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【摘要】間隙密封機(jī)構(gòu)是升船機(jī)的重要組成部分，其技術(shù)參數(shù)、布置形式及運(yùn)動(dòng)方式對(duì)升船機(jī)的安全運(yùn)行具有極其重要的影響。本文對(duì)三峽升船機(jī)間隙密封機(jī)構(gòu)U形框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，并應(yīng)用ANSYS建模進(jìn)行有限元計(jì)算，該結(jié)構(gòu)從技術(shù)上能夠滿足升船機(jī)的運(yùn)行要求，有效保障航道與船廂水域的順利連通。

【關(guān)鍵詞】間隙密封機(jī)構(gòu)；U形框；對(duì)接；有限元分析

1概述

三峽升船機(jī)為單線一級(jí)垂直升船機(jī)，采用齒輪齒條爬升式，最大過船噸位為3000t級(jí)客貨輪，船廂水域有效長(zhǎng)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(jī)布置在樞紐左岸，位于雙線五級(jí)船閘右側(cè)、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(zhǎng)約5000m。三峽升船機(jī)是客輪的快速過壩通道，并與雙線五級(jí)船閘聯(lián)合運(yùn)行，大大提高了樞紐的航運(yùn)通過能力，保障了樞紐通航的質(zhì)量。間隙密封機(jī)構(gòu)用于連通航道與船廂水域，是保證三峽升船機(jī)運(yùn)行過程中能否安全過壩的重要環(huán)節(jié)。

2機(jī)構(gòu)布置與構(gòu)造

船廂兩端分別布置一套間隙密封機(jī)構(gòu)，船廂與閘首對(duì)接時(shí)，U形密封框從U形槽推出，形成密封區(qū)域。該機(jī)構(gòu)主要由U形框架及其導(dǎo)向支承滑塊、驅(qū)動(dòng)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(shè)J型止水及非金屬墊塊（自潤(rùn)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(cè)與船廂結(jié)構(gòu)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(jìn)一步壓向閘首，增加了密封的可靠性。密封機(jī)構(gòu)對(duì)接期間，油缸由彈簧柱保壓，可使U形框架適應(yīng)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(chǎn)生縱向位移時(shí)，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(nèi)側(cè)與支承滑塊之間留有3～9mm的間隙，以使U形板適應(yīng)船廂變形。U形板的最大水平運(yùn)動(dòng)距離為300mm，碟形彈簧柱可適應(yīng)船廂90mm的向外位移和80mm的向內(nèi)位移。在U形框架上設(shè)有攔污柵，以防止漂浮物進(jìn)入水深調(diào)節(jié)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)油缸額定推力為175kN，在油缸上裝有限壓閥塊，以防過載。在發(fā)生地震時(shí)，油缸保壓壓力最大將達(dá)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(jī)構(gòu)推出到位，而不是被異物阻擋。在間隙泄水后，間隙密封機(jī)構(gòu)將退回，由設(shè)置于油缸上的行程檢測(cè)裝置進(jìn)行檢測(cè)。

3U形框架設(shè)計(jì)

3.1結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)支架和垂直段驅(qū)動(dòng)支架、導(dǎo)向座及攔污柵鋼板等組成。圓角鋼板段開設(shè)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(jié)構(gòu)。鋼板止口裝配部位設(shè)置O型圈進(jìn)行密封。

3.2主要技術(shù)參數(shù)

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(zhǎng)度×高度）聯(lián)接螺栓：M36/M30－DIN24014，性能等級(jí)10.9重型彈性圓柱銷：50×85－GB/T879.1-2000O形圈：φ5，材料NBR

3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(xiàn)場(chǎng)拼接。水平鋼板段和垂直鋼板的對(duì)接焊縫以及水平鋼板段和垂直鋼板與驅(qū)動(dòng)機(jī)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(yīng)消除內(nèi)應(yīng)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(zhǎng)度公差為-0.5～-0.3mm。驅(qū)動(dòng)支架導(dǎo)向套內(nèi)孔直徑公差Φ280（0～+0.5m）m。內(nèi)孔軸線與U形框架鋼板表面平行度公差0.5mm。導(dǎo)向座的安裝槽應(yīng)進(jìn)行機(jī)械加工，開槽尺寸公差為-1～-0.8mm（對(duì)應(yīng)于開槽長(zhǎng)度330mm）和-0.7～-0.5mm（對(duì)應(yīng)于開槽長(zhǎng)度170mm、175mm、130mm）。槽底的平行度公差為0.5mm。

3.4有限元計(jì)算

3.4.1工況和建模工況一：建模見圖1。密封框由驅(qū)動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)，接觸閘首工作大門后，油缸施加作用力，將密封框架強(qiáng)制變形，使之適應(yīng)工作大門的撓度22.5mm。該工況不考慮水壓作用。建模時(shí)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(duì)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(shí)密封框架與工作大門接觸部位施加位移約束。由于未計(jì)入工況一中密封框架的彎曲變形和應(yīng)力，該工況不是密封框架的最終受力狀態(tài)。工況三：工況一和工況二的疊加，是密封框工作時(shí)的最終實(shí)際受力狀況。

3.4.2計(jì)算分析結(jié)果3.4.2.1工況一圖3、圖4、圖5和圖6為該工況的應(yīng)力分布情況。U型密封框底部能滿足Y向的適應(yīng)性變形22.5mm；U型密封框結(jié)構(gòu)整體滿足強(qiáng)度要求。該工況下同一轉(zhuǎn)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(gè)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(yīng)力分布情況。工況二下，X向最大應(yīng)力為-189.715MPa，Y向最大應(yīng)力為-75.116MPa，Z向最大應(yīng)力為最大為-121.762MPa。U型密封框結(jié)構(gòu)整體滿足強(qiáng)度要求。3.4.2.3工況三的計(jì)算結(jié)果將工況一和工況二應(yīng)力疊加，即為密封框工作時(shí)的最終應(yīng)力狀態(tài)。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(yīng)力為175.881MPa，Y向最大應(yīng)力為-109.761MPa，Z向最大應(yīng)力為最大為-157.184MPa。計(jì)算結(jié)論：U型密封框底部能滿足Y向的適應(yīng)性變形22.5mm；U型密封框結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

4結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)船舶進(jìn)入承船廂時(shí)，間隙密封應(yīng)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(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是三峽水利樞紐齒輪齒條式升船機(jī)的關(guān)鍵問題之一。運(yùn)用AN-SYS對(duì)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析計(jì)算，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性，為保證升船機(jī)間隙密封機(jī)構(gòu)的安全運(yùn)行提供了技術(shù)保障。

參考文獻(xiàn)

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作者：馮宇 單位：華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司