Типы опорно-ходовых устройств
Для передачи давления воды на устои (быки) и перемещения подвижной части затвора служат опорно-ходовые устройства (рис. VII—29). Различают подвижные опорно-ходовые части, перемещающиеся во время подъема затвора, и неподвижные (закладные) части, наглухо заделанные в бетоне быков или устоев. Различают также основные опорно-ходовые устройства, которые служат для передачи давления воды и перемещения затворов, и так называемые направляющие устройства (обратные и боковые).
Основные опорно-ходовые части принимают на себя и передают закладным частям и далее на устои (быки) давление воды. При этом они должны фиксировать положение и направление опорных реакций, обеспечивая возможность поворота опорных сечений главных ригелей и продольного смещения их концов. Эти смещения могут происходить при повороте опорных сечений из-за прогиба ригелей и при колебаниях температуры. Опорно-ходовые устройства должны обеспечить возможность вертикального плавного перемещения подвижной части затвора с наименьшими сопротивлениями.
Подвижные опорно-ходовые части устраивают трех типов: скользящие (рис. VII—30), колесные (рис. VII—31) и катковые.
Скользящие опоры
Скользящие опоры очень просты в изготовлении и эксплуатации, дешевы, надежны. Сплошные опорные части, на которых скользит щит затвора, обычно используют как боковые уплотнения, что упрощает и удешевляет конструкцию затвора. Сами уплотнения при этом оказываются весьма надежными.
Однако при движении затвора на скользящих опорах, за исключением полозьев из древопластика, развиваются очень большие силы трения, которые создают необходимость в значительном увеличении грузоподъемности тяг и обслуживающих механизмов. Последнее повышает стоимость как строительства, так и эксплуатации средних и больших затворов со скользящими опорами. Поэтому металлические и деревянные скользящие опорно-ходовые части применяют в затворах с малыми отверстиями при небольших давлениях воды и в затворах, которые перемещаются в безнапорном состоянии (при выровненных бьефах). Использование древопластиков в полозьях скользящих опор (рис. VII—32) сильно уменьшает силы трения и значительно расширяет области эффективного применения затворов со скользящими опорами.
С целью уменьшения сил трения при движении затворов применяют колесные и катковые опоры, в которых трение скольжения заменено трением качения полностью (при роликовых подшипниках) или частично. Сопротивление движению затвора на колесных опорах уменьшается в несколько раз по сравнению с обычными скользящими опорами (то есть не из древесно-слоистых пластиков). Еще меньшие силы трения теоретически должны развиваться при движении затвора на катковых опорах вследствие устранения трения скольжения во втулках колес.
Наиболее часто в плоских затворах применяют скользящие и колесные опорно-ходовые части.
Скользящие опорно-ходовые части затворов с малой нагрузкой обычно выполняют из прокатных профилей или из антисептированных сосновых или дубовых брусьев, прикрепленных болтами к опорно-концевым стойкам. Последние в этом случае делают одностенчатыми. Опорные брусья обычно служат и боковыми уплотнениями.
Брус плотно входит в швеллер закрепленной по всей высоте опорно-концевой стойки. Между брусом и швеллером помещают прокладку из просмоленного войлока или брезента. Болты, крепящие брус к швеллеру, располагают по двум рискам в шахматном порядке с шагом 25—50 см. Головки болтов устанавливают в специальных гнездах, сделанных в брусе, для плотного прилегания последнего к закладной части. Заглубление головок назначают с запасом на полное обжатие бруса под нагрузкой и износ его в процессе эксплуатации.
Количество болтов и их размер должны быть достаточными для восприятия веса бруса и сил трения, возникающих между брусом и закладной частью при движении затвора. Ширина сминаемой части бруса должна удовлетворять требованиям прочности его на сжатие (смятие) поперек волокон и допускать размещение болтов в два ряда. Допускаемое напряжение на сжатие поперек волокон сосны 20 кг/см2 и дуба 40 кг/см2.
При больших давлениях опоры устраивают стальными из прокатных полос, рельсов или стальных отливок. Ширину этих опор нужно проверять по условию прочности на смятие.
Для уменьшения сил трения в скользящих опорах устраивают полозья из древесно-слоистого пластика ДСП-Б, скользящие по нержавеющей поверхности закладных частей. В этом случае коэффициент трения скольжения снижается примерно в 2—4 раза по сравнению с коэффициентом трения между обычными деревянным брусом и сталью. Древесно-слоистый пластик (ДСП) изготавливают в виде плит из шпонов, пропитанных фенольно- или крезольно-формальдегидными смолами и склеенных в процессе термической обработки под высоким давлением. Для изготовления полозьев применяют древесно-слоистый пластик из березовых шпонов марки ДСП-Б.
Скользящая опора с древесно-слоистым пластиком состоит из полоза, укрепленного на подвижной части затвора, и рельса, опирающегося непосредственно на бетон или на закладные части. Рабочая поверхность рельса должна быть выполнена из нержавеющего металла и иметь цилиндрическую форму. Размеры радиуса и хорды этой поверхности назначают в зависимости от интенсивности давления на длину линии касания (нормы проектирования мехоборудования ГТС):
Нержавеющая рабочая поверхность рельса должна быть обработана по 7-му классу чистоты и отполирована.
Полоз представляет собой стальной брус (большого поперечного сечения) с долевым пазом, заполненным древесно-слоистым пластиком (рис. VII—32). Последний укладывают так, чтобы волокна выходили на поверхность скольжения своими торцами, а шпоны располагались вдоль направления движения. Древопластик должен быть запрессован в обойму с отрицательным натягом не менее 2% (обжат перпендикулярно к волокнам).
Допускаемое напряжение на сжатие торца древесно-слоистого пластика марки ДСП-Б в полозе плоской полированной поверхностью из нержавеющей стали марок 1Х18Н9Т, 2Х13Н4Г9 и др. 400 кг/см2. Допускаемое давление на торец ДСП-Б, запрессованный на всю толщину в обойму длиной не менее 600 мм, при цилиндрической полированной из нержавеющей стали поверхности рельса с радиусом 100-300 мм:
— в редко работающих затворах не более 8000 кг/см;
— в часто перемещаемых затворах не более 2000 кг/см.
Для уменьшения износа и увеличения продолжительности работы деталей без замены рекомендуется по возможности понижать величину допускаемого удельного давления.
Сопротивление сил трения между полозьями затвора и путями находят по формуле:
где P — полное гидростатическое давление на весь затвор;
f — коэффициент трения скольжения.
Значение коэффициента трения скольжения в покое (наибольшее) принимают для стали по стали 0,50; для дерева по стали вдоль волокон 0,45; поперек волокон 0,55, а в движении (наименьшее) — 0,15 для стали и 0,20 для дерева. Коэффициент трения между полозом из ДСП-Б и цилиндрической шлифованной поверхностью из нержавеющей стали зависит от погонной нагрузки на полоз:
Коэффициент трения торцов древесно-слоистого пластика ДСП-Б по углеродистой стали в воде и с учетом загрязнения 0,50.
Колесные опоры
Для определенности работы опорных устройств желательно, чтобы затвор (или его отдельная секция) имел всего четыре равнонагруженные опорные точки. С каждой стороны затвора ставят по два колеса или по две колесных тележки на равном расстоянии их от равнодействующей гидростатического давления.
В многоригельных затворах без жестких диафрагм целесообразно ставить отдельные колеса под концом каждого ригеля.
Соединение колесных устройств с опорно-концевыми стойками должно обеспечивать передачу давления от колеса на рельс с плоской головкой по всей линии касания; для этой цели соединение должно давать возможность поворота и горизонтального смещения концов ригелей.
Как исключение из правила затворы небольших напоров и пролетов опирают непосредственно на оси колес, наглухо закрепленные в опорно-концевых стойках (рис. VII—33). При этом колеса могут быть расположены вне концевых стоек на консолях осей или между стенками опорно-концевых стоек.
Крепление колес на консолях раздельных осей (рис. VII—33, б) увеличивает опорные давления, передаваемые на ближайшие к колесам стенки стоек:
где Рr — давление на колесо;
А и В — давление оси на стенки стойки.
За расчетный пролет ригелей затвора при колесах на консолях принимают расстояние между плоскостями симметрии колес. При больших давлениях на колеса более удобно крепить их между стенками опорно-концевых стоек. Колеса с осями, жестко закрепленными в стойках, обычно делают без реборд.
Если опирание затвора на четыре колеса требует очень больших размеров, то ставят тележки с двумя колесами, в очень редких случаях с тремя. Можно применять каретки с четырьмя колесами, расположенными в двух параллельных плоскостях и перемещаемыми по двум рельсам. Опирать затвор на такие тележки следует при помощи шарового шарнира; устройство их сложнее предыдущих. Преимущество кареток — возможность применения колес меньшего диаметра и уменьшение ширины ниши.
Недостаток опирания затвора непосредственно на оси колес или тележек (рис. VII—34,а) заключается в том, что при прогибе ригелей и повороте их опорных сечений поворачиваются и колеса.
Давление от стенок на ось, от оси на колесо и от колеса на рельс начинает передаваться неравномерно, что ведет к преждевременному износу их.
Трение скольжения между колесом и рельсом, развивающееся при изменении длины затвора, оказывает большое сопротивление этим деформациям, создавая дополнительный момент (рис. VII—34,в), перегрузку опорно-ходовых устройств и неравномерности в их работе. Добавочное усилие:
где Pк — давление на колесо;
f — коэффициент трения скольжения;
b и с — размеры, показанные на рисунке VII—34,в.
Вследствие указанных недостатков затворы опирают непосредственно на оси колес или тележек при небольших давлениях воды и пролетах (до 10 м). Для лучшего центрирования опорного давления и для облегчения перемещения концов ригелей между затворами и тележкой помещают цилиндрические катки (рис. VII—35,с). Тележки с такими устройствами называют балансирными. Балансирная тележка состоит из двух колес, сварной или литой рамы и цилиндрического катка, зажатого между двумя плитами. Катки располагают под опорными узлами ригелей. Колеса тележек с вертикальными балансирами следует делать с ребордами.
Если давление на тележку очень большое (сверх 250 т), то для более равномерного загружения отдельных колес раму тележки соединяют с затвором при помощи двух цилиндрических шарниров с взаимно перпендикулярными осями (рис. VII—35,б) или шарового шарнира.
Конструкция литой балансирной тележки с двумя взаимно перпендикулярными цилиндрическими шарнирами представлена на рисунке VII—36. В левой части тележки расположено обратное колеcо на подвижной оси. Изготовление литых тележек трудоемко и дорого; проще изготовлять их при помощи сварки, а отливать лишь мелкие детали.
При малом расстоянии между ригелями и относительно небольшом давлении на затвор, позволяющем обойтись всего двумя колесами с каждой стороны затвора, можно ставить одну общую тележку под оба ригеля (рис. VII—37). В этом случае ось колеса располагают под балансиром, чтобы не создавать изгибающего момента в тележке. Отливки, зажимающие каток, соединяют с опорно-концевой стойкой и с тележкой чистыми болтами.
При движении затвора под большой гидростатической нагрузкой подобные тележки ведутся силами трения, развивающимися между балансиром и опорными плитами щита и тележки. При малом давлении на затвор или полном его отсутствии тележки удерживаются специальной консольной частью опорно-концевой стойки, так называемым водилом (рис. VII—37). Чтобы водило не принимало участия в передаче давления воды на тележку, отверстие в нем для оси, соединяющей водило с рамой тележки, делают овальной формы, вытянутым по горизонтали.
Принимают специальные меры, чтобы каток балансира не смещался вдоль своей оси; например на его торцах ставят по планке («сухарю»), которые своими закругленными концами входят в специальные углубления, сделанные в верхней и нижней опорных плитах. Планку к катку крепят болтом, расположенным по оси катка. Взамен планок каток может быть снабжен по торцам ребордами, а плиты — соответствующими углублениями.
Колесные опорно-ходовые части плоских затворов рассчитывают с учетом возможной перегрузки их вследствие внешней статической неопределимости конструкции относительно ее опор (опирание на 4 точки). Интенсивность перегрузки определяют в зависимости от допусков на установку опорно-ходовых частей щита и закладных частей.
Колесо и рельс могут соприкасаться по линии касания (линейный контакт) или в точке (точечный контакт). В шарнирах касание бывает свободным или плотным.
Расчет ходовых колес (катков) и путей на местное смятие при свободном касании:
— цилиндрической поверхности колеса с плоской поверхностью рельса (линейный контакт) делают по формуле:
а цилиндрический или конической поверхности колеса с цилиндрической поверхностью головки рельса (точечный контакт) по формуле:
где P — нормативная полная нагрузка на колесо;
E — модуль упругости стали;
(1+0,2v) — динамический коэффициент, зависящий от скорости движения колеса v, м/сек;
lк — длина линии касания;
r — радиус цилиндрической поверхности колеса, а при конической поверхности — средний радиус;
r1 — радиус цилиндрической поверхности рельса;
а — находят в зависимости от отношения r:r1 радиусов соприкасающихся поверхностей:
Допускаемые напряжения местного смятия при линейном [?л.к] или точечном [?т.к] контактах назначают в зависимости от предела прочности стали и твердости по Бриннелю соприкасающихся поверхностей. Например, для колеса из стали 55Л с твердостью обода HB от 300 до 400 можно принять [?л.к] = 7500 к г/см2 и [?т.к] = 17 000 кг/см2.
Реальная ширина поверхности катания колеса должна быть более ширины головки рельса при цилиндрическом ободе на 15—30 мм, при коническом ободе на 40 мм, а для колес без реборд на 60 мм.
При выборе размеров ходовых колес необходимо учитывать, что уменьшение диаметра колеса приводит к существенному увеличению сопротивления движению затвора (сила трения обратно пропорциональна радиусу колеса). Уменьшение диаметра колеса приводит к уширению его и головки рельса, что увеличивает вес рельса; вес колеса при этом увеличивается немного. С уменьшением диаметра колеса уменьшается ширина ниши бычков, объем бетонной кладки и др. Диаметр обычно применяемых колес колеблется от 300 до 1200 мм, ширина обода (длина линии касания) — от 80 до 150 мм, а в отдельных случаях — до 250 мм.
В целях экономии цветных металлов и уменьшения сил трения для втулок ходовых колес и вкладышей шарнирных опор затворов с кратковременно работающими гнездами трения при непродолжительных циклах работы и длительных перерывах между ними следует применять древесно-слоистый пластик — ДСП-Б.
Допускаемое удельное давление [?в] в указанном древопластике принимают: для втулок, вкладышей и т. п. с ограничителями торцов и при наличии минеральной смазки 350 кг/см2; то же, без ограничителей торцов 200 кг/см2.
Кроме проверки напряжений в колесе и рельсе на местное смятие, необходимо проверить:
1) удельное давление во втулках
где dв — внутренний диаметр втулки (диаметр оси);
lв — рабочая длина втулки;
2) прочность оси на изгиб, как балки, несущей равномерно распределенную нагрузку;
3) смятие в местах закрепления оси колеса в стенках опорно-концевой стойки с учетом возможной неравномерности распределения опорного давления между стенками.
Ось колеса проверяют на изгиб по схеме, показанной на рисунке VII—38, б:
где Pк — давление колеса;
lв — длина втулки;
s — зазор между втулками;
l — длина ступицы;
а — расстояние от краев втулки до направления реакций.
Величина а может быть принята равной 2—3 см, a s колеблется от 2 до 4 см.
Так как lв—l—s, то
Сопротивление движению в одном колесе складывается из трения качения колеса по рельсу Т1 и трения скольжения между втулкой колеса и осью T2 (рис. VII—38, а):
где Pк — полное давление, приходящееся на одно колесо, кг;
f — коэффициент трения скольжения (при втулке из ДСП-Б f=0,16—0,2);
fк — коэффициент трения качения, принимаемый равным 0,10 см;
rк — радиус колеса, см;
r0 — радиус оси, см.
Применение роликовых подшипников исключает трение скольжения у оси колеса. Сопротивление движению одного колеса при роликовых подшипниках складывается из трений качения роликов и собственно колеса:
где r’к — радиус внутреннего обода колеса;
dр — диаметр роликов;
fк.р — коэффициент трения качения у роликов.
Остальные обозначения те же, что и в предыдущей формуле.
При одинаковых значениях коэффициента трения качения у роликов и колеса:
К недостаткам колес с роликовыми подшипниками относятся значительное усложнение конструкции, возможность засорения подшипников и ржавление их. Роликовые подшипники должны быть тщательно защищены от засорения наносами.
Силу сопротивления при перемещении плоского затвора на Катковых цепях или на катковых тележках определяют по эмпирической формуле:
где P — полная нагрузка на затвор в направлении, перпендикулярном к плоскости движения.
Сопротивления движению в плоском затворе со скользящими опорами не из древопластика, с колесными опорами на обычных подшипниках и с колесными опорами на роликовых подшипниках находятся в соотношении:
числовое выражение которого при обычных размерах и материалах:
Сопротивление перемещению затворов на полозьях из ДСП-Б очень близко сопротивлению перемещения на колесах.
Выше были рассмотрены сопротивления сил трения, возникающие в ходовых колесах. Значительные силы трения могут возникнуть и в обратных колесах, прижатие которых к обратным путям обеспечено рессорами или резиновыми буферами. Рессоры или буферы, нажимающие на обратные колеса и рельсы, соответственно увеличивают давление на ходовые колеса.
Направляющие устройства
Для нормального положения подвижной части затвора (щита) в пазах при подъемах и опусканиях, для устранения перекосов и резких толчков, а также для уменьшения вибрации устанавливают обратные и боковые колеса или другие устройства, а в устоях (быках) —соответствующие им закладные направляющие части. Обратные колеса у ремонтных затворов прижимают подвижную часть и вводят в действие уплотнения, что облегчает откачку воды в первый период (до создания разности напоров).
Обратные колеса. Обратные колеса воспринимают горизонтальные силы:
— возникающие вследствие несовпадения центра тяжести щита и равнодействующей T сил трения, с вертикальной плоскостью, в которой расположены оси подвесов (рис. VII—39,а):
— возникающие при загружении нижней части щита, когда равнодействующая гидростатического давления находится ниже осей нижней пары ходовых колес или тележек (рис. VII—39, б):
— возникающие при толчках и вибрации щита в процессе передвижения и др.
Обратные колеса (4 штуки на затвор или секцию) располагают со стороны, противоположной основным (ходовым) колесам, и вблизи последних.
Обратное колесо может быть установлено или на неподвижной оси, наглухо закрепленной на щите, или на подвижной оси (рис. VII—40). Обратные колеса на глухих осях устанавливают с зазором ?=15-30 мм между ободом колеса и соответствующей закладной частью. Установка обратных колес на подвижной оси обеспечивает постоянное соприкосновение их с закладными частями и упругое, плотное зажатие щита в пазах быков. Последнее устраняет резкие удары щита о закладные части и уменьшает колебания его.
Упругое зажатие подвижной части затвора в пазах достигается постановкой рессор, пружинных или резиновых буферов. Для плотного прижатия к закладным частям как ходовых, так и обратных колес необходимо, чтобы сила, действующая на каждое обратное колесо, развиваемая рессорами или буферами, была не меньше горизонтальных сил, возникающих при перекосах и качании щита, а также при его вибрации. Величина этих сил принимается на основе опытных данных в пределах 20—40 т (на весь затвор) в больших глубинных затворах и 6—12 т в средних и малых глубинных затворах и в больших поверхностных.
Диаметр обратных колес на неподвижных осях назначают от 150 до 350 мм, а ширину ходовой части колеса — от 60 до 80 мм. Глухие оси колес закрепляют на опорно-концевой стойке так, чтобы ободы колес несколько выступали наружу из стальной конструкции (с напорной стороны).
Пример раздельного расположения обратного и бокового колес показан на рисунке VII—41. В пазу между колесами размещают вертикальное уплотнение.
Подвижную ось обратного колеса при буферном нажатии размещают на рычаге (рис. VII—42), один конец которого закреплен на глухой оси, а второй оперт на буфер. Теоретическую длину рычага (а+b) назначают от 300 до 900 мм, а соотношение плеч а:b от 1:1 до 1:2,5 (рис. VII—40). Буфером служит или цилиндрическая стальная пружина, развивающая усилие от 0,5 до 1 т, или резиновый брус толщиной 50—70 мм и шириной 100—200 мм. Величину монтажного (начального) обжатия пружины или резинового буфера назначают так, чтобы получить требуемую силу нажатия колеса. Величину обжатия определяют в зависимости от упругих качеств пружины или резины.
Сжимающая буфер сила P1 = P2 a/a+b. Обычно величина начального обжатия резинового буфера колеблется от 10 до 20 мм. Размеры обратных колес при буферном прижатии находятся в тех же пределах, что и при глухих осях.
Ось обратного колеса при рессорном нажатии (см. рис. VII—40, в) закрепляют в подвижном, стакане, который может перемещаться в горизонтальных направляющих. Закрепление концов самой рессоры должно обеспечивать их подвижность в вертикальном направлении. Для этого можно устраивать овальные или круглые цапфы диаметром на 3—5 мм больше диаметра концевой оси рессоры и др. Степень начального обжатия листовой рессоры назначают в зависимости от требуемой силы P2 нажатия обратного колеса и от жесткости самой рессоры. Обычно обжатие рессоры на 30—45 мм обеспечивает давление на колесо силой от 6 до 10 т. Обжатие рессоры происходит при опускании щита в паз (под влиянием сил тяжести) благодаря нажатию колеса. Диаметр обратных колес при рессорах колеблется от 350 до 600 мм, а ширина доходит до 120 мм.
Боковые направляющие устройства. Для предупреждения схода щита с ходовых путей, касания его торцов с бетоном опор и заклинивания его в пазах, устанавливают боковые направляющие устройства, а в бетоне опор — соответствующие им закладные части (рис. VII—43).
Затворы желательно снабжать устройствами, сигнализирующими о перекосах и автоматически останавливающими в случае надобности подъемные механизмы. В секционных затворах возможно горизонтальное смещение одной секции по отношению к другой вдоль пролета. Четыре боковых колеса, поставленных на весь щит из нескольких секций, не оказывают должного сопротивления таким смещениям. Для устранения этих смещений следует в пределах опорно-концевых стоек секции устраивать специальные упоры.
Боковые направляющие устройства могут быть скользящими или колесными. Направляющие устройства (4 штуки на щит) устанавливают или на торцах щита (рис. VII—43), или по бокам его со стороны верхнего (нижнего) бьефа. Во втором случае отпадает необходимость в устройстве специальных закладных частей, так как роль последних играют стальные уголки (армировка), заложенные в бетонную кладку для предохранения ее прямых углов от повреждения.
Боковые направляющие устройства со стороны верхнего бьефа устанавливают на концевой стойке или на обшивке, а со стороны нижнего бьефа — на поясах ригелей. Направляющие устройства на торцах затворов крепят или на стенках стоек или на специальных диафрагмах. В глубинных затворах боковые направляющие устройства следует располагать на торцовых сторонах, так как размещению их со стороны верхнего или нижнего бьефа могут препятствовать забральные бетонные балки.
Расстояние по вертикали между боковыми направляющими устройствами следует назначать возможно большим. Это приводит к уменьшению усилий, приходящихся на каждую деталь.
В малых затворах, перемещаемых в спокойной воде или при перепадах до 1 м, боковыми направляющими устройствами служат четыре уголковых коротыша, помещенные на обшивке (рис. VII—43,в). Выступающие полки коротышей скользят по стальным уголкам, предохраняющим углы кладки от повреждения. Иногда взамен уголковых коротышей на консолях помещают специальные отливки с цилиндрической наружной поверхностью.
На рисунке VII—43, г показан пример устройства и расположения скользящих совмещенных направляющих устройств (обратных и боковых), примененных в затворе большого пролета и напора со скользящими ходовыми опорами. На рисунке VII—44 показано боковое колесо на кронштейне. После установки и выверки положения кронштейна его приваривают или прибалчивают к металлической конструкции щита. Размеры боковых колес назначают конструктивно. Диаметр колес колеблется в зависимости от размера и веса затвора в пределах 150— 500 мм, а ширина — 35—100 мм. Рабочую поверхность колес делают выпуклой, очерчивая ее радиусом, немного большим ширины колеса.
Крепление боковых колес должно обладать большой жесткостью. Имеются рекомендации для расчета каждого бокового колеса на нагрузку, равную 5% полного горизонтального давления воды на затвор при глухой заделке осей ходовых колес и равную 1 % того же давления при наличии вертикальных цилиндрических шарниров между осями и ходовыми колесами.
Между боковыми направляющими устройствами и их закладными частями оставляют зазоры от 10 до 25 мм. Величина этих зазоров должна быть меньше возможного безвредного перемещения боковых уплотнений. В противном случае при смещении щита в одну сторону вся нагрузка передается на боковое уплотнение, а не на боковые направляющие устройства. В результате может произойти повреждение уплотнений.
