弧形閘門小開度運(yùn)行分析

樸維軍

(遼寧省柴河水庫管理局， 遼寧 鐵嶺 112000)

弧形閘門小開度運(yùn)行分析

樸維軍

(遼寧省柴河水庫管理局， 遼寧 鐵嶺 112000)

弧形閘門工作穩(wěn)定、可靠，受力條件好，對(duì)啟閉設(shè)備的啟閉力要求較小，因此被水利工程廣泛使用，特別是針對(duì)經(jīng)常起落的工作閘門，采用弧形閘門更能顯示出其優(yōu)越性。但存在一個(gè)長期被人們忽視的問題：閘門的開度及其測(cè)量方法。本文根據(jù)柴河水庫工作閘門的實(shí)際使用情況，進(jìn)行初步分析、計(jì)算，得出閘門開度與液壓啟閉機(jī)活塞桿伸縮量換算表。

弧形閘門； 開度； 液壓啟閉機(jī)； 測(cè)量

1 問題的提出

因?yàn)楣ぷ鏖l門是用來控制水庫出庫流量大小的，除在度汛時(shí)需要以最大開度大流量向外棄水外，閘門全開(最大開度)的時(shí)候并不多，更多的是小開度運(yùn)行(開度小于100%)。因此，每次開啟閘門時(shí)，需要根據(jù)放水流量的不同，計(jì)算出所需的閘門開度，并且用簡單工具(測(cè)繩)準(zhǔn)確測(cè)量閘門的真實(shí)開度值。閘門的開度是用來控制通過閘門水流量的主要參數(shù)，由于閘門多數(shù)是上下起落，過水?dāng)嗝娴膶挾炔蛔儯^水?dāng)嗝娴拿娣e與其高度(即閘門開度)成正比，在水頭不變的情況下，通過閘門的流量與過水?dāng)嗝婷娣e成正比，即與閘門的開度成正比，通過改變閘門開度來改變過水?dāng)嗝婷娣e，即可達(dá)到控制閘門流量的目的。

1.1 平板閘門開度

對(duì)于上下鉛直起落的平板閘門來說，閘門下方過水?dāng)嗝娴拇怪备叨?閘門開度)，由于閘門的開啟是鉛直方向的直線運(yùn)動(dòng)，可以利用測(cè)繩測(cè)量閘門剛開始啟動(dòng)時(shí)到正上方某固定點(diǎn)的距離和閘門運(yùn)行停止時(shí)到該固定點(diǎn)的距離，兩距離之差就是平板閘門的開度，實(shí)際上就是平板閘門行走的距離。

1.2 弧形閘門開度

弧形閘門(本文提到的是柴河水庫泄洪、輸水洞的工作閘門)的開度也是閘門下方的垂直高度，弧形閘門的起落也是上下方向，但是與平板閘門不同，平板閘門的起落是垂直方向上的直線運(yùn)動(dòng)，其開度值為閘門的運(yùn)動(dòng)距離(由全關(guān)起算)，可以用測(cè)繩直接測(cè)量平板閘門的開度，然而弧形閘門的起落，其運(yùn)動(dòng)軌跡是以閘門支點(diǎn)(旋轉(zhuǎn)軸心)為圓心的圓弧運(yùn)動(dòng)，閘門運(yùn)行時(shí)既有垂直方向的位移分量，又有水平方向位移分量，并伴有轉(zhuǎn)角，閘門的開度并非是閘門行走的距離(圓周運(yùn)動(dòng))。若在閘門上固定測(cè)繩，只能測(cè)量閘門到某一固定點(diǎn)直線距離，而不能同時(shí)測(cè)量閘門開啟時(shí)到某一固定點(diǎn)的鉛直距離和閘門運(yùn)行停止時(shí)到這一點(diǎn)的鉛直距離(高差)，因?yàn)殚l門在開啟的過程中產(chǎn)生了水平方向的位移和轉(zhuǎn)角，但是測(cè)繩測(cè)得的數(shù)據(jù)與閘門開度存在一定關(guān)系，因此，需要將測(cè)量到的閘門到某定點(diǎn)(如液壓啟閉缸橫軸軸心)的距離用來間接計(jì)算閘門開度，計(jì)算閘門下沿到閘門底坎的鉛直高差。

1.3 實(shí)際運(yùn)用

水庫放水是根據(jù)(供水、泄洪等)需要，確定放水流量，再根據(jù)放水流量、水庫水位及閘門尺寸等確定閘門開度，再根據(jù)閘門開度換算出閘門開啟時(shí)測(cè)繩長度(此值固定不變)和閘門運(yùn)行停止時(shí)測(cè)繩長度(根據(jù)閘門開度計(jì)算出的值)，然后由操作人員按開度開啟閘門，在閘門開啟過程中，對(duì)閘門到某一固定點(diǎn)的距離進(jìn)行測(cè)量，達(dá)到預(yù)定的(按閘門開度計(jì)算的)數(shù)值時(shí)，停止開啟，此時(shí)閘門的真正開度就是需要的閘門開度，但不等于測(cè)繩長度的變化值(液壓啟閉機(jī)活塞伸縮量)。

2 弧形閘門的開度計(jì)算

2.1 基本數(shù)據(jù)

柴河水庫泄洪、輸水洞工作閘門布置如圖1所示。

圖1 柴河水庫泄洪、輸水洞閘門布置(單位：m)

輸水泄、洪洞出口底高程為75.50m，閘門全關(guān)時(shí)底水封位置所在樁號(hào)為0+355.89。弧形閘門支點(diǎn)軸心位置為高程81.10m，樁號(hào)0+361.58。弧形閘門面板旋轉(zhuǎn)半徑為8.00m。吊點(diǎn)處旋轉(zhuǎn)半徑為7.70m。全關(guān)時(shí)高程80.086m。液壓啟閉機(jī)橫軸軸心位(用測(cè)繩測(cè)量時(shí)的參考點(diǎn))：高程89.89m，其樁號(hào)為0+355.364。

2.2 計(jì)算方法

為了計(jì)算方便，首先將空間問題簡化為平面問題，即以圖紙所在平面作計(jì)算平面，以弧形閘門支點(diǎn)(旋轉(zhuǎn)軸心)為原點(diǎn)，以m為單位，以向左和向上為兩軸正方向，建立直角坐標(biāo)系，根據(jù)閘門的實(shí)際尺寸和位置，得出各關(guān)鍵點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，如圖2所示，用解析幾何方法進(jìn)行計(jì)算。

圖2 柴河水庫泄洪、輸水洞閘幾何坐標(biāo)

2.3 計(jì)算步驟

a.給定閘門所有開度值。閘門全關(guān)時(shí)開度為0，閘門全開時(shí)開度為4.10m止，增量分劃為0.01m(根據(jù)工程要求閘門開度值精確到1cm)。

b.計(jì)算閘門在各開度下繞支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)角。當(dāng)閘門全關(guān)時(shí)，底水封坐標(biāo)為(5.69，-5.60)，底水封到原點(diǎn)距離7.983m。底水封與原點(diǎn)(支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軸心)所連直線與Y軸成α0角，其值為α0=arccos(5.60/7.983)=45.453°。閘門在其他開度e下其值為αx=arccos(5.60-e/7.983),產(chǎn)生轉(zhuǎn)角為β= arccos(7.60-e/7.983)-45.453°。

c.計(jì)算吊點(diǎn)在各轉(zhuǎn)角處的坐標(biāo)。閘門全關(guān)時(shí)吊點(diǎn)坐標(biāo)根據(jù)圖紙計(jì)算為(7.633，-1.014)，吊點(diǎn)到原點(diǎn)(支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軸心)的距離為7.70m，吊點(diǎn)與原點(diǎn)(支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軸心)所連直線與X軸成α1角，其值為acos(7.633/7.7)=7.5639°。閘門在其他開度時(shí)，吊點(diǎn)與原點(diǎn)(支點(diǎn)旋轉(zhuǎn)軸心)所連直線與X軸成夾角為αx，αx=(α1-β)，吊點(diǎn)的橫坐標(biāo)為X=7.7cosαx,吊點(diǎn)的縱坐標(biāo)為Y=7.7sinαx。

d.計(jì)算吊點(diǎn)在各轉(zhuǎn)角處至液壓啟閉機(jī)橫軸軸心的距離。全關(guān)時(shí)S0=sqrt[(7.633-6.216)2+(-1.013-8.79)2)]=9.905，其他開度S=sqrt[(X-6.216)2+(Y-8.79)2]。

e.計(jì)算測(cè)繩縮短量(液壓啟閉機(jī)活塞桿縮短量)與閘門開度的差值：ΔS=S-S0。

閘門開度計(jì)算表中開度增量值是根據(jù)工程實(shí)際需要做的，柴河水庫閘門開度精確到1cm，即分劃值為0.01m，這樣需要計(jì)算411組數(shù)據(jù)，考慮占用篇幅過大，故做了簡化，將閘門開度增量值改成0.1m，即10cm選用一組，只用了42組計(jì)算數(shù)據(jù)，雖然減少了一些中間數(shù)據(jù)，但下表只用來說明計(jì)算方法和計(jì)算步驟。

閘門開度計(jì)算略表

續(xù)表

2.4 分析

由表1可知，弧形閘門的開度值(實(shí)際值)與用測(cè)繩直接測(cè)得的數(shù)值(液壓啟閉機(jī)活塞桿伸縮量)不同，并且閘門隨著開度不同，二者相差的數(shù)值也在變化，最大值可達(dá)近40cm，這樣的數(shù)據(jù)差值是不能在實(shí)際工作中使用的，必須加以改正。

3 結(jié) 論

用測(cè)繩量測(cè)的數(shù)值(實(shí)際是液壓啟閉機(jī)活塞伸縮量)是不能直接替代閘門開度的，二者是兩個(gè)完全不同的概念，并非是測(cè)量誤差。二者之間存在一定的關(guān)系，可以根據(jù)使用測(cè)繩測(cè)量的數(shù)據(jù)，計(jì)算閘門的真實(shí)開度，也可以根據(jù)需要的閘門開度，計(jì)算出閘門起落用測(cè)繩測(cè)量時(shí)測(cè)繩的真實(shí)變化值(液壓啟閉機(jī)活塞伸縮量)，即測(cè)繩長度變化量與閘門開度可以相互換算，從而達(dá)到用測(cè)繩間接測(cè)量閘門開度的目的。

Analysis on arc gate small opening operation

PIAO Weijun

(LiaoningChaiheRiverReservoirAdministration,Tieling112000,China)

Arc gate is characterized by stable and reliable work, excellent stress condition, low requirements on opening and closing force of opening and closing equipment. Therefore, it is widely used in the water conservancy project, especially for working gates with frequent rising and falling. The advantages thereof can be further displayed by adopting arc gates. However, there is a problem which is ignored by people for long term, namely gate openness and measurement thereof. In the paper, practical application condition of Chaihe River Reservoir working gates are preliminarily analyzed and calculated for obtaining conversion table of gate opening and flexible quantity of hydraulic hoist piston rod.

arc gate; openness; hydraulic hoist; measurement

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.07.014

TV663+.2

B

1005-4774(2017)07- 0051- 04