大跨度升卧式闸门在船闸上的应用

2013年8月第8期总第482期水运工程Port&WaterwayEngineeringAug.2013No.8SerialNo.482收稿日期：2013-01-19作者简介：李树海（1978—），男，硕士，工程师，从事码头装卸工艺、通航建筑物金属结构及启闭机设计。大跨度升卧式闸门在船闸上的应用李树海1，赵月桂2，陶书东1（1.中交水运规划设计院有限公司，北京100007；2.山东省交通运输厅京杭运河工程建设办公室，山东济南250000）摘要：升卧式闸门一般跨度不大，在水利上应用较多，在船闸工程中应用较少，尤其在23m口门三级通航建筑物上的应用缺少工程实例和经验。以丹金船闸为研究对象，比选适应23m口门及水文条件的三角门和升卧门，对大跨度升卧门设计难点及应对措施进行论述。关键词：三角闸门；升卧式闸门；启闭机中图分类号：U641.6文献标志码：B文章编号：1002-4972(2013)08-0152-04Applicationoflarge-spanliftgateonshiplockLIShu-hai1,ZHAOYue-gui2,TAOShu-dong2(1.CCCCWaterTransportationConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100007,China;2.Beijing-HangzhouCanalEngineeringConstructionOffice,DepartmentofTransport,ShandongProvince,Jinan250000,China)Abstract:Theliftgateisusuallycharacterizedbyasmallspan,thusitismostlyappliedtothewaterconservancyengineering,andseldomusedinthelockengineering,especiallyfortheshiplockof23mwidth.TakingDanjinlockasastudycase,thispapercomparesthetriangulargateandliftgateonthe23mwidelock,anddiscussesthedesigndifficultiesandcountermeasuresforthelarge-spanliftgate.Keywords:triangulargate;liftgate;headstockgear丹金船闸为Ⅲ级通航建筑物，设计最大船舶等级为1000吨级，船闸基本尺度为180m×23m×4m（闸室长×宽×槛上水深），受单向水头作用，最大设计水头1.71m，校核水头2.0m，有开通闸需求，门缝或门底输水。结合已建船闸工程，该船闸能满足开通闸、门缝输水要求的成熟门型为三角门，升卧式闸门也能满足开通闸、门底输水的要求但在船闸应用较少，尤其在23m口门三级通航建筑物上的应用缺少工程实例和经验。本文对三角门、升卧门进行比选，并对大跨度升卧门设计难点及应对措施进行论述。1门型比选丹金船闸单向水头，最大设计水头1.71m，校核水头2.0m，有开通闸要求，丹金闸工作闸门可采用升卧式平面闸门或三角闸门。1.1方案1：工作闸门采用升卧式平面闸门船闸上、下闸首各安装一扇升卧式平板闸门，闸门由门体结构、主滚轮运转件、止水系统、锁定装置、埋件系统组成，门体结构采用双主梁结构，主梁为实腹式变截面主梁，承受水压侧的主轨道自上而下成直轨、弧轨和斜轨段，主轨对侧的反轨皆为直轨，闸门吊点位于门下（靠近下主梁）面板上游侧。闸门提升采用双吊点固定式卷扬启闭机，闸门在提升时先直升一段，然后闸门的顶部向下游转动，至闸门全开时，闸门呈水平状卧于闸首的上部。•153•第8期闸门结构在强度、刚度满足设计要求的情况下，尽量减轻自重，以减小启门力，闸门纵梁图1闸门结构面板纵梁主梁次梁端柱吊座1.2方案2：工作闸门采用三角门上、下闸首各安装两扇三角门，闸门由门体结构、支承运转件、止水系统、防护系统、润滑系统、埋件系统组成。三角门采用空间网架式结构，网架管件采用圆形管材，空间节点采用空心球节点。闸门采用液压启闭机，开门时，三角门在液压启闭机的驱动下运动至门库。两种门型主要结构工程量见表1。1.3两种门型方案主要优缺点比较表2为两种门型方案主要优缺点比较。综上所述，升卧门和三角门均能较好地适用于本船闸的水文条件，完成过闸通航功能，但通过分析可以发现升卧门工程量较三角门少，启闭机投资估算较三角门低，考虑丹金船闸建成后有开通闸情况，闸门使用频率不高，工程投资有限，故本船推荐采用升卧式平面闸门。表1主要结构工程量t方案门体结构件运转件预埋件方案1（升卧门）163.520.3442.3方案2（三角门）380.098.0030.4注：表中工程量为全闸用量。表2方案比较方案启闭机优点缺点方案1固定式双吊点卷扬机QH-2x630kN-18.0m投资估算约150万1.升卧式平面闸门兼具平面直升闸门和弧形闸门的优点，使平面闸门在弧形轨道上作弧形运动，适用于简易船闸的工作闸门[1]2.采用向下游转动的升卧式平板闸门，闸门的转动方向与水压力使闸门转动的方向一致，有利于启门[1]3.易于维护4.闸门结构简单，投资低1.门体结构长期处于闸首高位，且自重较大，为保证下方通航船舶的安全，结构及运转件需要考虑较大安全系数2.23m跨度较大，未有已建船闸的工程实践经验方案2直推式液压启闭机QBJ-350Kn-4.62m投资估算约280万1.三角门可以承受双向水头的作用，在动水中启闭灵活，而且可以利用门缝进行输水2.三角门闸门面板均布置于朝向引航道一侧，可以利用三角门的门库作为消能室，保证闸室停泊条件；3.运行平稳，技术成熟1.投资高，闸门长期处于水中不利于防腐2升卧门设计2.1设计难点1）目前国内船闸最大升卧门孔口宽度为16m，丹金船闸为Ⅲ级通航建筑物，孔口宽度为23m，升卧门宽度增加近44%，要控制好跨中挠度、整体变形、整体应力需在结构设计进行认真考虑。2）由于升卧门的运行特点决定单侧边柱仅能安装2个主滚轮，4个主滚轮承受约315t的水压力，闸门运转件受集中力大。3）闸门跨度大，采用双吊点固定卷扬式启闭机，双侧吊点的同步对闸门的平稳运行尤为重要，在启闭机的选型中即要参考已建工程，又要适用新变化，采取新方法。2.2闸门设计特点2.2.1闸门结构大跨度升卧门采用双主梁结构，由面板、次梁、纵梁、主横梁、端柱组成，传力模式是通过面板将水压力依次传给次梁、纵梁、主横梁、端柱、主滚轮、闸首，闸门跨度增大，控制主梁挠度的方法主要是增加主梁高度，加厚后翼缘板厚度，闸门主梁采用实腹式主梁结构，梁高1.9m，主梁翼板厚度20mm，主梁腹板厚度14mm，经过计算闸门主梁的跨中挠度满足L/600的要求。设计闸门的尺度为22.94m×8.33m×1.9m（宽×高×厚）。图1为结构简图。李树海，等：大跨度升卧式闸门在船闸上的应用•154•水运工程2013年采取开洞加围板的方式；闸门背部安装多道背拉杆，控制整体变形；闸门启闭机吊座是闸门的应力集中点，闸门吊座底板采用30mm厚板，吊座耳板延伸到底梁，吊座后部加多道加筋肋板[2]。闸门选用船用钢板作为主材，船用钢板较传统碳钢防腐性能更好，外涂装采用喷锌、水性无机富锌底漆、氯化橡胶面漆等复合防腐措施。确保闸门在运营中不发生锈蚀现象。2.2.2闸门运转件大跨度升卧闸门由于在上升的最后阶段有向下游方向翻转的运动，决定了闸门一侧端柱上只能安装2个悬臂主滚轮。闸门处于挡水位置时2m校核水头时产生的全部水压力由4个悬臂主滚轮承受，单个悬臂主滚轮承受的径向力达到78.5t，为了将踏面接触应力控制在许用范围，轮径加大到φ1000mm，主滚轮采用铸钢ZG310-570，表面淬火；为了减少维护量，轴套采用高强度自润滑材料；主滚轮轴弯矩最大位置轴径取为280mm，采用40Cr材料，调质处理，表面镀铬，轴的大、小头分别固定在门叶端柱的腹板上；为限制闸门侧向位移，在主滚轮轴端部做成球面与侧轨接触[2]（图2）。图2闸门运转件主轨道侧轨道主滚轮轮轴2.2.3止水及锁定装置止水由侧止水、底止水组成，考虑侧止水在闸门提升过程中与闸首钢面护板摩擦接触较多，侧止水P型橡皮采用球头橡胶复合水封，球头覆盖聚四氟乙烯塑料，耐磨性好。P型止水通过螺栓固定在支撑角钢上，角钢上的固定螺孔为椭圆孔，便于调整侧止水位置，改善密封效果。闸门底止水采用平板型止水橡皮（图3）。图3止水及锁定装置侧止水主滚轮锁定抓平衡板止水锁定状态解锁状态锁定装置是闸门安全运行的保护装置，一般锁定装置需要动力驱动，实现锁定，本次设计锁定装置采用自平衡原理，可自行锁定，闸门主滚轮上行，带动锁抓旋转，锁抓旋转约45°后，进入锁定位，主滚轮被锁定。解锁时，闸门主滚轮先上行约120mm，锁抓在重力作用下旋转恢复至原平衡位，主滚轮解锁。锁定装置的主受力构件为锁定座悬臂轴，销轴的轴径和材料选择上考虑足够的安全储备，另外闸门锁定时启闭机处于抱闸状态，即便锁定装置失效亦不会造成闸门下落事故。2.3启闭机设计特点升卧式闸门跨度大，吊点间距达16.14m，启•155•第8期李树海，等：大跨度升卧式闸门在船闸上的应用闭力大，行程长，双侧吊点同步精度要求高，需安装于闸墩顶部大梁之上启闭机房内，结合丹金船闸启闭机的这些特点，在启闭机的选用上比较了QPQ和QH两种型号的启闭机[3]。启闭机比较见表3。表3方案比较型号优点缺点QPQ-2×630kN-18.0m启闭机1.自重小，约20t/套2.投资少，约30万/套1.滑轮倍率大，钢丝绳多，倍率为6，钢丝绳易乱绳2.钢丝绳总长度长，双吊点同步精度难于保证QH-2×630kN-18.0m启闭机1.滑轮倍率小，钢丝绳少，倍率为2，不会出现乱绳现象2.钢丝绳总长度短，钢丝绳粗，双侧同步精度高1.自重大，约38t/套2.投资大，约48万/套综上所述，QPQ启闭机适用于跨度不大，双吊点同步精度要求不高的升卧门，QH启闭机适用于大跨度，双侧吊点要求同步精度高的升卧门和弧门，综合考虑选用QH型号启闭机作为丹金船闸大跨度升卧门的启闭机。一套启闭机由2套独立的电动机、减速器、制动器、卷筒、滑轮组、荷载限制器等组成，为保证双吊点的同步运行采用中间传动轴机械同步装置。具体参数如下：启闭机型号：QH-2×630kN-18.0m；最大启门力：2×630kN；启闭机最大扬程：约18m；启门高图4升卧门启闭机225056061080059017.43155015606503080550度：16.6m；启闭速度：1.57m/min；电机功率：22kW；卷筒直径：1120mm；钢丝绳直径：56mm；吊点距：16.14m；同步轴支墩间距：4.1m。启闭机均采用专用变频电机，由PLC控制变频器实现变速运行，启闭机配有开度仪，行程限位及过载保护装置（图4）。3结论丹金船闸升卧门已经通过调试、验收，运行平稳，无任何异响，锁定装置锁定准确。工程实践表明：大跨度升卧门在船闸上应用是可行的，同三角门对比，大跨度升卧门节省了大量投资。在大跨度升卧门设计中采取的控制整体变形的措施非常有效，锁定装置安全可靠，启闭机选用合理。参考文献：[1]邵春芬,窦维娥.大型升卧式平面钢闸门设计[R].上海:上海勘测设计研究院机电分院,2004.[2]胡必要,孙亚东,张楠.升卧式闸门的安装及启闭机联合调试[J].江苏水利,2007(8):32-33.[3]河北省水利厅勘测设计院.升卧式平面闸门[M].北京:中国水利电力出版社,1981.（本文编辑郭雪珍）