一种新型卧倒式坞门用铰点与止水装置设计

徐舒翎，陆少杰

（上海海事大学 工程训练中心，上海 201306）

0 引言

坞门是可以将船坞坞口封住的水密闸门。坞门研究的热门方向在于高效开闭、止水使用寿命延长和更换便捷。经过多年的实践与应用，坞门已由早期的浮箱式坞门升级为卧倒式坞门[1]。

卧倒式坞门通过铰点固定坞门底部的旋转点，并利用绞车、浮力等实现开闭，具有开闭迅速、建造方便、抗变形能力强等优点。然而，卧倒式坞门对铰点安装定位精度的要求较高，止水橡胶安装工作量大，对前期制造工艺的要求较高[2-3]。

本文对基于传统卧倒式坞门的铰点与止水装置进行优化设计，并在此基础上设计一种新型的卧倒式坞门用铰点与止水装置。

1 卧倒式坞门铰点设计

目前，国内外常见的卧倒式坞门铰点均采用双层耳板配合旋转销轴的装配方式，2～4组同轴布置。由于坞门铰点需要在水平方向留有一定余量，故铰点的耳板开孔并非圆孔而为妖孔[4]，见图1。在室外船坞环境下进行大尺寸同轴度开孔工作，其现场建造和机加工非常困难[5]。

图1 卧倒式坞门铰点示意图

1.1 一种新型的坞门铰点布置

为实现快速开闭和整体坞门快拆快装的使用效果，卧式坞门需要注意以下3项要点：

1）布置尽可能少的铰点。铰点越多，拆装的工序和工时就越长。

2）设计部门需根据铰点受力情况，尽可能简化铰点旋转销轴的固定形式。

3）为提高卧式坞门开闭效率，考虑增加顶端外力以提高开闭速度。

坞门铰点布置示意见图2。将铰点设置于坞门两侧，由于坞门给予铰点轴承座的载荷均永远指向轴承座封闭片区，故可将坞门的旋转销轴设计为开放式，以插入轴承座的方式进行工作。此外，需要在坞门距离旋转点最远的端部设计支点，通过绞车和滑轮施加拉力以增加坞门开闭的旋转矩，进而提高坞门开闭效率。

图2 坞门铰点布置示意图

1.2 半开式坞门铰点的快速拆装

综合考虑坞门吃水状态、结构重力、水舱注排压载水、气舱打压与释放情况，对卧倒式坞门转动过程进行受力分析，结果表明：在坞门开闭旋转过程中，作用在铰点的外载荷合力均指向坞门的轴承座封闭侧。

卧倒式坞门铰点处外载情况见图3。本文将传统的坞门销轴和滑动轴承配合轴承座的栓接固定式设计优化为圆孔插入式设计。在此设计方案中，轴承座除受力及限位区域以外的部分均为开放式，坞门的销轴设计为圆饼状以满足径向固定的需要。在船坞两侧设置限位，防止坞门产生轴向移位。坞门铰点布置情况见图4。

图3 卧倒式坞门铰点处外载示意图

图4 坞门铰点布置情况

坞门在装入与拆装过程中不需要借助船坞大吊整体吊装，也无需提前局部排水，仅需通过大吊移至近铰点区域，通过舱室注水控制坞门角度，在坞门倾斜角度达到轴承座插入角度时径直扣入轴承座，通过岸边绞车旋转坞门达到闭门效果，拆卸过程反之亦然。坞门快速安装示意见图5。

图5 坞门快速安装示意图

1.3 铰点的细化设计

根据坞门的总体设计和受力分析，可以得出坞门在完全闭合状态下对铰点的载荷最大，为4 000 kN。

为更好地设计快拆轴，采用ANSYS拓扑优化设计方法简化快拆销轴的设计过程，将整个结构体上的质量分布函数作为优化参数，在满足所给定的约束、载荷条件下，计算出最优解[6]。

根据1.2节所述铰点布置，建立新型卧倒式坞门快拆快装式销轴有限元模型（见图6），并对该模型进行拓扑优化计算。目的是在确保其承载能力的基础上还能进一步的减重且外形最优。ANSYS拓扑优化分析流程[7]见图7。

图6 新型卧倒式坞门快拆快装式销轴基本设计

图7 ANSYS拓扑优化分析流程图

卧倒式坞门快拆快装式铰点销轴的最优拓扑外形见图8。

图8 卧倒式坞门快拆快装式铰点销轴的最优拓扑外形

在得到最优拓扑外形后，还需要根据建造能力、工艺条件等情况进行进一步优化铰点销轴。铰点销轴最终设计方案见图9。

图9 铰点销轴最终设计方案（单位：mm）

以最终制造的铰点销轴为基准，结合1.1节铰点布置的要点，为卧倒式坞门快拆快装式铰点销轴设计相匹配的轴承座（见图10），销轴匹配用轴承座及搭载坞门整体效果见图11。在轴承座用于承载的回转面上设置偏心的轴承座接触面圆弧开孔，以此提供卧倒式坞门闭合后所需的水平偏移量。

图10 新型卧倒式坞门铰点用轴承座及销轴示意图

图11 销轴匹配用轴承座及搭载坞门整体效果图

2 卧倒式坞门止水设计

除在机械结构上满足用户提出的坞门快速开闭、拆装功能外，在坞门闭合后快速止水是实现坞门快速闭合的另一关键点。

通常情况下，卧倒式坞门止水采用π型护舷橡胶进行止水[8]，虽可以起到止水效果，但在坞门长时间闭合的情况下会出现橡胶老化变形、破裂等问题，致使局部止水效果不佳。橡胶件作为易损件，其更换的方式也会影响卧倒式坞门的使用效率，π型橡胶两端采用螺栓安装，单根护舷更换拆装工作量相对较大，虽然在理论上实现了面接触的止水，但由于挤压变形，经常会变成线接触，这会显著降低其止水效果。π型护舷橡胶止水示意见图12。

图12 π型护舷橡胶止水示意图

为更好地起到止水效果，本文提出一种新型的卧倒式坞门止水方案，即在坞门侧端布置音符型橡胶，仅用一侧螺栓栓接即可固定，可显著减少更换橡胶件的时间。在止水的接触面内侧设置凹槽，在凹槽中塞入三角密封条，该密封条无需紧固件固定，可起到快速更换的效果，还可为坞门止水增加第2道止水带。

如图13所示，新型的止水方案将现场实际施工纳入考量，三角密封条安装部件不以钢围壁为基础，而是以质量较轻且耐压的超高分子聚乙烯材料作为安装基础，并且通过在结构接触表面注入环氧树脂，确保了粘接密封的有效性，从而超高分子聚乙烯材料安装面内不存在缝隙渗水问题。

图13 新型坞门止水设计

3 结论

本文对基于传统卧倒式坞门的铰点与止水装置进行了优化设计，并在此基础上设计了一种新型的卧倒式坞门用铰点与止水装置。研究表明：新型的卧倒式坞门铰点及止水设计安装可靠，使用方便，开闭及拆装简便，装置止水效果显著。