弧形閘門開度測量尺

席清海　唐靖壹　吳福生

摘 要：某調水工程節制閘和控制閘大多為豎向液壓啟閉機開關形式的弧形閘門，閘門開度均由液壓缸行程間接得到。結合該類機構工作特點和當前調水與工程運行需求，設計安裝一套人工直接測讀閘門開度的“圓弧形反余弦函數比例閘門開度測量尺”，通過視頻監控系統或由閘站值守人員從弧形尺刻度上直接讀數得到閘門開度，便于人工校核閘門開度及與閘控電腦顯示的閘門開度進行比對。

關鍵詞：弧形閘門；開度計算；開度尺

中圖分類號：TV663 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0084-02

Abstract： Most of the regulating gates and controlling gates of a water transfer project are arc gates in the form of vertical hydraulic hoist switches， and the opening degrees of the gates are obtained indirectly by the stroke of the hydraulic cylinder. According to the working characteristics of this kind of mechanism and the current demand of water transfer and engineering operation， a set of "arc inverse cosine function proportional gate opening measuring ruler" is designed and installed， which is used to measure the gate opening degree manually， and the gate opening degree can be obtained by reading directly from the arc ruler scale through the video monitoring system or by the personnel on duty at the gate station. It is convenient to check the opening degree of the gate manually and compare it with the opening degree of the gate displayed by the gate control computer.

Keywords： radial gate； opening calculation； opening scale

1 概述

1.1 閘門開度測量

閘門開啟高度（簡稱閘門開度）指閘門底部止水至閘門底檻的垂直距離。

某調水工程節制閘和控制閘為數眾多，大多為豎向液壓啟閉機開關形式的弧形閘門。目前，中線干線弧形閘門采用自動化系統進行開閉控制。該套設備中，通常是先由某種傳感器測得啟閉機卷筒的“旋轉角度”或液壓啟閉機工作油缸活塞的“行程”值，自動代入已編好的“旋轉角”或“行程”與開度的函數解析式軟件，計算得出閘門開度值后即時傳遞至總調中心與各閘控電腦。

結合該類機構工作特點和當前調水與工程運行需求，設計安裝一套可人工直接測讀的弧形閘門開度尺，通過視頻監控系統或由閘站值守人員從弧形尺刻度上直接讀得，便于特殊情況下及時上報閘門實際開度與日常人工校核閘門開度。

1.2 弧形閘門開度測量方案選擇

就弧形閘門開度測量來看，測量其開度可以采用幾種方法。

方案1：設計制作專用角度刻度盤，安裝于弧形閘門轉動支鉸，通過刻度盤角度換算閘門開度。但該方法需要制作高精度刻度盤，現場觀測和安裝困難，之后需根據角度換算，使用較為麻煩。

方案2：制作刻度鋼絲，下支點安裝于邊墻處閘門下沿，在閘室邊墻定制作支架系統，人工直接讀取鋼絲刻度。但該方法精度不高，在鋼絲始終保持豎直的情況下可以直接讀數，非豎直時需換算；同時支架系統對閘門轉動互相干擾，不便于使用。

方案3：設計制作弧形開度尺，安裝于閘室側墻水上，閘門上制作安裝刻度指針，在閘墻頂人工觀測。該方法僅針對安裝位置設計制作刻度尺，另安裝刻度指針，不需在水下安裝，讀數方便。

經比較后確定采用方案3。

2 弧形閘門開度與轉動角度、弧尺安裝半徑的關系

2.1 基本參數

弧形閘門在閘室的縱剖面形式如圖1所示。

O點為弧形閘門轉動鉸心；O1為弧形閘門轉動鉸心在閘底板平面上的豎向投影點；？駐OAB為弧形閘門， 為閘門迎水弧面線；R為弧形閘門弧面線曲率半徑；AO1為閘室底板；KO2為閘室側墻頂平面；O2為弧形閘門轉動鉸心在閘室側墻頂平面上的豎向投影點；K為安裝就位的弧形尺與閘室墻頂面交點；？駐OA1B1為弧形閘門轉動某個角度？茲后的位置，P為閘門開度指針，P'為閘門在開度為x時指針位置（此時指向刻度F點），l為弧形閘門轉動某個角度？茲后弧形尺的弧長（即 ）， 為弧形尺；R'為弧形尺（弧形尺所在的圓弧與閘門弧面同心）中心線曲率半徑（即弧尺基準線）；圖中，h0為弧門鉸心距閘底板的高度，h1為閘門完全關閉時弧門頂距離閘底板的高度，h2為閘墻頂與閘底板的高度差。

？茲'為閘門開度為x時閘門開度（此時閘門轉動角度為？茲）指針繞O點轉動的角度，顯然？茲'=？茲；？琢為閘門全關時OA與OO1的夾角，？琢=arccos（8÷11）（rad）；Hx為閘門開度為x時A1在OO1上的垂足點。

2.2 原理

2.3 結論

從原理推導過程和計算結果來看，建議采用閘門臨側墻水封處安裝弧尺指針，弧形刻度尺安裝于閘室側墻，弧形尺中心線所在圓與閘門轉動鉸心同心，弧形尺半徑可根據弧門水封等限制條件選擇，比如選擇R'=11150（mm）的弧形尺。

弧形尺刻度非一般直線等間距刻度尺，而是其間距呈反余弦函數關系，制作過程中其刻度分布還需根據安裝位置等具體情況確定，如R'=10000（mm）等。

2.4 誤差

弧形尺、閘門本身，閘室側墻和底板，其施工、制作原本即存在誤差，安裝過程也產生誤差，外在的環境及溫度因素對弧尺測量閘門開度均有誤差影響。經查閱監理驗收資料及有關混凝土、304不銹鋼等材料受溫度影響變形量等技術資料，該類誤差累積量在預估范圍內，可忽略不計，因而開度計算中所用到的弧門半徑誤差與弧門轉動鉸心高至關重要。

3 閘門開度與弧尺測量開度對比

弧形開度尺安裝施工需根據節制閘的現場條件和安裝時的工況，選擇合理的安裝方法。安裝后試驗對比結果見表1。

從表1的閘控系統顯示的實際開度與弧尺測量的開度差來看，最大差值的絕對值14mm、最小1mm，基本滿足功能要求。

4 結束語

安裝階段因渠內有水，無法直接測量閘門開度并與弧尺測量、閘控系統所示開度進行比較，需待無水檢修期可考慮進行直接測量閘門開度，再行比較，并校核、調整弧尺與指針。

目前，該套弧形閘門開度測量尺已在某調水工程全線推廣應用，經過跟蹤觀察，誤差在50mm以內，基本滿足實際需求。

對于弧形閘門，目前自動化控制并不能由人工直接觀測了解閘門開度，無法確認其開度值，本文提出的弧形閘門開度測量尺也是一種間接的測量方法，該方法雖不能接入自動化，但提出的閘門開度弧形測量尺為人工校核閘門開度提供了較為簡潔直觀的解決辦法，尤其是在閘控系統出現故障時能及時測量閘門開度，且方便直觀，全天候觀測，校準檢修方便，構件易加工制作。

參考文獻：

[1]孫魯安.弧門開度與啟閉機行程的函數關系推導[J].水利電力機械，2016，11（28）：41-45.

[2]代威.弧形閘門開度計算[J].山西水利科技，2015，5（2）：18-21.