基于有限元分析的一體化閘門泵結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化研究

黃冠杰

（蘇州市水利設(shè)計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215011）

隨著水利工程的快速發(fā)展，閘門泵發(fā)揮的作用日益顯著。但傳統(tǒng)的設(shè)計方法多基于經(jīng)驗，難以達到高效的設(shè)計效果[1]，因此一體化閘門泵設(shè)計與優(yōu)化成了研究重點。

一體化閘門泵是一種新型的水力機械，以實現(xiàn)水位調(diào)節(jié)、排水及灌溉等多種用途。但一體化閘門泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化是影響其性能和壽命的重要因素。張雪才等人[2]利用ANSYS中的APDL 參數(shù)化語言，給出了快速建立弧形閘門高質(zhì)量幾何模型和有限元模型的具體思路和相應(yīng)APDL 命令。姜明梁[3]針對臥式一體化泵閘的臨界工作淹沒深度過高的問題，設(shè)計了3 種消渦裝置以降低臨界淹沒深度，方案三較原方案降低了58%，效果顯著。另外，王海峰[4]采用三維參數(shù)化計算模型，進行門葉厚度、板厚度等參數(shù)設(shè)計優(yōu)化分析以及穿墻管、腹板薄弱處的加固分析。

該文基于有限元分析模型優(yōu)化一體化閘門泵結(jié)構(gòu)設(shè)計，討論了不同因素對一體化閘門泵結(jié)構(gòu)的敏感性影響，并結(jié)合真機防腐試驗結(jié)果，提出了一體化閘門泵的防腐措施。

1 工程概況

試驗地區(qū)多年平均降水量為1135.6mm 左右，降水量年際變化較大，最大年降水量1602.9mm，最小年降水量635.1mm。該地聯(lián)防聯(lián)控片規(guī)劃防洪標準100年一遇、排澇標準20年一遇，應(yīng)對極端天氣風(fēng)險能力全面提升。某閘站工程為16m 防洪閘，設(shè)排澇泵水流量45m3/s。考慮保護區(qū)內(nèi)人口、城鎮(zhèn)及工礦企業(yè)的重要性、保護農(nóng)田面積以及供水對象的重要性，綜合確定工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2 級，次要建筑物級別為3 級，臨時建筑物級別為4 級。

2 模型設(shè)計

閘站工程包括泵站和節(jié)制閘，其中節(jié)制閘凈寬為16m，泵站規(guī)模為45m3/s。節(jié)制閘閘室采用開敞式鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)，順水流方向長度為14.0m，邊墩厚1.20m，閘底板頂面高程為0.00m，底板厚2.0m。外河側(cè)墩頂高程6.0m，中部排架頂高程10.5m，排架上設(shè)5.75m 寬的工作橋（啟閉機室），橋頂高程12.10m，工作橋北端接泵站主廠房。

該文采用參數(shù)化和接觸連接的方法進行泵閘的三維建模。為了方便計算和網(wǎng)格劃分，建模時忽略倒角、螺栓孔、漏水孔以及鎖定槽口等過小細節(jié)。對一體泵閘的泵體、支撐、腹板、邊梁和閘門等主要受力結(jié)構(gòu)進行單獨建模。建模時，一體化泵閘的底部支撐和滑動模塊采用FGB 材料制成，并將這些部位假設(shè)為剛體，施加水流流動方向分和豎直方向的約束。閘體的止水采用聚四氟乙烯材料構(gòu)成，施加彈性約束。閘門施加固定約束，模型共被劃分為約20 萬個單元體。采用數(shù)值模擬計算葉輪傳遞力和閘門壓力時，受力單元的法向和切向剛度的比例因子均取1，取0.05 的主段延伸率值。三維模型如圖1所示。

圖1 三維模型

3 敏感性分析

3.1 門葉厚度影響

為研究門厚對一體化閘門振頻的影響，該文設(shè)計門厚為550mm～800mm 的6 種工況，施加10 個階段模態(tài)頻率，分析不同模態(tài)頻率作用下門厚與閘門振動頻率的關(guān)系，研究結(jié)果如圖2所示。觀察圖2 中的振頻發(fā)展趨勢可以看出，閘門的振動頻率隨著模態(tài)階數(shù)的增長呈現(xiàn)出4 個發(fā)展階段。1～3 階時，閘門的振動主要是由穿墻管位置處的彈性支撐引起的，這種支撐方式使穿墻管位置處的振動與門厚變化關(guān)系不大。第4 階時，閘門上部整體彎曲是受水流沖擊力和自重作用力的結(jié)果，這種彎曲模態(tài)使閘門上部的剛度降低，因此隨著門厚增加，上部剛度增加，振頻也相應(yīng)增加。第5 階時，閘門頂部兩端翹曲是由于受到水流沖擊力和自重作用力的不均勻分布導(dǎo)致的，這種翹曲模態(tài)使閘門頂部兩端的剛度降低，因此隨著門厚增加，兩端剛度增加，翹曲程度降低。第6～10 階時，閘門板結(jié)構(gòu)振動是水流沖擊力和自重作用力的局部激勵引起的，這種板結(jié)構(gòu)振動使閘門表面產(chǎn)生局部應(yīng)力集中和變形，因此隨著門厚增加，板結(jié)構(gòu)剛度增加，振頻降低。通過以上分析，發(fā)現(xiàn)在一體化閘門設(shè)計中應(yīng)該根據(jù)不同模態(tài)階數(shù)選擇合適的門厚，并考慮設(shè)置腹板結(jié)構(gòu)來提高區(qū)隔面板的抗振性能。

圖2 門厚對振頻的影響

3.2 板結(jié)構(gòu)厚度影響

在閘門設(shè)計中，門葉板件厚度對閘門的質(zhì)量、抗震能力以及結(jié)構(gòu)強度有直接影響。由于平板式的鋼閘門多采用焊接結(jié)構(gòu)，因此為了方便加工，通常采用2種型號的板件組合而成，板厚控制為10mm～20mm。使用板厚為10mm 的鋼板制成腹板和面板，然后搭配板厚12mm 的鋼板制成翼緣，通過焊接組裝。對不同規(guī)格型號的板材組成的閘門，采用面板厚度+翼板厚度的形式標記不同閘門組合。該文設(shè)計的7 種不同板厚閘門組合見表1。

表1 閘門組合

根據(jù)高階振頻和低階振頻對板厚的影響分析，6～10 階的高階振頻主要受面板、腹板的厚度影響，而振頻較低的1～5 階振動頻率則與板厚無關(guān)。因此，在保證閘門處于安全自振頻域（1Hz～20Hz）的前提下，需要選擇合適的板厚組合，才能保證一體化閘門的使用安全性。板厚對振頻的影響如圖3所示。由圖3 可知，在該文設(shè)計的閘門組合中，T10-12 的共振頻率低于安全自振頻域的20Hz，不符合安全要求。為了節(jié)約建設(shè)成本并考慮加工的便利性，應(yīng)盡量避免選擇過厚的板件。文獻研究表明[5-6]，選擇一體化閘門時閘門寬高比小于0.6 為宜，并且閘門寬度應(yīng)為水泵外徑的2 倍。因此，該文推薦使用板厚組合為T12-14 和T14-16 的閘門。

圖3 板厚對振頻的影響

3.3 穿墻管加固

與常規(guī)鋼閘門相比，一體化閘門泵可將水泵和閘門進行結(jié)合，實現(xiàn)河道的引排水功能。穿墻管是一體化閘門泵中的關(guān)鍵部件，連接了閘門和水泵，承受了水流的沖擊力。閘門與穿墻管的連接處是影響水泵穩(wěn)定性和抗震性的關(guān)鍵部位。該文設(shè)計了閘門與穿墻管的連接處的7 種不同振動模態(tài)。不同振動模態(tài)的有限元試驗結(jié)果如圖4所示。連接處無肋板時，閘門在1～3階振動模態(tài)下均有較大的變形幅度，尤其是在連接處附近，表明該設(shè)計方案對抑制閘門的振動變形效果較差。當(dāng)振動模態(tài)為4 階時，閘門的振動頻率突然增加了近10 倍，達到了0.6Hz，同時閘門上部出現(xiàn)了明顯的豎向彎曲變形，這可能會導(dǎo)致閘門結(jié)構(gòu)的破壞或失效。因此，該設(shè)計方案不適用于閘門與穿墻管的連接處。當(dāng)連接處設(shè)置縱肋或橫肋時，閘門在1～2 階振動模態(tài)下的變形幅度有所降低，但仍然較大。當(dāng)振動模態(tài)為3 階時，閘門的振動頻率也出現(xiàn)了較大增加，分別為0.25Hz 和0.28Hz，同時閘門上部也出現(xiàn)了豎向彎曲變形。這表明，在連接處單一設(shè)置縱肋或橫肋雖然能夠一定程度上改善閘門的振動變形性能，但仍然不能有效地抑制高階振動模態(tài)下的變形。當(dāng)連接處設(shè)置斜肋時，閘門在1～4 階振動模態(tài)下的變形幅度均顯著降低，并且沒有出現(xiàn)豎向彎曲變形。當(dāng)振動模態(tài)為5 階時，閘門的振動頻率才達到0.23Hz，并且變形幅度也較小。這說明，在連接處設(shè)置斜肋能夠有效提高閘門的抗變形能力，延遲高頻振動模態(tài)的出現(xiàn)。當(dāng)連接處設(shè)置橫肋+縱肋+斜肋時，閘門在1～5 階振動模態(tài)下的變形幅度均最小，并且沒有出現(xiàn)豎向彎曲變形。當(dāng)振動模態(tài)為6 階時，閘門的振動頻率才達到了0.21Hz，并且變形幅度也最小。這表明，在連接處設(shè)置橫肋+縱肋+斜肋能夠最大程度地抑制閘門的振動變形，提高閘門的穩(wěn)定性和安全性。

圖4 穿墻管加固方式振頻的影響

從抗變形的角度來看，閘門與穿墻管連接處最佳的設(shè)計方案是橫肋+縱肋+斜肋，其次是單一設(shè)置斜肋，而無肋板、單一設(shè)置縱肋或橫肋的設(shè)計方案均不合理。

4 抗振效果分析

該文所研究泵站處于平原河道，流域降雨量的多少會影響水位的高低。泵站排水的一端流入東海，會發(fā)生半日淺海潮，因此水泵的揚程需要參考內(nèi)河水位和外海潮位進行頻繁的調(diào)整。在排澇時期，水泵的運行揚程會出現(xiàn)較大起伏。因此，水泵的流量為變量，正常流量為1m3/s～10m3/s。根據(jù)規(guī)范要求，如果鋼閘門和動力支承結(jié)構(gòu)避免共振，則鋼閘門迫振頻率與自振頻率的差值應(yīng)在20%以上。該文一體化閘門模型動態(tài)模擬結(jié)果見表2。由表2 可知，在對閘門進行不同階數(shù)的動態(tài)模擬時，閘門的迫振頻率與自振頻率的差值均超過20%。尤其在振型頻率前三階時，測試差值超過規(guī)范要求值至少3 倍。模擬分析結(jié)果表明，該文設(shè)計的一體化泵閘結(jié)構(gòu)不會發(fā)生共振，并具備較好的抗變形能力。

表2 動態(tài)模擬結(jié)果

5 防腐措施

一體化閘門泵將水閘和水泵結(jié)合在一起，具備了防洪排澇、河道補水和水體交換等多種功能，是城市河水環(huán)境治理的有效手段。但一體化閘門泵與一般閘門不同，在水質(zhì)較差的環(huán)境中，一體化閘門泵有更高的防腐要求[5]。為了保證主泵能夠長期穩(wěn)定運行，該文進行了真機防腐試驗，對不同位置的構(gòu)件采用了不同的防腐措施。

5.1 主泵防腐蝕

主泵的外殼和葉輪采用高強度的不銹鋼材料，可提高其耐腐蝕性和抗沖擊性。根據(jù)試驗結(jié)果，這種材料在海水環(huán)境中的腐蝕速率僅為0.01mm/年，遠低于普通鋼材的0.1mm/年。主泵的軸承和密封件采用特殊的潤滑油和填料，可以減少摩擦和磨損，并防止水滲入。經(jīng)過試驗，這些部件在運行1000h后仍能保持良好的性能和密封性。主泵的電機和控制器采用防水和防塵設(shè)計，可以防止水和沙塵對其造成損壞。在保持電機和控制器的適宜溫度同時，可以增加散熱裝置。經(jīng)過試驗，這些部件在惡劣水環(huán)境中的故障率僅為0.5%，遠低于普通電機和控制器的5%。定期對主泵進行清洗和檢查，及時發(fā)現(xiàn)和處理故障，防止腐蝕加劇。

5.2 閘門及埋件防腐蝕

閘門泵選用不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕性強，另外在泵體內(nèi)部刷上防腐涂料，以加厚防腐層，提升防腐效果[6]。閘門選用鋁合金材質(zhì)，質(zhì)量輕、強度高且耐腐蝕，另外在閘門表面做噴砂處理，增加表面粗糙度，提升涂層附著力。啟閉系統(tǒng)選用電動啟閉機或液壓啟閉機，并在啟閉機外部裝上防護罩，防止海水侵入。攔污系統(tǒng)選用自動清污格柵機，根據(jù)河道寬度和水流速度選擇合適的型號，另外在清污機或格柵機上刷上防腐涂料，增加耐久性。

6 結(jié)論

該文通過數(shù)值手段系統(tǒng)分析了不同參數(shù)對一體化閘門泵結(jié)構(gòu)的影響，并提出了一體化閘門泵的防腐措施。結(jié)論如下：進行一體化閘門設(shè)計時，門葉厚度的選擇十分重要，適當(dāng)增加閘門厚度可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。當(dāng)區(qū)隔的面板面積較大時，還需要考慮設(shè)置腹板結(jié)構(gòu)，進一步加固區(qū)隔面板，縮小共振頻域。閘門結(jié)構(gòu)的高階振頻主要受面板、腹板的厚度影響，而低階振頻則與板厚無關(guān)。

一體化閘泵閘門與穿墻管的連接處采用橫肋+縱肋+斜肋的設(shè)計抗變形效果最佳。一體化閘泵的主泵的外殼、葉輪以及閘門的材質(zhì)應(yīng)采用高強度的不銹鋼材料，以提高其耐腐蝕性和抗沖擊性。