弧門啟門高度與油缸行程的關系研究

(四川蜀禹水利水電工程設計有限公司，成都，610072)

1 研究背景

目前，弧形閘門在水利水電工程中的應用非常廣泛，弧形閘門作為水道的工作閘門，用于泄洪、沖砂和局部開啟調流，然而要精確計算弧門的泄流量，需精確測量弧門的啟門高度。在有些水利水電工程中發現，編碼器在測量弧形閘門開度時誤差較大。主要原因是編碼器的轉角與平板閘門開度之間為簡單的線性關系，而與弧門開度之間的關系則較為復雜。在實際閘門控制PLC編程調試中，調試人員常常將弧門的整個開度分段線性化，這樣其量測精度與開度分段的多少有很大關系，且只有每一段的起點和結束點是準確的，而中間的各點都不準確。整個開度分段少，開度級差大，測量精度誤差大；若整個開度分段較多，則現場測量、數據輸入、調試及調整等工作繁瑣，非常不方便。不管開度分段疏密，均不能滿足開度無極準確調整的要求，均不能精確測量弧門的開度。

最近，在涪江柳樹電航工程泄洪沖砂閘弧門液壓啟閉機的調試中，又遇到同樣的問題。業主要求工程設計單位提供弧門啟門高度與液壓啟閉機油缸行程的關系公式。為此，筆者對其變化規律進行了分析，推導出了弧門啟門高度與油缸行程的通用關系公式。

2 公式推導過程

弧門啟門的典型布置詳見圖1所示。

圖1 弧門啟門的典型布置

弧門繞支鉸中心轉動，支鉸中心、油缸上支點和弧門吊耳中心這三點相互連線可組成三角形。在弧門啟門過程中這三點始終組成三角形，支鉸中心和油缸上支點為固定點，弧門吊耳中心為動點，可建立三角形余弦定理。

c2=a2+b2-2abcosθ

(1)

式中：c——油缸上支點到弧門吊耳中心的長度(油缸長度)，mm；

a——油缸上支點到弧門支鉸中心的長度，mm；

b——弧門支鉸中心到弧門吊耳中心的長度，mm；

θ——a、b、c構成的三角形中a與b的夾角。

在啟門過程中，弧門開啟高度H是指面板底緣至閘門底檻的豎直高度。閘門面板底緣同吊耳中心一樣繞支鉸中心轉動，弧門旋轉角度即為三角形abc中a與b夾角的變化量。

(2)

θ=θ0-θh

(3)

式中：H——弧門開啟面板底緣至閘門底檻的豎直高度，mm；

hz——弧門支鉸中心至閘門底檻的豎直高度，mm；

R——弧門面板曲率半徑，mm；

θ0——弧門處于全關時，abc三角形中a與b的夾角；

θh——在啟門過程中，弧門旋轉角度；

θ——同式(1)。

油缸行程，即為油缸在弧門啟門過程中的收縮行程，弧門全關時設定為零。

L=L0-c

(4)

式中：L——油缸行程，在弧門全關時設定為零，mm；

L0——弧門全關時，油缸上支點到弧門吊耳中心的長度(即全關時油缸長度)，mm；

c——同式(1)。

綜合以上(1)-(4)式，可推導出弧門啟門高度與油缸行程的關系公式。

由上式可知，弧門啟門高度變化與液壓啟閉機油缸行程變化并不相等，采用編碼器測量出油缸行程后，須在油缸行程與弧門啟門高度之間建立起相應的函數關系，并將其轉換為閘門的實際啟門高度值，這樣測量出來的啟門高度值才是準確的。

3 工程實例

涪江柳樹電航工程泄洪沖砂閘弧門孔口尺寸為12m×13.5m(寬×高)，24孔。根據布置可知參數a=7845mm，b=15360mm，θ0=103.4259°，hz=10700mm，R=16000mm，代入弧門啟門高度與油缸行程的關系公式，可得如下公式并畫出其關系曲線圖(圖2)，通過該公式，便可以精確測量弧門啟門高度，以達到精準操控閘門的目的。

式中：L——油缸行程，在弧門全關時設定為零，mm；

H——弧門開啟面板底緣至閘門底檻的豎直高度，mm。

圖2 柳樹泄洪沖砂閘弧門開啟高度與油缸行程關系曲線

4 結語

目前，采用分段法近似按線性測量開度，其測量精度只局限在個別點上，在多數點上不準確，且其工作繁瑣。

本文推導出了弧門啟門高度與油缸行程的通用關系公式，對精確測量弧門的啟門高度有所幫助，適用于所有弧形閘門液壓啟閉機的場合。在弧門控制系統PLC中，用戶可通過此通用公式編程自動操作和檢測弧門啟門高度。此通用關系公式測量精確，適用范圍廣，實用性強，避免了采用分段法近似按線性測量開度的缺點。