与刚度达到标准，设计方案具有实际可行性，可用于枢纽工程。在实际设计中，如在检验中发现设计门架最大挠度未达到预期标准，可采取缩短主梁长度、改变门架材料与增大主梁横截面等方式减小最大挠度，优化启闭机门架设计方案，使其达到工程验收标准[1]。

以信江内河某工程为例，设计人员依据该工程的实际情况，设计工程启闭机门架主梁为71米，并采用分节制造法，将主梁设计为3段，其中最长的一段长度设置为24米，并规定主梁各段的连接方式为高强螺栓。该工程门架设计使用材料为Q345B，调查该材料的弹性模量为2.06×105MPa，且材料容许应力达到220MPa，经检验，按照该方案制成的门架强度与刚度符合工程标准，可用于航运工程船闸控制，设计工作完成质量提高，为航运枢纽工程安全运行保驾护航。

1.3 荷载工况

图1 门架三维模型

为保证启闭机设计质量，设计人员还要分析并计算工程荷载情况，在运行中，启闭机承受的荷载由机器底部行走轮传送至门架，再由门架传递至大车运行轨道，提升门架的荷载能力可保证启闭机始终处于安全运行状态。在检验设计方案时，为保证检验结果真实可靠，需设计荷载计算工况，分为以下几种。第一，小车处于跨中位置且保持静止状态，大车也为静止状态，此时门架承受的荷载为小车轮压、风荷载与自重荷载。第二，小车位于跨内刚性腿极限位，小车保持静止状态，大车制动，此时荷载为行走荷载、自重荷载、风荷载与惯性力。第三，小车位置为柔性腿外侧悬臂极限位，大车、小车同时保持静止状态，荷载为起升荷载、自重荷载与风荷载的组合。第四，小车位处刚性腿悬臂极限位，荷载组成与柔性腿极限位置一致。第五，小车在柔性腿悬臂极限位，大车制动，此时荷载组成最为复杂。

以某航运枢纽工程为例，该工程按照上述方法计算并验证门架的荷载能力，经分析与计算发现，各工况下小车轮压分别为600kN、510kN、330kN、330kN、300kN，与其他荷载的总和在门架可承受范围内，设计的门架方案合理。如在验证过程中发现门架荷载能力不达标，设计人员需分析产生该问题的原因，并根据分析结果调整门架设计方案，提升门架的荷载能力。优化后的设计方案需重新检验荷载能力，达到标准的设计方案才可用于航运枢纽工程施工。

2.模型构建

分析与计算门架设计方案合理性后，需运用现代技术为设计方案建模，将启闭机设计方案以直观的形式展示在设计人员眼前，以便设计人员发现设计方案中存在的问题。BIM建模技术是航运枢纽工程船闸闸门启闭机常用建模技术，利用该技术构建的模型精度较高，启闭机门架结构设计阶段构建模型精度设置为LOD300级别。设计人员需严格按照设计方案完成模型构建，保证模型的规格与设计方案一致，以便设计人员发现设计方案中存在的问题。立体模型与设计方案实际实施效果类似，更容易发现设计方案中出现冲突的结构，针对性优化门架结构以保证启闭机安全的运行环境。

某工程在设计闸门启闭机时，采用模型法分析门架结构的合理性，构建如图2所示三维模型，为设计人员优化设计方案创造便利条件。依据工程实际情况与设计方案，该模型包含22.3万个单元，各部位间节点数量高达25.5万，建成的模型真实展现设计方案的实施效果，用于设计人员优化设计方案。建模过程中，设计人员发现设计方案中存在的问题，分析问题的形成原因，将部分位置的螺栓连接改为刚性连接，并根据分析结果对设计方案做出调整，设计方案实施效果符合工程标准，启闭机运行的安全性得到保证，不仅可提高工程建设速度，还能减少完成工程花费的成本[2]。

图2 船闸闸门启闭机结构图

3.计算分析设计结果

3.1 性能校验

3.1.1 刚度校验

检验设计门架的性能是启闭机设计工作的关键步骤，其中刚度检验是校验重点，门架的刚度直接影响启闭机的运行效果，校验流程如下所述。首先，根据预设工况模拟启闭机的运行环境，以保证分析结果的真实性与准确性，确保刚度校验可发挥其应有作用。其次，记录各工况条件下，启闭机运行相关数据，收集并整合相关数据，用于实验结果分析。最后，依据实验得到的数据，计算设计启闭机门架的最大挠度，判断设计的启闭机门架强度是否达到安全标准。

某航运枢纽工程中，设计人员按照规定方法计算各工况下门架的最大挠度，确认小车位处跨中时，门架需承载起升载荷为1600kN，其他条件下起升荷载为500kN。以小车在跨中位置为例，计算该工况最大挠度为47毫米，小于门机或小车跨度的1/800，判断该工况下强度达到标准，如高于标准则需要重新调整设计方案。

3.1.2 应力校验与模态分析

启闭机设计中，应力校验与模态分析是检验设计方案质量的重要指标，其中应力校验结果可展现门架结果的荷载能力，模态分析用于确认结构的力学特性。某工程在检验启闭机门架结构合理性时，设置应力检验标准为220MPa，各工况条件下最大应力为106MPa，符合工程验收标准，设计方案实施后启闭机可长期处于稳定运行状态。与此同时，设计人员还分析设计方案的模态，该门架结构自振模态分析结果如表2所示，根据该模态分析结果，设计人员通过震动频率分析震动原因，优化门架结构以将震动频率控制在正常范围内。模态分析有助于发现设计方案中存在的隐性问题，进一步提升设计方案的合理性，保证设计方案在工程中顺利实施。应力检验中设计人员比对材料性能与计算结果，优化设计启闭机门架的结构，避免应力过于集中，不影响设计质量的前提下简化设计结构[3]。

表2 门架强5阶自振模态

3.2 启闭系统优化

3.2.1 油缸设计

油缸是启闭系统的主要组成部分，与启闭机运行的安全性关系紧密，设计人员需依据工程实际情况，优化油缸设计。某大型航运枢纽工程船闸闸门启闭机设计中，设计结构如图2所示的油缸，依据启闭机油缸的设计压力，将油缸活塞杆直径设计为油缸内径的0.7倍，并按照启闭机运行负载计算油缸内径，最后确认设计方案中油缸内径为300毫米，活塞杆直径为220毫米。按照该方式优化启闭机油缸设计后，设计方案实施难度下降，且设计的启闭机性能满足工程需要，可保证航运枢纽工程的安全运行。

3.2.2 液压系统设计

液压系统的设计与启闭机运行效果关系紧密，需引起设计人员的重视，综合考虑工程所在位置的地理环境，利用PLC技术优化液压系统的调控方式，控制油泵的排油量在合理范围。某航运枢纽工程中，设计人员考虑到工程建设区域冬季气温低，在液压系统中设置温度传感器，当外界温度发生变化时，及时调整液压系统的运行状态，保证油液的流动性。除此之外，设计人员还可以通过增设报警器控制油箱油量，确保启闭机运行过程中，油箱内油量始终处于55%至85之间，通过优化液压系统提升设计方案的科学性，强化设计启闭机的适应能力[4]。

3.2.3 启闭方式改进

设计人员也可采取改变启闭方式达到优化设计方案的目标，可用改进方式有以下几种。第一，将变频技术用于启闭机控制，该启闭方式应用成本高，适用于大规模航运枢纽工程启闭机设计。第二，借助电动机转差率启动启闭机，航运枢纽工程常用启闭机启闭方式。某工程设计人员分析工程相关信息后，确定采用电动机转差率启闭方式，并考虑到该工程中启闭机运行频率较高，重视电阻器阻值的设计，最终设计电阻器阻值为0.704Ω。该设计方案能够适应该工程的运营需要，充分发挥闸门启闭机在航运枢纽工程中的作用，长时间保持良好的运行状态，并为航运枢纽工程船闸闸门启闭机设计优化提供参考。

3.2.4 安全设计

为保证启闭机在航运枢纽工程中安全运行，设计人员需重视安全设计，优化启闭机的运行参数。当启闭机运行承受荷载过高时，设计人员需适当降低设备的运行频率，并将设备运行频率控制在1至50赫兹之间，如荷载小可提升设备运行频率，额定调速范围设置为50至100赫兹。除此之外，设计人员还应优化油缸筒壁厚度，如某设计人员考虑工程实际情况，计算该工程中筒壁的最佳厚度为150毫米，可保证设计方案的安全性。