浅谈升船机间隙密封机构U形框架设计范文

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【摘要】间隙密封机构是升船机的重要组成部分，其技术参数、布置形式及运动方式对升船机的安全运行具有极其重要的影响。本文对三峡升船机间隙密封机构U形框结构设计进行阐述，并应用ANSYS建模进行有限元计算，该结构从技术上能够满足升船机的运行要求，有效保障航道与船厢水域的顺利连通。

【关键词】间隙密封机构；U形框；对接；有限元分析

1概述

三峡升船机为单线一级垂直升船机，采用齿轮齿条爬升式，最大过船吨位为3000t级客货轮，船厢水域有效长度120m，宽18m，水深3.5m。上游通航水位变幅30m，下游通航水位变幅11.8m，下游水位变率约±0.50m/h。升船机布置在枢纽左岸，位于双线五级船闸右侧、左岸7#、8#非溢流坝段之间，由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道等部分组成，从上游口门至下游口门全线总长约5000m。三峡升船机是客轮的快速过坝通道，并与双线五级船闸联合运行，大大提高了枢纽的航运通过能力，保障了枢纽通航的质量。间隙密封机构用于连通航道与船厢水域，是保证三峡升船机运行过程中能否安全过坝的重要环节。

2机构布置与构造

船厢两端分别布置一套间隙密封机构，船厢与闸首对接时，U形密封框从U形槽推出，形成密封区域。该机构主要由U形框架及其导向支承滑块、驱动油缸、碟形弹簧柱及止水橡皮等组成。U形框架由厚80mm、宽1317mm的钢板拼接而成，U形框架的端部装设J型止水及非金属垫块（自润滑材料）。垫块除承受压力和起限位作用外，还可以减小与闸首工作大门间的摩擦力。U形框架外侧与船厢结构之间由夹布橡胶板密封，间隙充水后作用在橡胶板上的水压力将U形板进一步压向闸首，增加了密封的可靠性。密封机构对接期间，油缸由弹簧柱保压，可使U形框架适应闸首门的变形，并使U形框架压向闸门的压力基本保持不变。在地震条件下船厢产生纵向位移时，弹簧柱还可以使U形框架上的P形止水橡胶能始终压紧闸首工作大门，确保密封通道不受破坏。在U形框架内侧与支承滑块之间留有3～9mm的间隙，以使U形板适应船厢变形。U形板的最大水平运动距离为300mm，碟形弹簧柱可适应船厢90mm的向外位移和80mm的向内位移。在U形框架上设有拦污栅，以防止漂浮物进入水深调节系统。驱动油缸额定推力为175kN，在油缸上装有限压阀块，以防过载。在发生地震时，油缸保压压力最大将达到25MPa。利用置于U板前端的位置传感器判断闸首间隙是否被密封，确定机构推出到位，而不是被异物阻挡。在间隙泄水后，间隙密封机构将退回，由设置于油缸上的行程检测装置进行检测。

3U形框架设计

3.1结构型式

U形框架由1段水平钢板段、2段垂直钢板段、两段圆角钢板段、水平段驱动支架和垂直段驱动支架、导向座及拦污栅钢板等组成。圆角钢板段开设止口与水平钢板段和垂直钢板段装配，并通过螺栓和剪力销与水平钢板段和垂直钢板相连，形成整体U形框架结构。钢板止口装配部位设置O型圈进行密封。

3.2主要技术参数

U形框架外形尺寸（高×宽）：8840×20675mm钢板横截面尺寸：水平段和竖直段钢板：80×1317mm圆角部位钢板：120mm×1317mm栅条：8×300×70/100/120/130/180mm（厚度×长度×高度）联接螺栓：M36/M30－DIN24014，性能等级10.9重型弹性圆柱销：50×85－GB/T879.1-2000O形圈：φ5，材料NBR

3.3结构设计

U形框架材料为Q345D。U形框架水平钢板段和垂直钢板段分段制造，现场拼接。水平钢板段和垂直钢板的对接焊缝以及水平钢板段和垂直钢板与驱动机架连接的组合焊缝为一类焊缝。P形止水挡板和止水橡胶板座板与U形板的焊缝为三类焊缝。U形框架焊接后应消除内应力并矫正变形。钢板的平面度误差不大于0.2mm/m，圆弧段钢板的轮廓度偏差不大于1.0mm。水平钢板、垂直钢板与圆弧段钢板的铰制孔（φ50）配作，配合公差为H12，粗糙度为Ra6.3。水平钢板和垂直钢板与圆弧板的接合面与止口面的垂直度公差为0.2mm，圆弧段两端接合面的垂直度公差为0.2mm，同一端接合面与止口面的垂直度公差为0.2mm；水平钢板、垂直钢板与圆弧段钢板的接合长度公差为-0.5～-0.3mm。驱动支架导向套内孔直径公差Φ280（0～+0.5m）m。内孔轴线与U形框架钢板表面平行度公差0.5mm。导向座的安装槽应进行机械加工，开槽尺寸公差为-1～-0.8mm（对应于开槽长度330mm）和-0.7～-0.5mm（对应于开槽长度170mm、175mm、130mm）。槽底的平行度公差为0.5mm。

3.4有限元计算

3.4.1工况和建模工况一：建模见图1。密封框由驱动油缸驱动，接触闸首工作大门后，油缸施加作用力，将密封框架强制变形，使之适应工作大门的挠度22.5mm。该工况不考虑水压作用。建模时将U形框架竖直部位的油缸作为约束处理，在U形框架水平段中部作用由工作大门施加的水平纵向载荷448kN（通过试算得出，以满足22.5mm的相对于挠度）。工况二：建模见图2。全部油缸施加作用力175kN，使密封框贴紧工作大门，并承受水压力。此时密封框架与工作大门接触部位施加位移约束。由于未计入工况一中密封框架的弯曲变形和应力，该工况不是密封框架的最终受力状态。工况三：工况一和工况二的叠加，是密封框工作时的最终实际受力状况。

3.4.2计算分析结果3.4.2.1工况一图3、图4、图5和图6为该工况的应力分布情况。U型密封框底部能满足Y向的适应性变形22.5mm；U型密封框结构整体满足强度要求。该工况下同一转角处两油缸的合力276kN，每只油缸的载荷小于额定推力175kN。在竖直段上部每个支座的反力为52kN，背向工作大门方向，说明在使密封框架变形过程中不需该部位油缸受力，密封框顶部受工作大门的接触力。3.4.2.2工况二图7、图8、图9为该工况二的应力分布情况。工况二下，X向最大应力为-189.715MPa，Y向最大应力为-75.116MPa，Z向最大应力为最大为-121.762MPa。U型密封框结构整体满足强度要求。3.4.2.3工况三的计算结果将工况一和工况二应力叠加，即为密封框工作时的最终应力状态。见图10、图11和图12。在工况三下，密封框架水平段水平纵向最大位移为22.89mm，Z向最大位X向最大应力为175.881MPa，Y向最大应力为-109.761MPa，Z向最大应力为最大为-157.184MPa。计算结论：U型密封框底部能满足Y向的适应性变形22.5mm；U型密封框结构强度满足要求。

4结束语

当船舶进入承船厢时，间隙密封应确保在所有工作条件下承船厢和闸首之间间隙的水密性，而间隙密封机构的结构设计是三峡水利枢纽齿轮齿条式升船机的关键问题之一。运用AN-SYS对主要结构进行建模分析计算，验证了该设计方案的可行性，为保证升船机间隙密封机构的安全运行提供了技术保障。

参考文献

[1]SL660-2013升船机设计规范[S].

[2]船闸与升船机设计[M].北京:中国水利出版社,2007.

[3]水工设计手册（第六卷）[S].北京:水利电力出版社,1987.

作者：冯宇 单位：华电郑州机械设计研究院有限公司