一种具备联接梳结构的橡胶水封装置及确定方法与流程

本发明涉及闸门可靠密封增强，形成橡胶水封延伸部位的强化交错联接结构，确保高水头工况下水工闸门密封挡水功能与运行安全等，尤其是涉及一种具备联接梳结构的橡胶水封装置及确定方法。

背景技术：

1、长期以来，水工闸门挡水主要依托橡胶水封的联接围合实现密封运行。橡胶水封的拼接围合，主要通过直接拼合、粘接。受橡胶水封拼接部位受载基理、施工工艺、闸门运行条件等诸多因素影响，这种拼合、粘接的橡胶水封联接面的承载能力相对较为薄弱，很难满足水工闸门开启或关闭过程中复杂流固耦合的荷载作用。近年来随着抽水蓄能工程等高水头工况大量出现，橡胶水封联接面受到高压水荷载、运动滑移撕扯、瞬变流体水动力以及橡胶水封材料超弹特性等因素复合作用，极易引起水工闸门在启闭过程中出现异常胶合以及橡胶水封撕扯开裂等现象，导致水工闸门密封挡水功能的失效，诱发闸门水激振动、启闭力超载、运行不平衡、爬行等工程病害。

技术实现思路

1、本发明第一个目的在于，提供一种具备联接梳结构的橡胶水封装置，以期望为水工钢闸门在高水头工况运行时提供可靠的密封保障。

2、为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

3、一种具备联接梳结构的橡胶水封装置，包括水封压板、橡胶水封、水封垫板、水封夹持螺栓以及水工钢闸门；

4、所述橡胶水封位于水封压板正下方，所述橡胶水封用于提供弹性体密封，相邻两个橡胶水封之间的联接面处设有联接梳结构；

5、所述水封垫板位于橡胶水封正下方，所述水封垫板用于支护、夹持橡胶水封；

6、所述水封夹持螺栓穿过水封压板、橡胶水封和水封垫板，从而实现水封压板和水封垫板对橡胶水封的夹持，并将水封压板、橡胶水封及水封垫板固定在水工钢闸门上。

7、在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：

8、作为本发明的一种优选技术方案：所述联接梳结构的结构技术参数按以下步骤设置：

9、(1)、在橡胶水封两端联接面部位布置，并沿联接面交错、均匀分布；

10、(2)、构建橡胶水封联接梳结构的结构要素，所述结构要素包括梳型齿廓类型、梳型齿廓数量n、梳型齿廓宽度b；

11、(3)、多组相同梳型齿廓类型的梳型齿廓联接构成。

12、作为本发明的一种优选技术方案：明确橡胶水封联接头的斜直型、锯齿型、正三角型、矩型、梯型和共轭圆弧型的梳型齿廓类型，其几何结构形状包括：

13、(1)、与橡胶水封轴线夹角30～150°的斜直对接截面，形成斜直型交错联接头；

14、(2)、由锯形齿截面(底夹角α＝30°、β＝3°的斜交锯形)，形成锯齿型交错联接头；

15、(3)、由三角形齿截面(底角α＝30～70°)，形成三角型交错联接头；

16、(4)、由矩形齿截面(长宽比0.25～0.5)，形成矩型交错联接头；

17、(5)、由梯形齿截面(底角α＝60～80°)，形成梯型交错联接头；

18、(6)、由连续凹凸共轭的交错半圆形齿截面，形成圆弧交错联接头。

19、作为本发明的一种优选技术方案：构建橡胶水封联接梳结构的结构要素的具体步骤为：

20、(1)、考虑闸门工作水头p，按表1初步选用联接梳结构的梳型齿廓类型和梳型齿廓宽度b，再通过式(1)计算获得梳型齿廓数量n；

21、

22、式中，b为联接梳结构的梳型齿廓宽度，int()为取整函数，w为橡胶水封的宽度，n为梳型齿廓数量；

23、表1联接梳结构梳型齿廓类型选用规则以及梳型齿廓宽度b推荐范围

24、 工作水头p(m) 梳型齿廓类型 梳型齿廓宽度b推荐范围(mm) ＜30m 斜直型 20～100m 锯齿型 15～25mm 20～100m 正三角型 15～25mm 80～200m 矩型 15～30mm 80～200m 梯型 20～50mm ＞180m 共轭圆弧型 15～30mm

25、(2)、按照梳型齿廓类型的结构形式和尺寸规格，明确联接梳结构联接面的当量粘合截面积s，按公式(2)获得，

26、

27、式中，s为联接梳结构联接面的当量粘合截面积，f(x,y)为联接梳结构联接面投影在xoy平面上的轮廓方程，fx(x,y)为轮廓方程对x的偏导，fy(x,y)为轮廓方程对y的偏导，d为轮廓方程f(x,y)在xoy平面上的投影区域，n为梳型齿廓数量，ζi为第i个梳形齿廓因交错联接叠合效应而产生的聚合系数，聚合系数的具体取值应通过仿真计算明确；

28、(3)、通过试验获得橡胶水封联接梳结构部位所能承受的最大撕扯力fmax，并按照公式(3)计算橡胶水封联接梳结构部位的许用应力[σ′]，

29、

30、式中，[σ′]为橡胶水封联接梳结构部位的许用应力，fmax为橡胶水封联接梳结构部位所能承受的最大撕扯力，s为联接梳结构联接面的当量粘合截面积，μ为梳型齿廓由于齿截面形状而导致的应力集中效应所产生的面积修正系数，面积修正系数的具体取值应通过仿真计算明确，η为橡胶水封的安全系数；

31、(4)、考虑橡胶水封的许用应力[σ*]和联接梳结构部位的许用应力[σ′]，按公式(4)校算橡胶水封联接梳结构性能安全系数k，

32、

33、式中，k为橡胶水封联接梳结构性能安全系数，[σ*]为橡胶水封的许用应力，[σ′]为橡胶水封联接梳结构部位的许用应力。

34、作为本发明的一种优选技术方案：对橡胶水封联接梳结构的密封性能信息与水工钢闸门水封可靠密封进行分析比对的过程包括：

35、(1)、将解算出的橡胶水封联接梳结构性能安全系数k和闸门水封可靠密封性能的允许指标进行比较；

36、(2)、判断橡胶水封联接梳结构性能安全系数k是否超过0.9；

37、(3)、分析得到橡胶水封联接梳结构性能安全信息，若橡胶水封联接梳结构性能安全系数k超过0.9，联接梳结构的增强橡胶水封联接的性能可以满足闸门密封性能的要求，否则，存在橡胶水封撕扯开裂的风险，生成对应的预警信息；

38、(4)、若橡胶水封联接梳结构性能安全系数k没有超过0.9，考虑增加梳型齿廓数量n、更换梳型齿廓类型等措施重新进行校算，以满足闸门工作水头运行密封需要。

39、作为本发明的一种优选技术方案：所述联接梳结构的规格、控制步骤如下：

40、(1)、联接梳结构的尺寸规格it7级以上；

41、(2)、水封型腔截面的包络体积控制-15～-10％压缩率；

42、(3)、工作表面粗糙度控制在ra12.6μm以上；

43、(4)、在联接梳结构两侧±100mm邻域范围内，型腔表面采用m2～m8的网纹滚花工艺，增强橡胶水封护托、夹持约束要求。

44、作为本发明的一种优选技术方案：所述水封夹持螺栓的规格校验、要素布置步骤如下：

45、(1)、考虑水工钢闸门工作水压力p，按表2明确单颗水封夹持螺栓直径d规格(等级)、布置要素间距δ，其中联接梳结构部位的螺栓间距应控制在50mm以内；

46、表2螺栓选用规则

47、

48、注：其中联接梳结构部位的螺栓间距应控制在50mm以内；

49、(2)、考虑闸门橡胶水封密封围合长度l，按式(5)明确螺栓数量z，

50、

51、式中，z为橡胶水封夹持螺栓的数量，l为闸门橡胶水封密封围合长度，δ为螺栓布置要素间距，int()为取整函数，为考虑闸门橡胶水封转角因素的螺栓调节数，取2～3；

52、(3)、考虑水工钢闸门运行滑动摩阻力fr、水工钢闸门工作水压力p，按式(6)对螺栓进行承载能力校核，

53、

54、式中，nν为单个螺栓平均承受的剪力，nt为单个螺栓平均承受的拉力，nνb为单个螺栓的受剪承载力设计值，ntb为单个螺栓的受拉承载力设计值，fr为水工钢闸门运行滑动摩阻力，p为水工钢闸门工作水压力，kf为摩擦联接可靠性因子，取1.1～1.3，kp为拉压承载可靠性因子，取1.1～1.2，μ为橡胶件与钢材料接触面的摩擦系数，取0.35～0.70，m为结触面数；

55、(4)、若螺栓组按式(6)校验不能满足条件，考虑调整水封夹持螺栓直径d规格(等级)、布置要素间距δ等措施重新进行校算，以满足闸门水封压板对橡胶水封的包络夹持和预压紧性能的需求。

56、本发明还有一个目的在于，提供一种具备联接梳结构的橡胶水封装置的确定方法。

57、为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：

58、一种具备联接梳结构的橡胶水封装置的确定方法，包括如下步骤：

59、s1、在橡胶水封两端联接头部位设置联接梳结构，并沿联接面交错、均匀分布，多组相同梳型齿廓类型的梳型齿廓联接构成联接梳结构；

60、s2、计算橡胶水封两端联接头的联接梳结构部位的许用应力[σ′]，并对联接梳结构性能安全系数k校算与分析比对，构建水工钢闸门橡胶水封可靠密封的结构要素，结构要素包括梳型齿廓类型、梳型齿廓数量n、梳型齿廓宽度b；

61、s3、通过尺寸规格控制it7级以上、包络体积控制-15～-10％压缩率、粗糙度控制ra12.6μm以上、在拼缝部位两侧±100mm邻域范围内的型腔表面m2～m8的网纹滚花工艺，实现联接梳结构技术参数的控制，增强橡胶水封的护托、夹持约束；

62、s4、考虑水工钢闸门运行滑动摩阻力fr、水工钢闸门工作水压力p，按承载能力校验水封夹持螺栓直径d规格(等级)、布置要素间距δ、数量z，满足闸门水封压板以及水封垫板对橡胶水封的包络夹持和预压紧性能的需求；

63、s5、水封夹持螺栓把水封压板、橡胶水封、水封垫板三者夹持起来，并安装在水工钢闸门上，改善和强化闸门橡胶水封联接部位的联接围合和密封性能。

64、本发明提供一种具备联接梳结构的橡胶水封装置及确定方法，在橡胶水封两端联接面部位设置联接梳结构；通过计算联接梳结构部位的许用应力[σ′]，并对其性能安全系数k校算和分析比对，构建联接梳结构的梳型齿廓类型、梳型齿廓数量n、梳型齿廓宽度b等结构要素；通过控制技术参数，实现对联接梳结构工作表面技术参数的控制，增强橡胶水封护托、夹持约束；通过校算水封夹持螺栓承载能力，明确水封夹持螺栓直径d规格(等级)、布置要素间距δ、数量z，以满足对橡胶水封包络夹持和预压紧性能的需求。本发明具备联接梳结构的橡胶水封装置能够改善和强化橡胶水封联接部位抗撕扯能力，确保闸门水封的联接围合和密封性能。

65、与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：通过联接梳结构增大橡胶水封联接面的当量粘合截面积s，从而增大联接梳结构部位的许用应力[σ′]，改善和强化橡胶水封延伸联接部位的可靠联接性能，克服高水头工况、复杂流固耦合荷载和橡胶水封材料超弹特性等因素复合作用，保障闸门可靠密封，具有重要的工程现实意义。