CN112663567A - 提高滚轮承载力的支承构件及其加工方法、滚轮闸门 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高滚轮承载力的支承构件及其加工方法、滚轮闸门。支承构件包括直线式的轨道和可滚动地设于轨道上的用于支承载荷的滚轮，滚轮可沿着轨道延伸方向滚动，轨道上与滚轮的滚动面接触的表面为圆柱面，滚轮的滚动面为双曲率曲面，双曲率曲面由其圆弧母线绕滚轮的滚轮中心轴线旋转产生；圆柱面、滚轮面两者的接触线为凹向一致的圆弧线。在穿过滚轮中心轴线并与轨道延伸方向垂直的横截面上，轨道与滚轮的接触线为凹向一致的圆弧线，对于这种弧线接触形式，滚轮倾斜不影响轮、轨接触面面积变化，既有更大的承载力也能适应闸门变形。

Description

提高滚轮承载力的支承构件及其加工方法、滚轮闸门

技术领域

本发明涉及水利工程设备技术领域，特别涉及一种提高滚轮承载力的支承构件及其加工方法、滚轮闸门。

背景技术

水工平面闸门是水利工程上应用较多的门型，闸门的支承构件是结构主要的受力部件，支承构件的形式有滑动和滚动两种。其中，滚动支承构件主要是滚轮和轴，它将闸门承受的压力传递给轨道，轨道再将其传递到门槽基础中。

滚轮滚动时，轮、轨发生接触的面称为踏面，正在接触的区域称为接触面。目前轨道通常为直线式的轨道且顶面为平面，滚轮与轨道的一种典型的接触面形式为直线接触。如图1和图2所示，直线接触就是滚轮圆柱踏面与轨道平面踏面接触，滚轮承载后，接触面呈近似直线的细长矩形，故称直线接触。但是，如图3所示，由于门体承载变形会迫使滚轮倾斜，而轨道是固定在基础中，滚轮和轨道之间的接触形式由直线接触变为点接触，导致接触应力激增，产生强度破坏。

因此，如何改善轨道对滚轮倾斜的适应性，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种支承构件，能够改善轨道对滚轮倾斜的适应性。本发明的另一目的是提供一种包括上述支承构件的闸门，其中的轨道对滚轮倾斜的适应性较好。本发明的另一目的是提供一种应用于上述支承构件的加工方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种支承构件，包括直线式的轨道和可滚动地设于所述轨道上的用于支承载荷的滚轮，所述滚轮可沿着轨道延伸方向滚动，所述轨道上与所述滚轮的滚动面接触的表面为圆柱面，所述滚轮的滚动面为双曲率曲面，所述双曲率曲面由其圆弧母线绕所述滚轮的滚轮中心轴线旋转产生；所述圆柱面、所述滚轮面两者的接触线为凹向一致的圆弧线。

优选地，其用于水工滚轮闸门的支承构件。

优选地，所述圆柱面的圆弧母线半径与所述滚动面的圆弧母线半径相等,以获得同等条件下所述滚轮与所述轨道承载时最大接触面积。

一种滚轮闸门，包括门体和支承构件，所述滚轮连接于所述门体。

优选地，所述门体的边梁腹板设有安装孔，所述安装孔中连接有轮轴，所述滚轮转动连接于所述轮轴上，且所述滚轮与所述边梁腹板之间具有间隙。

一种支承构件加工方法，应用于如上支承构件，所述加工方法包括：

利用以下公式对所述滚轮和所述轨道的最大承载力进行验证：

最大承载力：

其中：a为滚轮的厚度；R为滚轮滚动半径；E为滚轮与轨道材质相同时的弹性模量；q₀为滚轮与轨道材质的许用接触压力。

本发明提供的支承构件，包括直线式的轨道和可滚动地设于轨道上的用于支承载荷的滚轮，滚轮可沿着轨道延伸方向滚动，轨道上与滚轮的滚动面接触的表面为圆柱面，滚轮的滚动面为双曲率曲面，双曲率曲面由其圆弧母线绕滚轮的滚轮中心轴线旋转产生；圆柱面、滚轮面两者的接触线为凹向一致的圆弧线。

该构件中，在轨道与滚轮的接触处，穿过滚轮中心轴线并与轨道延伸方向垂直的横截面上，轨道与滚轮的接触线为圆弧线，两个圆弧线凹向一致，构成弧线接触，相比于现有技术中的直线接触，可以增加接触面积，提高滚轮承载力。滚轮与轨道之间的形状匹配度较好，在滚轮被迫发生倾斜时，滚轮和轨道之间的接触面积不会变化，轨道能适应滚轮的倾斜，使得滚轮在整个运行过程中受力保持均衡，避免因滚轮倾斜产生强度破坏。

另外，当两个圆弧线半径逐渐趋于接近直至相等时，轮、轨之间接触的面积将逐渐增大直到最大值。接触面积增大意味着滚轮承载力提高。闸门承载时，随着门体弯曲变形，滚轮会随之发生倾斜，对于弧线接触形式，滚轮倾斜不影响轮、轨接触面面积，因此这种圆弧接触形式既有更大的承载力也能适应闸门变形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中支承构件的侧视图；

图2为现有技术中支承构件的主视图；

图3为现有技术中支承构件中滚轮倾斜状态下的主视图；

图4为本发明所提供支承构件的具体实施例一的侧视图；

图5为本发明所提供支承构件的具体实施例一的主视图；

图6为本发明所提供支承构件的具体实施例一在应用于闸门时滚轮倾斜状态下的主视图；

图7为本发明所提供支承构件的具体实施例二的侧视图；

图8为本发明所提供支承构件的具体实施例二的主视图；

图9为本发明所提供闸门支承构件的具体实施例三的主视图；

图10为本发明所提供闸门的底部结构图。

附图标记：

门体1，边梁腹板11，轮轴12，滚轮2，滚动面21，轨道3，圆柱面31。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的核心是提供一种支承构件，能够改善轨道对滚轮倾斜的适应性。本发明的另一核心是提供一种包括上述支承构件的闸门，其中的轨道对滚轮倾斜的适应性较好。本发明的另一核心是提供一种应用于上述支承构件的加工方法。

本发明所提供支承构件的具体实施例一中，请参考图4至图6，包括直线式的轨道3和可滚动地设置在轨道3上的滚轮2，用于连接于门体底部。在应用于闸门中时，具体为水工滚轮闸门，门体连接在滚轮2上方，以通过滚轮2在轨道3上的滚动带动门体在轨道3上移动。

轨道3沿着垂直于滚轮2的中心轴线G的方向延伸。轨道3的顶面至少部分壁面为圆柱面31。在空间直角坐标系中，X方向、Y方向和Z方向两两垂直，其中，X方向、Y方向位于水平面中，轨道3的延伸方向为X方向，上下方向为Z方向。具体如图4和图5所示，轨道3为单曲率踏面，其顶面上的圆柱面31在垂直于X方向上的截面为圆弧母线，而在垂直于Y方向的截面为直线，圆柱面31的轴心线平行于X方向。

滚轮2的滚动面21为双曲率曲面，该双曲率曲面由其圆弧母线绕滚轮2的滚轮中心轴线G旋转产生。具体地，如图4和图5所示，滚轮2在垂直X方向上的截面为曲线，垂直于Y方向的截面也为曲线。

圆柱面31、滚轮面21两者的接触线为凹向一致的圆弧线，具体地，以滚轮中心轴线G为基准，如图5所示，滚轮面21两者的接触线为中部远离中心轴线G而边部靠近该中心轴线G的弧线，使得轨道3的圆柱面31构成下凹式的圆柱面31，相应地，滚轮2构成凸轮式滚轮。

基于圆柱面31和滚轮2上双曲率滚动面的设置，如图5所示，在穿过滚轮中心轴线G并与轨道延伸方向垂直的横截面上，轨道与滚轮的接触线均为圆弧线，使得圆柱面31和滚轮2的接触形式为圆弧线接触。

本实施例中，由于轨道3和滚轮2的弧面结构，使得滚轮2和轨道3构成圆弧线接触，相比于现有技术中的直线接触，可以增加接触面积，提高滚轮承载力，同时，如图6所示，滚轮2与轨道3之间的形状匹配度较好，在滚轮2被迫发生倾斜时，滚轮2和轨道3之间的接触面积不会变化，轨道3对滚轮2倾斜的适应性较好，使得滚轮2在整个运行过程中受力保持均衡，避免因滚轮2倾斜产生强度破坏。

其中，对于轨道3顶部的圆柱面31的圆弧母线半径R22与滚轮2的滚动面21的圆弧母线半径R12两者，当两个圆弧线半径逐渐趋于接近直至相等时，轮、轨之间接触的面积将逐渐增大直到最大值，接触面积增大意味着滚轮承载力提高。

具体如图5至图6所示，轨道3顶部的圆柱面31的圆弧母线半径与滚轮2的滚动面21的圆弧母线半径相等，此时，无论滚轮2产生多大倾斜，接触区域始终能够保持弧线接触，轮、轨接触面面积不受影响，这种圆弧接触形式既有更大的承载力也更能适应闸门变形。同时，轨道3顶部的圆柱面31的圆弧母线的弧长可以大于滚轮2的滚动面21的圆弧母线21的弧长，使得在发生滚轮2倾斜时，滚轮2的底部不会脱离出圆柱面31之外。

在具体实施例二中，如图7和图8所示，以滚轮中心轴线G为基准，圆柱面31、滚轮面21两者的接触线为中部靠近中心轴线G而边部远离该中心轴线G的弧线，使得轨道3的圆柱面31构成上凸式的圆柱面31，相应地，滚轮2构成凹轮式滚轮。

在具体实施例三中，轨道3顶部的圆柱面31的圆弧母线半径与滚轮2的滚动面21的圆弧母线半径也不限于按照上述实施例一设置为大小相同的。如图9所示，轨道3顶部的圆柱面31的圆弧母线半径大于滚轮2的滚动面21的圆弧母线半径。由于半径差的存在，使得滚轮2的底部与轨道3上的圆柱面31不会完全贴合。此种接触方式对轨道3和滚轮2的几何相融性要求低，不需要滚轮2相对于门体1轴向滑动。另外，如图9所示，所述轨道3的整个顶面均为圆弧母线下凹的圆柱面。

除了上述支承构件，本发明还提供了一种滚轮闸门，该滚轮闸门包括门体和支承构件，具体可以为以上任一实施例中提供的支承构件，有益效果可以相应参考以上各个实施例。滚轮2连接在门体1的底部。

进一步地，如图10所示，门体的边梁腹板11设有安装孔，安装孔中连接有轮轴，滚轮2转动连接于轮轴上，且滚轮2与边梁腹板11之间具有间隙A，从而预留出一定的空间，以适应滚轮2倾斜时的自由滑动，当滚轮2倾斜时，在踏面的约束下，滚轮2将会沿轴向自动滑动到与轨道3的圆柱面31上几何相融的位置。此外，对于上述实施例三中，可以不设置该轴向间隙A。

除了上述支承构件以及闸门，本发明还提供了一种支承构件加工方法，应用于以上实施例中任一支承构件的加工。

该加工方法包括：

利用以下公式对所述滚轮和所述轨道的最大承载力进行验证：

最大承载力：

其中：a为滚轮2的厚度；R为滚轮2滚动半径；E为滚轮2与轨道3材质相同时的弹性模量；q₀为滚轮2与轨道3材质的许用接触压力。

其中，轮、轨为不同材质时，显然采用二者中较小的许用接触压力值求得的滚轮承载力，才是最大滚轮承载力，从而使得接触中心接触压力不超出极限值的情况下，选出合适荷载的门体及其它需要滚轮承载的结构，为完成闸门的整体装配提供基础。

以上公式的获得基于赫兹接触理论，具体可以参考下述内容：

(一)两弹性体点接触

对于两个光滑接触弹性体在接触点处，其中一个弹性体在X方向和Y方向延伸的两个曲线的曲率半径分别为R11，R12，另一个弹性体在X方向和Y方向延伸的两个曲线的曲率半径分别为R21，R22，则它们的曲率依次为：

两个弹性体的弹性模量和泊松比分别为E1，ν1及E2，ν2；

接触面上的法向挤压力为P。

根据弹性理论一般弹性体间的赫兹接触问题，接触面为椭圆，接触中心的压力值最大。

假设椭圆长半轴为a，椭圆短半轴为b，接触中心接触压力为q₀，双曲踏面滚轮与平面轨道点接触的滚轮计算可以基于以下公式(1)、(2)和(3)进行：

其中，滚轮和轨道在接触点处的主曲率的和：λ＝K₁₁+K₁₂+K₂₁+K₂₂；

当量弹性模量系数：

辅助变量

ψ为两弹性体主曲率方向夹角。

在实际计算中，具体可以根据cosθ查表得到接触椭圆的长半轴系数m，接触椭圆的短半轴系数n的值。

(二)两弹性体直线接触

(1)对于两个圆柱沿母线相互压入的情况，按照椭圆接触的假定，K₁₂＝K₂₂＝0,ψ＝0,a→∞两圆柱间的椭圆接触面变成一个宽度为2b的条带，则：

A＝0，

椭圆短半轴为：

其中，

p₀为单位长圆柱上的挤压外荷载。

a→∞，则解析出接触表面挤压力分布的最大值为：

将公式(4)代入(5)：

(2)对于圆柱滚轮与平面轨道有：K₁₁＝R,K₁₂＝K₂₁＝K₂₂＝0,ψ＝0,a＝B，对于钢制轮、轨v＝0.3，R为圆柱的半径，B为圆柱的厚度；

两物体在接触点处的主曲率的和：

当量弹性模量系数：

代入公式(6)得到：

(三)两弹性体弧线接触

弹性体分别为滚轮和轨道，滚轮的半径为R₁₁，法向半径(即滚轮滚动面圆弧母线的半径)为R₁₂，轨道顶面的半径为R₂₁且R₂₁→∞，法向半径(即轨道顶部圆柱面圆弧母线的半径)为R₂₂，且R₂₂＝-R₁₂，凹面为负值；

故两物体在接触点处的主曲率的和λ＝K₁₁；

将R₁₁带入公式(4)得到的结果与直线接触公式(7)相同，接触面为宽度为2b的环带，该环带接近圆弧线，故称其为弧线接接触。

另外，弧线接触可以表明，无论是图5中凸轮型滚轮还是图8中凹轮形滚轮，法向半径不影响接触宽度与压力，接触区域仍为线接触性质。此外，尺寸接近的滚轮，承载相同的情况下，线接触的接触面积比点接触大很多，因此承载力也大幅度提高。

需要说明的是，当元件被称为“固定”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的支承构件、滚轮闸门及支承构件加工方法、闸门进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种提高滚轮承载力的支承构件，其特征在于，包括直线式的轨道(3)和可滚动地设于所述轨道(3)上的用于支承载荷的滚轮(2)，所述滚轮(2)可沿着轨道(3)延伸方向滚动，所述轨道(3)上与所述滚轮(2)的滚动面(21)接触的表面为圆柱面(31)，所述滚轮(2)的滚动面(21)为双曲率曲面，所述双曲率曲面由其圆弧母线绕所述滚轮(2)的滚轮中心轴线(G)旋转产生；所述圆柱面(31)、所述滚轮面(21)两者的接触线为凹向一致的圆弧线。

2.根据权利要求1所述的支承构件，其特征在于，其用于水工滚轮闸门的支承构件。

3.根据权利要求1所述的支承构件，其特征在于，所述圆柱面(31)的圆弧母线半径与所述滚动面(21)的圆弧母线半径相等,以获得同等条件下所述滚轮(2)与所述轨道(3)承载时最大接触面积。

4.一种滚轮闸门，其特征在于，包括门体(1)和权利要求1至3任一项所述的支承构件，所述滚轮(2)连接于所述门体(1)。

5.根据权利要求4所述的滚轮闸门，其特征在于，所述门体(1)的边梁腹板(11)设有安装孔，所述安装孔中连接有轮轴(12)，所述滚轮(2)转动连接于所述轮轴(12)上，且所述滚轮(2)与所述边梁腹板(11)之间具有间隙。

6.一种支承构件加工方法，其特征在于，应用于权利要求3所述的支承构件，所述加工方法包括：

利用以下公式对所述滚轮(2)和所述轨道(3)的最大承载力进行验证：

最大承载力：

其中：a为滚轮(2)的厚度；R为滚轮(2)滚动半径；E为滚轮(2)与轨道(3)材质相同时的弹性模量；q₀为滚轮(2)与轨道(3)材质的许用接触压力。

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