淺談升船機間隙密封機構U形框架設計范文

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【摘要】間隙密封機構是升船機的重要組成部分，其技術參數、布置形式及運動方式對升船機的安全運行具有極其重要的影響。本文對三峽升船機間隙密封機構U形框結構設計進行闡述，并應用ANSYS建模進行有限元計算，該結構從技術上能夠滿足升船機的運行要求，有效保障航道與船廂水域的順利連通。

【關鍵詞】間隙密封機構；U形框；對接；有限元分析

1概述

三峽升船機為單線一級垂直升船機，采用齒輪齒條爬升式，最大過船噸位為3000t級客貨輪，船廂水域有效長度120m，寬18m，水深3.5m。上游通航水位變幅30m，下游通航水位變幅11.8m，下游水位變率約±0.50m/h。升船機布置在樞紐左岸，位于雙線五級船閘右側、左岸7#、8#非溢流壩段之間，由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等部分組成，從上游口門至下游口門全線總長約5000m。三峽升船機是客輪的快速過壩通道，并與雙線五級船閘聯合運行，大大提高了樞紐的航運通過能力，保障了樞紐通航的質量。間隙密封機構用于連通航道與船廂水域，是保證三峽升船機運行過程中能否安全過壩的重要環節。

2機構布置與構造

船廂兩端分別布置一套間隙密封機構，船廂與閘首對接時，U形密封框從U形槽推出，形成密封區域。該機構主要由U形框架及其導向支承滑塊、驅動油缸、碟形彈簧柱及止水橡皮等組成。U形框架由厚80mm、寬1317mm的鋼板拼接而成，U形框架的端部裝設J型止水及非金屬墊塊（自潤滑材料）。墊塊除承受壓力和起限位作用外，還可以減小與閘首工作大門間的摩擦力。U形框架外側與船廂結構之間由夾布橡膠板密封，間隙充水后作用在橡膠板上的水壓力將U形板進一步壓向閘首，增加了密封的可靠性。密封機構對接期間，油缸由彈簧柱保壓，可使U形框架適應閘首門的變形，并使U形框架壓向閘門的壓力基本保持不變。在地震條件下船廂產生縱向位移時，彈簧柱還可以使U形框架上的P形止水橡膠能始終壓緊閘首工作大門，確保密封通道不受破壞。在U形框架內側與支承滑塊之間留有3～9mm的間隙，以使U形板適應船廂變形。U形板的最大水平運動距離為300mm，碟形彈簧柱可適應船廂90mm的向外位移和80mm的向內位移。在U形框架上設有攔污柵，以防止漂浮物進入水深調節系統。驅動油缸額定推力為175kN，在油缸上裝有限壓閥塊，以防過載。在發生地震時，油缸保壓壓力最大將達到25MPa。利用置于U板前端的位置傳感器判斷閘首間隙是否被密封，確定機構推出到位，而不是被異物阻擋。在間隙泄水后，間隙密封機構將退回，由設置于油缸上的行程檢測裝置進行檢測。

3U形框架設計

3.1結構型式

U形框架由1段水平鋼板段、2段垂直鋼板段、兩段圓角鋼板段、水平段驅動支架和垂直段驅動支架、導向座及攔污柵鋼板等組成。圓角鋼板段開設止口與水平鋼板段和垂直鋼板段裝配，并通過螺栓和剪力銷與水平鋼板段和垂直鋼板相連，形成整體U形框架結構。鋼板止口裝配部位設置O型圈進行密封。

3.2主要技術參數

U形框架外形尺寸（高×寬）：8840×20675mm鋼板橫截面尺寸：水平段和豎直段鋼板：80×1317mm圓角部位鋼板：120mm×1317mm柵條：8×300×70/100/120/130/180mm（厚度×長度×高度）聯接螺栓：M36/M30－DIN24014，性能等級10.9重型彈性圓柱銷：50×85－GB/T879.1-2000O形圈：φ5，材料NBR

3.3結構設計

U形框架材料為Q345D。U形框架水平鋼板段和垂直鋼板段分段制造，現場拼接。水平鋼板段和垂直鋼板的對接焊縫以及水平鋼板段和垂直鋼板與驅動機架連接的組合焊縫為一類焊縫。P形止水擋板和止水橡膠板座板與U形板的焊縫為三類焊縫。U形框架焊接后應消除內應力并矯正變形。鋼板的平面度誤差不大于0.2mm/m，圓弧段鋼板的輪廓度偏差不大于1.0mm。水平鋼板、垂直鋼板與圓弧段鋼板的鉸制孔（φ50）配作，配合公差為H12，粗糙度為Ra6.3。水平鋼板和垂直鋼板與圓弧板的接合面與止口面的垂直度公差為0.2mm，圓弧段兩端接合面的垂直度公差為0.2mm，同一端接合面與止口面的垂直度公差為0.2mm；水平鋼板、垂直鋼板與圓弧段鋼板的接合長度公差為-0.5～-0.3mm。驅動支架導向套內孔直徑公差Φ280（0～+0.5m）m。內孔軸線與U形框架鋼板表面平行度公差0.5mm。導向座的安裝槽應進行機械加工，開槽尺寸公差為-1～-0.8mm（對應于開槽長度330mm）和-0.7～-0.5mm（對應于開槽長度170mm、175mm、130mm）。槽底的平行度公差為0.5mm。

3.4有限元計算

3.4.1工況和建模工況一：建模見圖1。密封框由驅動油缸驅動，接觸閘首工作大門后，油缸施加作用力，將密封框架強制變形，使之適應工作大門的撓度22.5mm。該工況不考慮水壓作用。建模時將U形框架豎直部位的油缸作為約束處理，在U形框架水平段中部作用由工作大門施加的水平縱向載荷448kN（通過試算得出，以滿足22.5mm的相對于撓度）。工況二：建模見圖2。全部油缸施加作用力175kN，使密封框貼緊工作大門，并承受水壓力。此時密封框架與工作大門接觸部位施加位移約束。由于未計入工況一中密封框架的彎曲變形和應力，該工況不是密封框架的最終受力狀態。工況三：工況一和工況二的疊加，是密封框工作時的最終實際受力狀況。

3.4.2計算分析結果3.4.2.1工況一圖3、圖4、圖5和圖6為該工況的應力分布情況。U型密封框底部能滿足Y向的適應性變形22.5mm；U型密封框結構整體滿足強度要求。該工況下同一轉角處兩油缸的合力276kN，每只油缸的載荷小于額定推力175kN。在豎直段上部每個支座的反力為52kN，背向工作大門方向，說明在使密封框架變形過程中不需該部位油缸受力，密封框頂部受工作大門的接觸力。3.4.2.2工況二圖7、圖8、圖9為該工況二的應力分布情況。工況二下，X向最大應力為-189.715MPa，Y向最大應力為-75.116MPa，Z向最大應力為最大為-121.762MPa。U型密封框結構整體滿足強度要求。3.4.2.3工況三的計算結果將工況一和工況二應力疊加，即為密封框工作時的最終應力狀態。見圖10、圖11和圖12。在工況三下，密封框架水平段水平縱向最大位移為22.89mm，Z向最大位X向最大應力為175.881MPa，Y向最大應力為-109.761MPa，Z向最大應力為最大為-157.184MPa。計算結論：U型密封框底部能滿足Y向的適應性變形22.5mm；U型密封框結構強度滿足要求。

4結束語

當船舶進入承船廂時，間隙密封應確保在所有工作條件下承船廂和閘首之間間隙的水密性，而間隙密封機構的結構設計是三峽水利樞紐齒輪齒條式升船機的關鍵問題之一。運用AN-SYS對主要結構進行建模分析計算，驗證了該設計方案的可行性，為保證升船機間隙密封機構的安全運行提供了技術保障。

參考文獻

[1]SL660-2013升船機設計規范[S].

[2]船閘與升船機設計[M].北京:中國水利出版社,2007.

[3]水工設計手冊（第六卷）[S].北京:水利電力出版社,1987.

作者：馮宇 單位：華電鄭州機械設計研究院有限公司