航運樞紐工程船閘閘門啟閉機設計研究

◎ 斯哲銳 江西省信江船閘通航中心

閘門啟閉機是航運樞紐工程的重要組成部分，其性能直接影響船閘的運行，為保證航運環境的安全性，啟閉機設計優化成為行業重點研究內容。因此相關人員應重視船閘閘門啟閉機的設計，學習先進啟閉機設計理念，結合航運樞紐工程建設需要，不斷調整船閘閘門啟閉機設計方案，使啟閉機的性能達到工程標準，為航運營造安全的運行環境。

1.門架結構設計計算

1.1 閘門啟閉機性能

為保證閘門啟閉機的設計質量，設計人員需了解航運樞紐工程的真實情況，分析該工程對閘門啟閉機的性能需求，明確設計閘門啟閉機應達到的標準，以便后續設計工作的順利開展。第一，確認閘門啟閉機的組成，包括小車、門架、大車等多種裝置組成，安裝位置為閘槽，據此設計船閘閘門啟閉機的門框結構。第二，合理設置閘門啟閉機的設計標準，按照標準設計門機的技術參數，合理設計門架的規格，保證閘門啟閉機與閘框的距離小于0.3毫米。

以江西信江內河某航運樞紐工程為例，為保證閘門啟閉機在工程中發揮應有作用，設計人員深入研究工程的運行特點，據此制定閘門啟閉機設計方案驗收標準，江西內河部分船閘閘門規格如表1所示。按照該標準設計的船閘閘門門架更符合樞紐工程的運行需要，根據設計規范為啟閉機選擇性能合適的零件，啟閉機設計難度顯著下降，設計人員的工作效率提升，設計方案實施后可使啟閉機在航運樞紐工程中發揮應有作用。

表1 江西信江段內河航運樞紐工程船閘規格

1.2 強度與剛度評判

強度及剛度檢測是門架設計的重要環節，設計人員在計算門架強度與剛度時，應合理選擇計算方式，并檢驗計算所用信息來源的可信性，保證設計方案實施的安全性。通常情況下，門架強度與剛度計算選用線性彈性模型，計算跨中最大垂直靜撓度，如啟閉機工作級別為中，設計門架的垂直靜撓度不可超過門機或小車跨度1/800，如小車所處位置為懸臂，且該位置為有效工作位，則要求該位置最大撓度低于門機或小車跨度1/350，不超過該標準即代表設計方案中門架強度與剛度達到標準，設計方案具有實際可行性，可用于樞紐工程。在實際設計中，如在檢驗中發現設計門架最大撓度未達到預期標準，可采取縮短主梁長度、改變門架材料與增大主梁橫截面等方式減小最大撓度，優化啟閉機門架設計方案，使其達到工程驗收標準[1]。

以信江內河某工程為例，設計人員依據該工程的實際情況，設計工程啟閉機門架主梁為71米，并采用分節制造法，將主梁設計為3段，其中最長的一段長度設置為24米，并規定主梁各段的連接方式為高強螺栓。該工程門架設計使用材料為Q345B，調查該材料的彈性模量為2.06×105MPa，且材料容許應力達到220MPa，經檢驗，按照該方案制成的門架強度與剛度符合工程標準，可用于航運工程船閘控制，設計工作完成質量提高，為航運樞紐工程安全運行保駕護航。

1.3 荷載工況

圖1 門架三維模型

為保證啟閉機設計質量，設計人員還要分析并計算工程荷載情況，在運行中，啟閉機承受的荷載由機器底部行走輪傳送至門架，再由門架傳遞至大車運行軌道，提升門架的荷載能力可保證啟閉機始終處于安全運行狀態。在檢驗設計方案時，為保證檢驗結果真實可靠，需設計荷載計算工況，分為以下幾種。第一，小車處于跨中位置且保持靜止狀態，大車也為靜止狀態，此時門架承受的荷載為小車輪壓、風荷載與自重荷載。第二，小車位于跨內剛性腿極限位，小車保持靜止狀態，大車制動，此時荷載為行走荷載、自重荷載、風荷載與慣性力。第三，小車位置為柔性腿外側懸臂極限位，大車、小車同時保持靜止狀態，荷載為起升荷載、自重荷載與風荷載的組合。第四，小車位處剛性腿懸臂極限位，荷載組成與柔性腿極限位置一致。第五，小車在柔性腿懸臂極限位，大車制動，此時荷載組成最為復雜。

以某航運樞紐工程為例，該工程按照上述方法計算并驗證門架的荷載能力，經分析與計算發現，各工況下小車輪壓分別為600kN、510kN、330kN、330kN、300kN，與其他荷載的總和在門架可承受范圍內，設計的門架方案合理。如在驗證過程中發現門架荷載能力不達標，設計人員需分析產生該問題的原因，并根據分析結果調整門架設計方案，提升門架的荷載能力。優化后的設計方案需重新檢驗荷載能力，達到標準的設計方案才可用于航運樞紐工程施工。

2.模型構建

分析與計算門架設計方案合理性后，需運用現代技術為設計方案建模，將啟閉機設計方案以直觀的形式展示在設計人員眼前，以便設計人員發現設計方案中存在的問題。BIM建模技術是航運樞紐工程船閘閘門啟閉機常用建模技術，利用該技術構建的模型精度較高，啟閉機門架結構設計階段構建模型精度設置為LOD300級別。設計人員需嚴格按照設計方案完成模型構建，保證模型的規格與設計方案一致，以便設計人員發現設計方案中存在的問題。立體模型與設計方案實際實施效果類似，更容易發現設計方案中出現沖突的結構，針對性優化門架結構以保證啟閉機安全的運行環境。

某工程在設計閘門啟閉機時，采用模型法分析門架結構的合理性，構建如圖2所示三維模型，為設計人員優化設計方案創造便利條件。依據工程實際情況與設計方案，該模型包含22.3萬個單元，各部位間節點數量高達25.5萬，建成的模型真實展現設計方案的實施效果，用于設計人員優化設計方案。建模過程中，設計人員發現設計方案中存在的問題，分析問題的形成原因，將部分位置的螺栓連接改為剛性連接，并根據分析結果對設計方案做出調整，設計方案實施效果符合工程標準，啟閉機運行的安全性得到保證，不僅可提高工程建設速度，還能減少完成工程花費的成本[2]。

圖2 船閘閘門啟閉機結構圖

3.計算分析設計結果

3.1 性能校驗

3.1.1 剛度校驗

檢驗設計門架的性能是啟閉機設計工作的關鍵步驟，其中剛度檢驗是校驗重點，門架的剛度直接影響啟閉機的運行效果，校驗流程如下所述。首先，根據預設工況模擬啟閉機的運行環境，以保證分析結果的真實性與準確性，確保剛度校驗可發揮其應有作用。其次，記錄各工況條件下，啟閉機運行相關數據，收集并整合相關數據，用于實驗結果分析。最后，依據實驗得到的數據，計算設計啟閉機門架的最大撓度，判斷設計的啟閉機門架強度是否達到安全標準。

某航運樞紐工程中，設計人員按照規定方法計算各工況下門架的最大撓度，確認小車位處跨中時，門架需承載起升載荷為1600kN，其他條件下起升荷載為500kN。以小車在跨中位置為例，計算該工況最大撓度為47毫米，小于門機或小車跨度的1/800，判斷該工況下強度達到標準，如高于標準則需要重新調整設計方案。

3.1.2 應力校驗與模態分析

啟閉機設計中，應力校驗與模態分析是檢驗設計方案質量的重要指標，其中應力校驗結果可展現門架結果的荷載能力，模態分析用于確認結構的力學特性。某工程在檢驗啟閉機門架結構合理性時，設置應力檢驗標準為220MPa，各工況條件下最大應力為106MPa，符合工程驗收標準，設計方案實施后啟閉機可長期處于穩定運行狀態。與此同時，設計人員還分析設計方案的模態，該門架結構自振模態分析結果如表2所示，根據該模態分析結果，設計人員通過震動頻率分析震動原因，優化門架結構以將震動頻率控制在正常范圍內。模態分析有助于發現設計方案中存在的隱性問題，進一步提升設計方案的合理性，保證設計方案在工程中順利實施。應力檢驗中設計人員比對材料性能與計算結果，優化設計啟閉機門架的結構，避免應力過于集中，不影響設計質量的前提下簡化設計結構[3]。

表2 門架強5階自振模態

3.2 啟閉系統優化

3.2.1 油缸設計

油缸是啟閉系統的主要組成部分，與啟閉機運行的安全性關系緊密，設計人員需依據工程實際情況，優化油缸設計。某大型航運樞紐工程船閘閘門啟閉機設計中，設計結構如圖2所示的油缸，依據啟閉機油缸的設計壓力，將油缸活塞桿直徑設計為油缸內徑的0.7倍，并按照啟閉機運行負載計算油缸內徑，最后確認設計方案中油缸內徑為300毫米，活塞桿直徑為220毫米。按照該方式優化啟閉機油缸設計后，設計方案實施難度下降，且設計的啟閉機性能滿足工程需要，可保證航運樞紐工程的安全運行。

3.2.2 液壓系統設計

液壓系統的設計與啟閉機運行效果關系緊密，需引起設計人員的重視，綜合考慮工程所在位置的地理環境，利用PLC技術優化液壓系統的調控方式，控制油泵的排油量在合理范圍。某航運樞紐工程中，設計人員考慮到工程建設區域冬季氣溫低，在液壓系統中設置溫度傳感器，當外界溫度發生變化時，及時調整液壓系統的運行狀態，保證油液的流動性。除此之外，設計人員還可以通過增設報警器控制油箱油量，確保啟閉機運行過程中，油箱內油量始終處于55%至85之間，通過優化液壓系統提升設計方案的科學性，強化設計啟閉機的適應能力[4]。

3.2.3 啟閉方式改進

設計人員也可采取改變啟閉方式達到優化設計方案的目標，可用改進方式有以下幾種。第一，將變頻技術用于啟閉機控制，該啟閉方式應用成本高，適用于大規模航運樞紐工程啟閉機設計。第二，借助電動機轉差率啟動啟閉機，航運樞紐工程常用啟閉機啟閉方式。某工程設計人員分析工程相關信息后，確定采用電動機轉差率啟閉方式，并考慮到該工程中啟閉機運行頻率較高，重視電阻器阻值的設計，最終設計電阻器阻值為0.704Ω。該設計方案能夠適應該工程的運營需要，充分發揮閘門啟閉機在航運樞紐工程中的作用，長時間保持良好的運行狀態，并為航運樞紐工程船閘閘門啟閉機設計優化提供參考。

3.2.4 安全設計

為保證啟閉機在航運樞紐工程中安全運行，設計人員需重視安全設計，優化啟閉機的運行參數。當啟閉機運行承受荷載過高時，設計人員需適當降低設備的運行頻率，并將設備運行頻率控制在1至50赫茲之間，如荷載小可提升設備運行頻率，額定調速范圍設置為50至100赫茲。除此之外，設計人員還應優化油缸筒壁厚度，如某設計人員考慮工程實際情況，計算該工程中筒壁的最佳厚度為150毫米，可保證設計方案的安全性。

4.結束語

綜上所述，閘門啟閉機在航運樞紐工程中發揮重要作用，應引起工程相關人員的重視，以強化啟閉機性能為目標，優化閘門啟閉機設計方案。相關人員需關注技術最新研究成果，借鑒其他工程的啟閉機設計理念，分析航運樞紐工程的船閘運行特點，創新閘門啟閉機的設計理念，降低船閘閘門啟閉機出現故障的可能性。