船闸人字闸门专用防撞护舷的研究罗淼通 (广东省源天工程有限公司, 广东 广州 511340) 摘 要：针对船闸人字闸门的特点，提出一种专用防撞护舷，达到提高闸门的使用寿命，减少闸门修理频率，提高船闸通过能力的目标。 关键词：防撞护舷；吸能特性；抗撕裂；船闸；人字闸门 1 目前船闸人字闸门钢质护舷的不足国内外的船闸人字闸门防撞设施大都采用钢质护舷，钢质护舷存在以下不足：① 在船舶的撞击下几乎无消能作用，为刚性碰撞。随着船舶大型化速度的加快，船舶撞击力也越来越大，钢护舷在船舶撞击下极易发生变形损坏；该作用极易造成门体损坏(如图1所示)，不仅降低门体结构安全度和使用寿命，而且会关联到闸门顶、底枢运转件的损坏。② 闸门在维修过程中需先割除撞坏的护舷后再重新施焊，由于焊缝位置重复焊接，影响材料强度和焊接质量；且处理时间长，导致船舶停航积压、航道堵塞，影响航道的畅通。  图1 目前诸多船闸人字闸门现状 2 改变现状的思路传统的橡胶护舷能够较好的吸收船舶撞击能量，且已经在码头防护设施方面得到广泛应用，但其护舷尺度大、抗撕裂能力较差，锚固方式也不适用于人字闸门结构，因此，无法用于人字闸门防护。 近年来各种新型非金属材料在各行各业得到广泛应用，其技术水平也得到很大提升，结合船闸人字闸门保护构件尺度小的特殊要求，寻找1种尺度小、抗撕裂能力强、性价比高的新型材料防护设施，且其结构需适合在人字闸门上安装。 本次针对船闸人字闸门的特点，提出能够克服钢质护舷存在很多不足的专用防撞护舷。其防撞护舷必须具备以下特性：① 良好的吸能特性；② 抗撕裂能力强；③ 表面摩擦系数低；④ 结构断面尺寸较小，安装和更换方便。以此达到提高闸门的使用寿命，减少闸门修理频率，提高船闸通过能力的目标。 根据防撞护舷特性，首先通过力学分析提出闸门上薄弱点的位置及结构优化设计的方案；然后针对闸门的结构要求和船舶撞击特点，开发研制专用的防撞护舷，同时从适用性角度出发，对防撞护舷的结构及外形进行针对性设计；最后对研制的防撞护舷进行力学性能试验、防护效果试验研究，并进行现场测试，以检验防撞护舷的实际使用效果。 3 船闸人字闸门防撞护舷材料及结构分析分析内容为：①防撞护舷材料研究；②防撞护舷结构设计；③防撞护舷的实验室测试；④实体原型模拟试验、资料整理与分析工作。 3.1 防撞护舷材料研究 人字闸门上安装橡胶防护件因受到空间位置制约，其断面尺寸要求较小，而橡胶在发挥防撞功能时，不仅要吸收撞击产生的能量，还要承受巨大的撞击力。 普通橡胶材料本身强度有限，而且硬度在邵氏60°～70°左右，动摩擦无润滑剂的摩擦系数为0.15，难以抵抗如此大的撞击作用力和因摩擦系数高而产生的巨大剪切力，因此，不能采用一般码头上常规护舷所采用的材料与结构。 作为闸门的防撞护舷，要求有足够强度、好的抗撕裂性能、明显的消能作用，同时还要有良好的自恢复能力等。 经研究，结合国内外现有材料特性，针对闸门的结构要求和船舶撞击特点，决定采用复合材料，即表层与内层采用不同的材料。 表层材料为防撞层，直接承受撞击力及剪切力，同时吸收部分能量，因此，表层材料应具有硬度较大、抗压强度高、摩擦系数低等特点； 内部阻尼材料为吸能层，应具有永久变形量小、吸能效率高等特点，同时应有适当的强度和机械性能；2种材料的结合性能应该较好。 根据以上要求，开发研制了3种复合橡胶防护件： ① 橡胶本体+油尼龙(橡胶尼龙护木HN材料)；② 橡胶本体+超高分子聚乙烯(橡胶超高护木HP材料)；③ 橡胶本体+高硬度橡胶材料(橡胶合金护木HS材料)。通过室内试验和原型测试，综合考虑橡胶防撞装置性能、成本和安装等因素，最终选定性价比最高的“橡胶本体+高硬度橡胶材料(HS材料)”作为橡胶防撞装置的首选材料，该橡胶防护装置具有以下特点：① 结构简单、功能适宜、尺度较小、安装容易、更换方便；② 橡胶采用整体式结构，使防撞层与吸能层实现无缝结合，从根本上消除多次变形下脱层现象；③ 在满足功能要求的前提下，成本大幅度降低，与表层为超高分子聚乙烯的产品相比可节约60%以上。 同时，对配方、生产工艺的可行性、生产模具和生产设备的适应性等进行了研究，已具备了工业生产的能力。 具体工作如下： ① 橡胶合金护木结构的选择； ② 橡胶配方的设计研究； ③ 硫化体系的选择与研究； ④ 老化体系的选择； ⑤ 高硬度橡胶表面(HS材料)配方设计； ⑥ 橡胶工艺的设计及产品制作。 3.2 防撞护舷结构设计[1] 根据闸门结构特点和使用要求，从适用性角度出发，对防撞护舷的形状、结构尺寸、螺栓孔布置及闸门相关部位的细部结构等进行了标准化设计，便于生产推广(如图2所示)。 图2 防撞护舷结构示意(单位：mm) 3.3 防撞护舷的实验室测试[2] 为研究橡胶防护件对闸门的防护性能，对不同尺寸及不同保护层材料的橡胶防护件进行一系列的基本力学性能试验和破坏性试验。 试件制作成与实际应用时相同的结构，在这种试件上进行了模拟应用环境的倾斜加载、剪切、扭转和双向加载试验，并与单向垂直受压加载的试验结果进行了比较[2]。 试验结果表明全橡胶型的防护件试件的综合性能优异，但螺栓孔处容易出现裂缝。后经在螺栓孔处增加金属骨架，较好的解决了该问题。 3.4 实体原型模拟试验及资料整理分析 为验证船闸钢闸门防撞护舷的防护效果，在国内多个船闸进行研究(如图3所示)，现场测试未安装防撞护舷与安装了船闸闸门防撞护舷情况下，相应船闸在受船舶撞击时的动力响应。 试验结果表明，在各工况下，安装了橡胶防护件后各测点加速度响应最大值和应力响应最大值均下降较多，由此可见闸门橡胶防护件对闸门的保护效果明显。 同时，还对闸门受到撞击后的各部位及运转件等的自振特性和工作性态进行测试，取得了大量的测试数据，为准确确定结构的约束条件，进行结构的优化设计等提供科学依据。  图3 采用专用防撞护舷船闸人字闸门的实例 4 结语本文采用先进的薄壁结构理论，建立符合人字门特点的薄壁结构的精细三维计算模型，进行大规模的仿真模拟，以此找出闸门受到撞击后结构内力的变化规律，提出了闸门上薄弱点的位置及结构优化设计的方向。同时，针对闸门的结构要求和船舶撞击特点，开发研制橡胶本体+高硬度橡胶材料(橡胶合金护木HS材料)的复合橡胶防护件，此防护件采用整体式结构，具有结构简单、安装方便、成本底等特点。本专用防撞护舷已应用在国内多个船闸工程，产生了良好的社会经济效益。广东省目前已建船闸，均采用钢质护舷为主，因此，对使用在已建船闸防撞护舷更换及新建船闸防撞护舷设计改进具有良好的参考价值。 参考文献： [1] 黄珑.结构损伤对结构侧向振动影响的试验研究[J].常州大学学报(自然科学版)，2009，21(2)：41-43. [2] 黄珑.船闸闸门防护件力学性能试验研究[J].水运工程，2009(5)：118-121. (本文责任编辑 王瑞兰) Study on Special Anti-collision Fender of Miter GateLUO Miaotong (Guangdong Yuantian Engineering Company Limited ，Guangzhou 511340，China) Abstract：One kind of special anti-collision fenders is proposed which focused on the characteristics of miter gate to reach the goal of raising service life, reducing maintenance frequency and improving ability of navigation. Keywords：anti-collision fender；energy absorption;tear-resistance;ship lock;milter gate 收稿日期：2017-03-15; 修回日期：2017-04-20 作者简介：罗淼通(1980 )，男，本科，工程师，从事水利水电金属结构制作及安装工作。 中图分类号：U641.3+31 文献标识码：A 文章编号：1008-0112(2017)007-0047-02 |
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