淺談極端情況下對(duì)P形水封反向止水性能的應(yīng)用

摘要：通過(guò)對(duì)P45水封反向止水過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算，闡述在極端情況下對(duì)P形水封反方向止水性能的應(yīng)用可行性，為解決相關(guān)問(wèn)題提供了一個(gè)簡(jiǎn)單易行的方法。

1 工程概況

某泵站進(jìn)水口檢修閘門初期相關(guān)資料如下：孔口尺寸3.5m×3.5m（寬×高，下同），設(shè)計(jì)水頭9.42m，單向止水，動(dòng)水啟閉。設(shè)計(jì)采用潛孔式平面滾動(dòng)閘門，裝配4個(gè)?600懸臂輪，采用P45水封下游止水，如圖1所示。

1.門葉結(jié)構(gòu) 2.水封 3.懸臂輪 4.配重塊 5.側(cè)輪

圖1 閘門總圖

在該閘門制造完畢且相應(yīng)門槽澆筑完成的情況下，工程設(shè)計(jì)工況發(fā)生變動(dòng)，要求其具有雙向止水功能（原設(shè)計(jì)方向定義為主方向，新增方向定義為反方向），因此需對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

2 解決方案

因該檢修閘門和相應(yīng)門槽已完工，受空間和結(jié)構(gòu)的制約，已無(wú)法將P45水封更改為雙P形水封或者在閘門無(wú)水封一側(cè)增加一道水封進(jìn)行止水。

考慮到以下因素：

（1）對(duì)閘門進(jìn)行重新設(shè)計(jì)、制造會(huì)浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力；

（2）閘門使用頻率較低；

（3）新增工況中反向設(shè)計(jì)水頭較低，小于2m水頭。

故選擇利用P形水封的反向止水性能，具體措施如下：

（1）將門槽主軌、門楣上的止水座板由4mm厚度更換為6mm，令閘門在承受主方向水頭時(shí)水封預(yù)壓縮量由4mm增加到6mm；

（2）在門槽反軌上加焊4塊8×120×200 的不銹鋼鋼板，鋼板中心與閘門懸臂輪的中心一一對(duì)應(yīng)，此時(shí)閘門與反軌的間隙在接觸部位由10mm減為2mm。在保證安全閉門的前提下，令閘門在承受反方向水頭時(shí)水封預(yù)壓縮量為4mm，利用P形水封的反向止水性能止水。

3 P形水封仿真計(jì)算

3.1 仿真計(jì)算的基本理論

水封類橡膠類材料有其獨(dú)特的力學(xué)性能：超彈性，體積不可壓縮性、大變形等。在受到水壓力作用下，橡皮止水元件會(huì)產(chǎn)生大變形，使得用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法難以定量地分析出橡皮止水元件的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系值；運(yùn)用非線性有限元分析方法對(duì)止水橡皮封水全過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算能夠得到比較滿意的結(jié)果。

3.2 影響水封水密性的三要素：

（1）止水元件封頭與止水面板的接觸寬度；

（2）封頭對(duì)止水面板的壓縮量；

（3）封頭對(duì)止水面板的接觸應(yīng)力。

在已知庫(kù)水壓力、止水元件材料的反彈應(yīng)力等共同作用下，上述三要素可以作為判別水封水密性好壞的判據(jù)。

3.3 仿真計(jì)算的有限元力學(xué)模型建立

橡皮止水元件設(shè)置在閘門面板上，剛性壓板固定橡皮止水元件。當(dāng)閘門承受反方向水頭時(shí)，預(yù)壓4mm的水封封頭與止水座板相擠、摩擦達(dá)到治水的目的。

橡皮止水元件采用超彈性單元HYPER74號(hào)單元，該類單元采用混合位移——應(yīng)力表示形式，適用于大變形、接近體積不可壓縮的橡膠類材料。

面板、剛性壓板、止水座板采用彈性單元PLANE183。在橡皮止水元件與止水座板接觸的部位設(shè)置接觸対單元TARGE169和CONTA172。

仿真計(jì)算過(guò)程分三個(gè)荷載步。第一步，橡皮止水元件安裝和預(yù)壓過(guò)程，荷載采用位移荷載，即止水座板向止水封頭移動(dòng)對(duì)橡皮止水元件進(jìn)行預(yù)壓；第二步，施加零水荷載；第三步，按水頭計(jì)算，施加反方向設(shè)計(jì)水頭荷載，模擬P45水封的反向止水過(guò)程，有限元模型如圖2所示。

圖2 P形水封有限元模型

3.4 計(jì)算結(jié)果

考慮面板和止水座板零位移約束，摩擦系數(shù)取0.5，反方向作用水頭，結(jié)果如表1所示。

作用水頭（m）接觸寬度（mm）接觸應(yīng)力（Mpa）

14.81.05

23.81.02

33.60.93

42.60.64

5<1`0

6脫開(kāi)脫開(kāi)

表1 反向水頭作用結(jié)果

2m水頭作用下，水封的接觸應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 2m反向水頭作用下水封接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由仿真計(jì)算結(jié)果可知，在2m的反向水頭作用下，P45水封的封頭與止水面板之間滿足水封水密性的要求，能夠應(yīng)用于工程實(shí)踐當(dāng)中。

4 結(jié)語(yǔ)

1.仿真計(jì)算結(jié)果表明，在2m的反方向設(shè)計(jì)水頭作用下，預(yù)壓4mm的P45水封滿足水封水密性要求，在極端情況下對(duì)P形水封反向止水性能的應(yīng)用是可行的。

2.在不同方向的水壓變換作用下，P形水封會(huì)產(chǎn)生極為復(fù)雜的變形，磨損與老化加劇，耐久性與安全性能降低，正常情況下不宜采用。

參考文獻(xiàn)

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