【doc】液控翻板闸门研究【doc】液控翻板闸门研究 液控翻板闸门研究 26液压与气动20O9年第5期 液控翻板闸门研究 吴卫峰,李靖谊 Studv0nHvdraulicC0ntrolGate WUWei-feng,LIJing—yi (1.浙江水利水电专科学校机电工程系,浙江杭州310018;2.南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016) 摘要:在分析了水力自控翻板闸门的优缺点的基础上,得出了外控翻板闸门开发研究的必要性.简述 了外控翻板闸门发展现状,比较分析了各种外控翻板闸门方案优劣,提出了液控翻板闸门的设计理念....

  【doc】液控翻板闸门研究 液控翻板闸门研究 26液压与气动20O9年第5期 液控翻板闸门研究 吴卫峰,李靖谊 Studv0nHvdraulicC0ntrolGate WUWei-feng,LIJing—yi (1.浙江水利水电专科学校机电工程系,浙江杭州310018;2.南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016) 摘要:在分析了水力自控翻板闸门的优缺点的基础上,得出了外控翻板闸门开发研究的必要性.简述 了外控翻板闸门发展现状,比较分析了各种外控翻板闸门

  优劣,提出了液控翻板闸门的设计理念.以泵 控马达驱动翻板闸门为例说明液控翻板闸门的设计思想,详细的介绍了泵控马达驱动翻板闸门的组成结构,工 作原理和设计要点,为进一步提升液控翻板闸门研究发展提供一定的技术基础. 关键词:水力自控翻板闸门;液控翻板闸门;泵控马达 中图分类号:TH137文献标识码:B文章编号:1000_4858(2009)05一D026一D4 O前言卜J 水力自动翻板闸门是现今国内最常见的一类自控 闸门.它利用杠杆的力矩平衡原理在水压力及闸门自 重的作用下使闸门绕水平铰轴转动而达到自动启闭的 目的,无需专用动力源,因而被形象地称为翻板闸 门.图1所示为目前最先进的连杆滚轮式翻板闸门, 由预制钢筋混凝土门叶,支承部分及连杆等部件组装 而成:门叶包括面板和支腿;支承部分包括固定支承部 分由设置在支墩上的固定曲线支座和边墩上的导轨两 部分所组成,活动部分是门叶上的卡轨和滚轮;连杆部件 连接闸门与墩.其运动原理是作用门叶上的合力驱使 门叶轨道在滚轮上滑动,滚轮沿曲线支座导轨上下滚 动,卡轨控制闸门不能横向滑动,连杆约束闸门绕支点 旋转以此来实现闸门的启闭.由于水力自动翻板闸门具 收稿日期:20093—18 作者简介:吴卫峰(1966一),男,江西乐平人,硕士,工程师, 讲师,主要研究方向为液气压传动及机电一体化. 号等,然后实现的功能有数据采集,数据存盘,报表打 ,在线帮助等.各项功能均用菜单驱动, 印,图表生成 单击鼠标右键可弹出关于以上功能的浮动菜单,选择 高主亮显示的某项功能并单击鼠标左键,就可以实现该 项功能.查询打印主菜单可实现对存盘文件的查询打 印,液压泵试验数据采集与处理界面如图5所示. 图5液压泵数据采集与处理界面 3结语 学校通过校企共建实验室的方式为双方创造了更 好的科研环境,快速缩短了在人才培养的过程中学校 教育与企业需求之间的差距;与此同时,企业通过校 企共建实验室既能够得到企业急需的人才,也可借 助此平台向社会更好地推广自己的技术和产品.校企 共建实验室,既能发挥学校和企业的各自优势,又能共 同培养社会与市场需要的人才,是高校与企业双赢的 模式之一. 参考文献: [1]龚沛曾,陆慰民,杨志强.VisualBasic程序设计教程 [M].北京:高等教育出版社,2000. [2]全国液压气动标准化技术委员会.液压气动标准汇编 [M].北京:中国标准出版社,1997. [3]张立平.液压气动系统模块设计手册[M].北京:机械工业出 版社,1997. 2OO9年第5期液压与气动27 墩 图1连杆滚轮式翻板闸门 有过流能力强,水位壅高少,结构相对比较简单,制造使用起来更便捷, 造价低廉,维护简单等诸多优点,因而在小型水电站和 中小型蓄水工程中得到了广泛的应用.近年来,随着 人们治水思想的改变,以及对环境保护与美化意识的 增强,水力翻板闸门的应用场景范围不断拓展,在城市园林 景观,旅游,环保等综合工程中也得到了较好的应用. 水力自动翻板闸门经过几十年的施工运行管理,积累 了很多成功的经验,已由多铰式发展升级换代为滚轮 连杆式,使闸门的调节性能和研制技术逐步完善和成 熟.但这类闸门在运行中也存在一些难以克服的困 难.集中表现在以下几个方面: (1)运行环境问题当杂草,树枝,树干等杂物堵 塞在铰座周围,极度影响闸门的启闭而蓄泻不畅,尤其 是涨洪时洪水来势猛,速度大,冲刷强,漂浮物多极易 使闸门失控或卡死,汛后清理这些杂物困难.对于富 含泥沙的河流泥沙极易在门前淤积堵塞,造成闸门开 启困难. (2)运行稳定问题由于水力翻板闸门的运行环 境和受力情况相当复杂,而设计计算理论目前尚不十 分完善,运行中都会存在着诸多失稳现象,波及闸门的 正常工作,轻者能引起工程结构的整体振动,重者可导 致闸门,坝坎结构毁坏.影响闸门稳定的因素很多:上 游来水量,泄水量和风浪;闸下淹没出流或波状水跃或 门顶水舌与下部孔流水面问形成负压和紊流;门闸或 堰坝位置选取等.有些因素很难克服,因此要确保闸 门运行稳定很困难. (3)结构设计问题闸门稳定性大多数来源于于连杆 的阻尼作用,结构上保证闸门自身的阻尼作用从而保 证闸门的稳定运行.在进行闸门设计时,如何合理确 定滚轮的直径,连杆的长度及连杆后支点位置,闸门重 量的正确选择等都需优化设计;而连杆长度及其后支 点纵坐标对稳定及闸门重量对力矩平衡的影响则需要 论证.这些工作难度较大. (4)运行功能的限制当时常需人为调控闸门排 沙灌溉时;当在旱季时要蓄水,水量充沛时要航运及雨 季又要泄洪的河流湖泊,此时使用水力自动翻板闸门 就不合理. 受自动翻板原理,运行环境,运行功能的限制,受 结构设计和诸多影响闸门稳定的因素的困扰,水力自 动翻板闸门大多使用在水质条件较好,水流量不大的 小型水利工程上.目前许多发达国家已逐步放弃水力 自动翻板闸门,而多采用外控翻板闸门. 1外控翻板闸门研究发展现状 人为干扰闸门进行水位控制在很多场合是必需 的,如洪水来临前的预泄,库区冲沙,放空检修等都需 人为干扰.因此早在80年代中期英美法等国就开始 了外控翻板闸门的研究.目前外控翻板闸门在英国莱 茵河,法国的塞奈河及美国密西西比河上蓄水,航运和 园林景观,旅游,环保等综合工程中得到了较好的应用 且技术日臻成熟.外控翻板闸门与水力自动翻板闸门 相比最大优点是能时时根据自身的需求进行人为调控,闸 门稳定性受外界干扰少.外控翻板闸门利用特定外力 驱动闸门翻转,借助于电气仪器控制外力的大小从而 改变闸门的运动状态来实现翻板闸门的蓄水,发电,灌 溉,航运,泄洪,排沙等功能.外力翻板的方法很多;控 制方面既可近距离控制又可远程调控;结构设计方面 闸门已不仅局限在功能上而成为一道亮丽的景观;十 分注重环境的保护和协调,严控水和环境污染作为外 控翻板闸门研究开发第一要务.根据外力类型不同可 分为电力和液力两大类(气力功率过小不合适).电 力直接用电机驱动消耗能量大;液力具有能量放大,消 耗能量小的特点,液压控制具有体积小,土建工程投资 低,改装方便的优点.根据执行机构的不同分液压缸, 马达液控翻板闸门.由于材料,加工,安装及控制技术 的问题,我国在这方面开展研究工作不多,使得液压技 术在翻板闸门中的应用发展缓慢,在水利工程上应用 实例很少,在使用的过程中效果也不理想.对于这一技 术,市场是需要的,随着材料,加工,安装及控制技术的 发展,以前存在的技术问题将逐一完善,液控翻板闸门 的使用频率将会日益增高.因此在此提出液控翻板闸 门的研究是具有现实意义的.电控,液控翻板闸门性 能结构的特点比较见表1. 根据我们国家社会经济十五规划纲要中重点加强水利 建设和国务院刺激经济发展一揽子

  中要加大水利 建设投入的要求,结合目前我国水利水电发展新趋势, 28液压与气动2OO9年第5期 表1电控,液控翻板闸门性能结构的特点 \结构消耗稳定故障故障环境运行结构运行旋转翻转防蚀漂物同步水淹工程调节 经济人员特点能量性室排除污染功能设计环境中心范围处理影响协调设备里难 易成本管理一 条0,电驱动简单大不稳少易无无较易无易无同步无小较难低需 直线. 马达简单小稳定较少易无无较易无一条0, 驱动直线.易无同步无小易较高需 缸驱复杂小稳定较多较难考虑有较难良无0, 9o.较难有多缸有大难高需 动协调 提出液控翻板闸门的设计理念.通过表1电控,液控 翻板闸门性能结构的特点比较,能够准确的看出马达驱动液 控翻板闸门最为理想. 2液控翻板闸门设计 我国江河湖泊众多,运行环境错综复杂,人们利用 改造水利目的和需求亦多种多样,电控,液控翻板闸门 能有效地改善翻板闸门结构及形式单一和运行功能不完 善的局面.当人们需翻板闸门既蓄水又能航运,发电, 排砂和泄洪时:即蓄水时需闸门竖直,航运时能平铺水 里,排砂泄洪时能在任一角度开启,显然只有电控,液 控马达驱动翻板闸门能满足规定的要求.在此以马达驱动液 控翻板闸门为例来说明液控翻板闸门的设计理念. 2.1马达驱动液控翻板闸门的组成及工作原理 由于闸门属恒速转动且速度不高,闸门系统属大 功率系统,运行环境和受力情况相当复杂,要求系统输 出功率相应变化,系统输出转矩由外负载决定.根据 以上特点,在液压动力控制机构中以泵控液压马达为 最适宜,它常用于大功率和恒速系统,其中又常采用变 量泵一定量马达系统作为动力元件.图2为马达驱动 液控翻板闸门原理图,由液压动力控制机构和闸门两 部分所组成.液压动力控制机构包括电机,泵,马达,控 制阀,管路,油箱和减速器;闸门部分包括闸门,联接轴 和支承墩.液压泵输出液压能传递给马达,马达将其 转化为机械能驱动马达输出轴的旋转,经过减速器的 减速后带动闸门的翻转.变量泵一定量马达系统通过 改变泵的排量来改变泵输出功率控制传送给负载的动 力,功率损失小,效率高适用大功率液压系统.液压泵 转速和马达排量都是恒量,改变泵的排量就使马达的 转速和输出功率随之变化,系统的最高工作所承受的压力由溢 流阀5和6限定.之所以设置两个溢流阀是因为液压 泵和马达是双向的,工作过程中油路的高低压要互换, 同时保护液压元件不受压力冲击的损坏.溢流阀的容 量要足够大,响应速度要足够快,以便在过载时能够使 泵的最大流量迅速从高压管道泄人低压管道.补油泵 9通过单向阀3和4向系统低压管道补油,以补充系 统中泄漏量并在低压管道中建立起一定的低压,可以 改善泵的吸人性能,防止气蚀现象和空气渗入系统,也 有利于系统热量的消散.补油压力(一般为0.3MPa) 由溢流阀11设定,补油的流量一般为回路中主泵最大 流量的10%,15%.在此液控系统中由于具备调速 和锁紧功能,因此闸门旋转速度可调且任意位置停止 而不窜动,增加了闸门的稳定性.液控翻板闸门采用 泵控马达驱动方案是安全可行的,但在实际设计过程 中很多细节需仔细考虑. l,10.电机2.变量泵3,4.单向阀5,6,l1.溢流阀 7.马达8.减速器9.定量泵l2,l4,l6.支承墩13,l5.闸门 图2液控翻板闸门原理图 2.2液控翻板闸门的设计要点 依据图2液控翻板闸门原理图,在具体设计时需 解决以下几个方面的问题. 1)最大功率,最大转矩的确定 翻板闸门受力状态复杂,在确定电机和液压泵功 率,选择正真适合的马达输出转矩之前,需对闸门受力进行 正确分析.尤以闸门受力最恶劣状态下求解最大功 率,最大转矩,防止马达带不动闸门转动.当闸门旋转 支点确定,马达输出轴转矩,水对闸门阻力矩,闸门自 重力矩和旋转轴摩擦力矩就构成一平衡力系,其中阻 力矩和白重力矩对马达输出轴转矩影响最大.自重力 矩与轴支点选取位置有关,而阻力矩与轴支点选取位 置无关.因此闸门翻转方向应选择与水流动方向相一 致就能够更好的降低阻力,从而大幅度的降低阻力矩.轴支点选 取应尽量过闸门重力中心,以消除自重力矩的影响. 2)闸门与轴连结 闸门与轴的连结点应选在闸门两侧面且过闸门重 20O9年第5期液压与气动29 力中心线位置,这样确保能与轴支点在同一个平面内, 连结点的结构宜采用内嵌式,以保证闸门两侧面与支 承墩相互配合防止水泄漏.闸门连结点处材料选择很 重要,需有很高强度和刚度,保证能支承整个闸门重量 且在复杂受力状态下不散架.考虑到水环境腐蚀作用 及维修拆卸方便,支承轴与闸门联结不宜焊接而应采 用螺栓连结,螺栓要有足够强度和刚度,抗弯抗剪抗扭 转能力强. 3)轴与支承墩配合方式 由于相对运动和外力重力的作用,轴与支承墩间 摩擦不可避免.选择的配合方式合理就能最大限度降 低摩擦,减少摩擦力矩的作用.轴与支承墩配合方式 有轴承和轴瓦,鉴于支承点位置有可能浸入水中受水 蚀作用,受力大小及装配维修方便,建议以耐腐蚀轴瓦 作为轴与支承墩配合方式较为合理. 4)合理确定减速器的传动比 闸门属恒转速运动且转速较低,尽管液压马达的 转速可由液压泵调节,但马达的转速可能还会偏大,需 增设一减速器继续减速.减速器的传动比由马达的转 速和闸门转速来确定,根据传动比的大小确定是采用 一 级或二级以上.针对丁作系统为大功率系统且为保 证闸门旋转平稳性和连续性,采用斜齿圆柱齿轮减速 器为宜.若闸门转速选取过大会增加闸门旋转惯性,对 4r/min, 闸门稳定不利.建议闸门正常转速不大于l,特殊情况下可适当增大. 5)闸门的密封止水 采用槽钢外包不锈钢片的设计.具体方法是在一 期混凝土浇筑时,预先在边墩和底墩埋设适当数目的 的固定钢筋,在每根钢筋上安装一颗正向螺丝;安装槽 钢时,在槽钢内侧相应位置上安装4颗反向螺丝,用槽 钢内侧的微调螺丝将槽钢调整到设计位置后点焊固 定,再进行二期混凝土浇筑.这样既平整光滑,又安装 到位,再在闸门安装止水橡皮,满足了密封止水和减小 摩擦的要求. 6)闸门与堰坝配合.. 闸门静止状态时,由于闸门支承点上下受不等水 力作用而可能始终对液压马达和支承轴产生力矩作 用,此作用对液压系统不利.为克服这种不利影响,可 以通过改善闸门与堰坝底座配合方式,在堰坝底座中 央砌一与闸门等宽小台阶.当闸门上部水受力大时, 闸门靠台阶外侧布置;当闸门下部水受力大时,闸门靠 台阶内侧布置,就可达到消除力矩作用.同时对增加 闸门与堰坝的密封有利.但坏因是马达只能沿一 个方向转动而不能双向转动. 7)闸门的结构设计 闸门的结构设计重点在两个方面:重量和结构形 式.由于属外力可控闸门,闸门翻转和稳定性不再靠 闸门的重量来维系.闸门重量可大大减轻,闸门的强 度和刚度需大大提高,可选择一些强度高抗弯性能好 的材料来作闸门;结构及形式要与周围环境相协调. 8)污染源控制 液控翻板闸门的污染源大多数来源于液压油.液压油对 周围环境的污染大多数来源于液压系统的泄漏和装卸,故障 维修时的外溢,因此要将液压系统与外界隔离,作为一个 运行在独 独立的单元,注重液压油收集和管理,使液压油立的单元内,从而避免对河水和周围环境的污染. 3结论 液控翻板闸门适用于功能要求多的河流,尤其是流 域环境复杂又需对闸门运行不断进行调节的中大型水 利工程.液控翻板闸门设计的重点在于液压系统最大 输人功率,最大输出转矩的确定,重点是解决闸门的 力学特性,这是液控翻板闸门设计的难点,也是研究水 力自动翻板闸门和外控翻板闸门设计计算理论的下一 步的首要工作.液控翻板闸门动力控制理论是正确的, 液控技术也是成熟的,功率范围可达几十,几千千瓦, 使用范围宽广,对改善目前水力自动翻板闸门功能单一 的局面,促进我国水利水电事业的发展具有非消极作用. 参考文献: [1]任广云,等.渐开式翻板闸门的几个设计问题[J].水利 水电科技进展,l999,19(6):66—68. [2]李宗健,等.水力自动闸门[M].北京:水利水电出版 社,1987. [3]曲锋,等.关于渐开式翻板闸门几个问题的讨论[J].水 利水电科技进展,2o05,25(5):74—77. [4]陈有才,等.水力自控翻板闸门设计的技术改进[J].浙 江水利科技,2oo5,14(3):27—30. [5]吴望一.流体力学[M].北京:北京大学出版丰十,2004. [6]姜佩东.液压与气动技术[M].北京:高等教育出版社, 20o0. [7]张光斗.水工建筑物[M].北京:水利电力出版社,1992. [8]方子杰.碧莲水电站水力自控翻板闸门溢流坝设计[J]. 水利水电科技进展,2000,20(2):59—61. [9]王英人.小浪底水利枢纽金属结构设计的特点[J].水电 站设计,2002,18(4):22—24. [10]江智键.水力自控翻板门坝设计诌议[J].水电站设 计,2006,22(2):37—39.

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