基于Adams翻轉式弧形水工閘門的連桿參數的優化

畢節市工業學校 ，貴州畢節 551700

水利工程是一項民生工程，長期以來，國外專家對水工閘門及其啟閉機構進行了大量且深入的研究，積累了豐富的理論知識和經驗，研制出了一批性能突出、可靠性高的閘門啟閉機構。然而目前我國閘門啟閉機構的技術發展比較緩慢。目前，尤其針對跨距水工閘門及啟閉機構的研究文件甚少。隨著國內外一些水工閘門在開啟閉合過程中出現啟閉超載、卡死，甚至閘門破壞等事故，閘門的運行安全越來越被重視[1-3]。

水工閘門在水利水電工程建筑物中起著泄水或蓄水的作用，通過閘門的啟閉能夠實調節水位、控制流量、排澇、灌溉、發電及通航等功能。為了保證閘門在啟閉過程中平穩安全運行，針對跨距為60m的翻轉式閘門的啟閉機構，為了提高啟閉機構的在運行過程中的平穩性能，本文運用ADAMS軟件對六連桿啟閉機進行仿真，分析了六連桿啟閉機參數對閘門在靜水環境下閉合過程中的影響，為改善翻轉閘門啟閉過程的平穩性能提供了理論依據[2-5]。

1 翻轉式閘門啟閉機構的工作原理

翻轉式閘門啟閉機構主要由弧形閘門、連接桿AB、連桿臂 BC、吊臂 CD、吊臂 DE、活塞連桿EF及液壓缸F等組成，翻轉式閘門啟閉機構的工作原理如圖1所示。啟閉機構工作時，通過液壓缸F勻速驅活塞連桿EF，吊臂DE和吊臂CD固連在一起繞D點翻轉，在吊臂CD翻轉的情況下帶動連桿臂BC運動，同理連桿臂BC翻轉的情況下帶動連接桿AB繞A點翻轉，連接桿AB和弧形閘門以翻轉副連接，最終實現閘門的啟閉過程[2]。

2 啟閉機構的建模

Solidworks和ADAMS的系統默認坐標系都是笛卡爾坐標系，因此建立的模型導入時視圖方向不發生變化。本文采用Solidworks軟件建立1:1實體啟閉機構模型，該模型由連接桿AB、連桿臂BC、吊臂CD、吊臂DE、活塞連桿EF及液壓缸F，本模型以閘門翻轉中心A點為圓心建立坐標系，優化前建模的參數如圖2所示，優化后建模的參數如圖3所示，將建好的模型以parasold(x_t)格式導入ADAMS中定義材料屬性，本模型的材料為Q620，施加約束和力，六連桿機構中，連接桿AB與大地之間為翻轉副，連接桿AB和連桿臂BC之間為翻轉副，連桿臂BC和吊臂CD之間為翻轉副，吊臂CD和吊臂DE之間為固定副同時與大地之間為翻轉副，吊臂DE和活塞連桿EF之間為翻轉副，活塞連桿EF和液壓缸F之間為翻轉副，液壓缸F與大地之間為滑移副，液壓缸F為驅動件，驅動速度為0.0025 m/s，重力加速度方向沿Y軸負方向,單位為MKS制，仿真模型如圖4所示。

圖1 啟閉機工作原理圖

圖2 啟閉機參數優化前

圖3 啟閉機優化后參數

圖4 優化后的仿真模型

3 結果分析

設置仿真時間為1 800 s，得到閘門在勻速驅動下的閉合仿真過程，仿真過程可分為三個階段，第一階段：起始階段，第二階段：運行階段，第三階段：結束階段。由于閘門與約束joint1和連接桿AB（part2）同步運動，在閉合角度相同的情況下，優化前和優化后翻轉式閘門質心的角速度和角加速度如圖5和圖6所示，從圖5中可以看出，閘門質心的初始角速度為0.082 d/s，優化前閘門在起始階段和運行階段沖擊和振動較平穩，但在結束階段閘門的沖擊和振動非常顯著，優化前的閘門質心最大角速度和角加速度分別為0.77 d/s和0.013 d/s2。從圖6中可以看出，優化后閘門質心的初始角速度為0.066 d/s，閘門經歷加速、減速、加速、減速的歷程，在起始階段和運行階段，優化后的沖擊和振動比較平緩，但在結束階段，即接近閘門關閉工位時，優化后閘門的速度和角速度同樣出現急劇變化，同樣會出現沖擊和振動現象，優化后的閘門質心最大角速度和角加速度分別為0.083 d/s和0.0013 d/s2，優化后閘門的沖擊和振動明顯比優化前小。

4 結論

大跨距閘門啟閉過程是人們所關心的熱點問題，運用ADAMS軟件對大跨距翻轉式弧形閘門的仿真報道甚少。本文運用ADAMS軟件對翻轉式弧形閘門閉合進行仿真，直觀地觀察了翻轉式弧形閘門閉合的整個過程，分析了六連桿啟閉機參數對閘門在靜水環境下閉合過程中的影響。得到以下結論：

(1)優化前，六連桿啟閉機構在閘門停止運行前的結束階段沖擊和振動比較顯著。

圖5 優化前的啟閉角速度和角加速度

圖6 優化后的啟閉角速度和角加速度

(2)優化后，六連桿啟閉機構在閘門停止運行前的結束階段的沖擊和振動較小。

(3)合理的減小啟閉機構在閘門運行的起始階段和停止前的結束階段的驅動速度，減小對閘門的沖擊和振動。

(4)優化啟閉機構的機構參數及合理的布局，減小對閘門的沖擊和振動,本仿真有助于深入了大跨距翻轉式弧形閘門啟閉機構參數對閘門啟閉過程的影響，通過優化機構參數及機構布局，降低制造成本；有助于了解閘門沖擊和振動產生和存在的規律；有利于提高閘門質量和使用性能，減少因沖擊和振動引起的破壞性事故；簡化啟閉機構的實驗過程，為探索大跨距翻轉式弧形閘門啟閉過程提供了一種新方法。有必要進行深入研究合理地選擇機構參數、合理布局、驅動速度等，本仿真還有待進一步的試驗驗證。