第1章
介绍
通航船闸用于跨越水路高差的船舶运输。基本的通航闸的闸腔由两个闸门封闭。通常，尤其是在较大的闸中，使用滚动闸门关闭闸室。这些闸门是由轨道上的车轮支撑和支持，开启的时候，车轮沿着这些轨道进入到闸室侧一个壁龛。这种方式的支持有几个缺点。
卷闸门很重，因此有分布在大量车轮的重量，车轮经常承受大量的负载。
为了使车轮平均分配这些总负载，负载分配（转向架系统）投入使用。结果，使得许多移动部件（车轮、轴承、负荷分配机制）处于腐蚀性环境当中，即（盐）水。
此外，在水下支撑的位置导致高昂的检查和维护费用（表1.1）。
荷兰的公共工程和水管理总局土木工程部门发起对于降低维护成本和停机时间可能性的研究，提高性能和闸门的使用寿命。下面是三个主要方法。
利用运动部件的数量的可用表面积减少最大限度地减少运动部件之间的接触压力；
减少运动部件的使用数量，尤其是水下的运动部件；
在不完全拆除闸门的情况下提供对闸门支架的存取。
表1.1：每年的卷帘门维修费用为k欧元
（数据：荷兰公共工程和水管理总局）
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每8年检修一次门： |
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轴和密封件的更新 更换轴承 保护托架，更换锌阳极 分隔室和干门 大修液压缸 液压系统检修 拆除和更换闸门 （160 Keuro;，总额的75%用于门的保护，25用于支持门维修：） |
46 52 9 36 24 36 40 |
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总额（每8年） 总数（每年） |
243 30.3 |
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每30年一次，更换门的支架结构 |
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更换车轮 更换钢轨 |
364 91 |
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总额（每30年） 总数（每年） |
455 15.2 |
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每年每门总量 |
45.5 |
为了实现这些目标，开发了一种可替代的闸门支撑方法：一种在轨道上滑动的水润滑的静压推力轴承，称为液压支架。如果这种静压轴承的长宽比接近1，称为“液足”。 长度/宽度比远大于1的轴承叫做液压挡泥板。使用供给泵，在轴承和轨道之间高压泵水，因此，在一层薄薄的水上举起轴承（因而闸门），使闸门在轨道上摩擦很小。图1.1是船闸闸门的滚动支持部件被“液足”所取代的图解示意图。
为了允许船闸闸门沿着轨道倾斜，液压支架用柔性橡胶铰链连接到闸门上。这种倾斜可能是由水流（例如潮汐）引起的，也可能是由于轨道相对于闸门的错位造成的。轨道和液压支撑的材料已被选定提供最佳的摩擦性能（低摩擦、低磨损）。
代尔夫特技术大学摩擦学实验室和荷兰公共工程和水管理总局已经进行了大量的研究，土木工程司也资助了这些研究。
在一些早期的出版书里用“液足”代替滚动支持部件的可能性的建议已经被提出。（ROS，1987年），并对第一个试验结果进行了研究（ROS，1993a,b）。然后，在名Glijdeur的研究项目（滑动门）中（范比克和达恩，1995；Van Heiningen，1991），水足替代滚动支持的应用已经深入研究。这种重新搜索结果是在新Prins willem alexander闸定4-recess水足的应用（PWA闸）于1995年在阿姆斯特丹投入使用( REINSHAGEN , 1991 ; VAN TOL , 1992 )。液压脚的使用解决了前面提到的传统滚动支承的前两个缺点，即高表面压力和水下大量运动部件。第三个缺点，检查和维护成本高，把“液足”安装在船闸的另一个单独的部分在PWA船闸施工处理。这个部分可以从闸门上拆下来，而不必把闸门整体打开。在下一章中，“液足”用在PWA闸进行了更加深入的研究。该液压脚的设计理论是基于假设轨道和轴承是完全平面和刚性，轴承和轨道之间不会发生接触。
在范比克博士研究（Van Berk，1995）名为“hydrofilm”研究项目中，在静液压的作用下，“液足”和液压挡泥板发生了弹性形变。该研究表明，弹性轴承和轨道之间的接触可以用来提高轴承的性能，而不会增大两者之间的摩擦力。
液后投入使用PWA闸，测试表明，和在设计阶段预计的一样，轴承和导轨之间总是会存在摩擦。事实上，由于大的轨道表面波纹度和薄的润滑水膜，轴承和轨道之间的接触部分是不可避免的。在 “hydrocontact”研究项目中已经考虑到这一点(Ros, 1996)。 “hydrocontact”项目显示的那样，不可避免地出现轴承与轨道之间的环接触，如果可能的话，改善门闸支撑性能。在目前的研究中，对改进和简化液压脚设计的可能性进行了分析研究：
单槽轴承。PWA闸的“液足”有 四个槽（有时称为腔室）用来供应水（见下一章）。水流从这些凹槽流过，通过润滑面去润滑轴承。在第4章和第15章中，详细研究了凹轴承静压轴承的特性。总结：分别向凹槽提供水，轴承的承载能力随着凹槽数量区域的增加而增加，使用越多的凹槽，轴承的倾斜刚度越大。
单槽轴承通常只有一个凹槽需要供应水，因此液压设备的安装比四槽轴承更加简单。如果供应泵的特性需要仔细挑选，可以不使用供应节流设备，可以将泵直接连接到凹槽。这反过来又使泵的输出压力更低，为在节流压降不再存在。
无凹槽轴承。轨道所承受的流体静压所导致的弹性变形足以形成一个假凹槽。因此这个凹槽不是在轴承上制作出的，而是当轴承在导轨上使用时所形成的。由于这种变形，预计轴承和轨道之间的接触力对总载荷的贡献将减小。这种贡献用接触力比表示。接触力比定义为轴承与轨道接触时承受的总载荷的比例。轴承系数正比于接触力比，同样也会变小，轴承系数定义为总摩擦力（接触和水动力）与轴承总负荷之比。无槽轴承还具有较大的表面有可能提高水力负荷承载能力，这是由于轴承与轨道速度差引起的水膜压力上升而产生的承载能力。
由于静水压力的作用，轨道上的假凹槽的形成也会使轴承的起动性能更好。当闸门已经移动到它的极限位置（门完全封闭或开放），停止水的供应，水膜中剩余的水将被挤出，轴承和导轨的接触将达到最大值。当液压设备重新启动之后，在小槽内的压力将会上升，导轨将缩进，因此，凹槽将变大，静水压力将作用到更大的区域，导轨会产生更大的变形，凹槽也会更大，等等。这个过程将会持续到凹槽区域和静压压力足够大来承受大部分负载，PWA闸的轴承将会被抬起。
弹性轴承。PWA闸的轴承由钢制成，厚度为120mm。由于接触或静水压力，这种轴承几乎不会变形。更薄的轴承会变形，更可能会更好地遵循导轨的波纹，因此会产生较小的接触力比，减少总流量。
其他轴承。取代了在PWA闸中使用的圆形液压支架（俗称为液足），采用的是是一种长宽比更大的轴承（液压挡泥板）。轴承的细长形状通许其使用较小的轨道，液压挡泥板也可用于支持移动闸门以防止潮，浪和风引起的水平负载。在这种情况下，液压挡泥板是船闸水平密封的一部分，也可作为船舶升降机，港口起货机和移动桥的支持部件。
1.1论文导读
在第3章至第9章中建立了一个描述了弹性、轴向推力轴承在弹性轨道上滑动的运动的数学模型。该轴承通过弹性支承与闸门连接。我们将考虑非光滑轨道与轴承之间的接触。
在第10中将给出液压支架的一些实验结果。这些结果将用来对水力支架的性质做一些（主要是定性的）观测。
第11和12章是开发了一个计算机程序的章节，用于计算这种轴承的性能和特性。本部分描述了稳定收敛算法的发展。
第13章至18章中编制了程序，用于计算液压脚和液压挡泥板的性能。研究了几个参数的影响。
在第19章和第20章中，利用前一部分的结果导出了设计指南、图表和公式，这些公式和公式可用于设计给定应用的液压脚或液压挡泥板。在此部分还提出了进一步研究的结论和建议。
第2章
普林斯威廉亚力山大闸门
阿姆斯特丹港由一条长达36.8公里的运河与北海相连，称为北海运河，为了保持恒定水位，并减少潮水对这条运河的影响。它的两端是由闸合物封闭的，北海闸接近艾默伊登，橙衣军团闸接近阿姆斯特丹的谢林。
为了解决海运增加问题。PWA闸在1995年的三月已经被加入这种闸合物中投入使用。这种新型闸长200米，有效宽度24.10米，深度视水位而定，大概接近4.70米。
图2.1：橙衣军团闸的鸟瞰图，在前景位置可以看到PWA闸
为了关闭闸门，两个闸门从闸侧的托架移动到闸本身（图2.2）支持这种闸门的经典方法是使用车轮在轨道上的支撑。在PWA闸中，是世界上第一次自行设计了所谓的“液足”，并用来支撑闸门。液压脚是这个水闸门使用的静压轴承的名称。挠性圆形静压轴承由一个高弹性橡胶支座连接到闸门上，并在有合成材料制成的导轨上滑动。“液压挡泥板”是给类似的轴承，但外形更加的修长。
图2.2：放置在PWA闸的闸门
在PWA闸箱中，轴承是由不锈钢材料制成，导轨由超高分子量聚乙烯材料制成，这种材料组合由于具有优良的摩擦磨损特性而被选中，而将两者的材料反过来使用即（超高分子量聚乙烯轴承和不锈钢轨道）会增加轴承和橡胶支架的弹性。因此，轴承的承载能力随表面波纹度的增加而增加。然而，运用这种“反物质”结合体遇到了一些困难：
不锈钢轨道的使用会使得钢筋混凝土结构表面暴露于（盐）水中，从而增加电偶腐蚀的可能性。
万一轨道表面意外损坏，这种损伤会对每个通道的超高分子量聚乙烯轴承造成长期的损坏和磨损。
相反，如果使用超高分子量聚乙烯导轨，不锈钢轴承的反复作用会使得导轨的表面波纹度和磨损缓慢消除。
水闸门的两端有两个液压脚支撑（图2.3）。为了方便检查和维护，这些液压脚可以移动而不用将其与升降门作为一个整体。然后用两个固定的脚支撑闸门。
图2.3：船闸闸门的底部。液压脚和最靠近照相机的固定脚清晰可见。
闸门的干重等于1800千牛，当其放置在水中时，取决于水位，大约500千牛。假设在每个液压脚上的重量平均分配，每个液压脚所承受的负载大概为250千牛，闸门开启和关闭的标准速度为0.24米/秒。有关尺寸、材料性质和PWA闸操作条件已经收集在附录A。
静压轴承
橡胶支承
导轨
2.1 静压轴承
闸门下的静压轴承要求承受水下闸门的重量，尽可能减少轴承与轨道之间的接触。闸门在壁龛的有剩余空间，因此可以相对于轨道倾斜。他的倾斜可能是由于锁里的水流或锁内外的高度差引起的。（值得注意的是，尽管严格来说不同的水位应该在闸门关闭时刻发生，闸内外仍存在水位差，打开闸门是一种常见的做法。）闸门的倾斜一部分由橡胶支座支撑，另一部分由轴承与导轨间的润滑油膜承担。为了确保大部分倾斜是由橡胶支座支撑，因此有必要使得润滑膜的倾斜刚度比橡胶支座大得多。
液压脚在PWA闸中使用作为4-凹槽静压轴承，供应泵通过孔口节流器给每个凹槽供水（图2.4）。4-轴承被选中是因为与一个1-recess轴承相比，有较高的预期倾斜刚性。4-凹槽静压轴承的缺点是需要四个节流器或者四个独立的供应泵。
图2.4 液压脚在PWA闸门中的使用。液压脚由一个钢底，有四个凹槽和供应孔，由橡胶环支撑。液压脚在超高分子量聚乙烯导轨上滑动。
标称薄膜高度为0.1毫米，每一液压脚250千牛的额定负载。额定供水压力值由泵供给等于 /平方米。选定节流器，确保其液压阻力RR达到凹槽供应压力比0.4。每个轴承的容积流量Q大约等于10米/小时。在VAN HELJNINGEN (1991 )中描述了液压脚和液压装置的设计。
这种设计是基于一个完整的润滑膜假设（没有接触）和轴承和轨道被认为是刚性的计算。
图2.5：液压脚的试验。这些实验是在水上进行的，而且能够看到供应到轴承的水喷出。
2.2橡胶支座
轴承用橡胶支座与锁门弹性连接。这种支撑是一个外径为820毫米，内径为290毫米，高度为80毫米的环。为了防止高的边缘应力，环的内表面和外表面都被挖空了（见图2.4）。由于水必须提供给轴承，所以支架是环形的。水是通过管道空心中心流动的。
用在PWA闸门中的橡胶支撑部件的轴向弹性刚度的额定负载（250千牛）约50千牛/毫米。在这一点上的支撑的压缩大约等于5毫米。对轴向和倾斜的橡胶支座刚度已经进行了测量（Bakker橡胶，1994）。在PWA锁不同载体之间的差异是很大的（图2.6）。
这种名义载荷下的倾斜刚度大致等于1.75 MNM/rad。与润滑膜相比，这种倾斜刚度非常低。约36 MNM rad（见15节.1）。因此，相对于轨道的任何倾斜的大门在很大程度上都是由支架支撑的。液压脚与轨道之间的水膜大致平行。
图2.6 PWA闸门的七种橡胶支座的轴向刚度，附录A中给出了橡胶支座的尺寸。
2.3 导轨
液压脚滑行的轨迹是固定在混凝土基础上的超高分子量聚乙烯轨道，在闸门打开或关闭
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