（水工结构工程专业论文）水力自动翻板闸门的稳定性分析与结构优化设计.pdf

摘要 连杆滚轮式水力自动翻板闸门因其能随水位涨落而自动启闭，结构简单、造价低廉， 等优点，在各类水利工程中得到广泛应用，并产生了很好的经济效益。但与此同时，此 门型仍存在频繁摆动、“拍打”、水力现象比较复杂等不稳定现象。本文对连杆滚轮式水 力自动翻板闸门进行稳定性分析和结构优化设计，使得它们不仅能更好地应用于各类水 利水电工程中，而且能广泛应用于航运工程、城市环境保护和其他相关工程中，将会对 社会的发展和生活环境的改善有着重要的意义。本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 分析阐述了水力自动翻板闸门的工作原理和运转机理，结合框图详细分析说 明了翻板闸门的运转过程及其稳定条件，给出了闸门在运行过程中的瞬心轨迹线，分析 研究了闸门运动过程中的基本平衡方程。 ( 2 ) 分析阐述了翻板闸门振动类型及其物理过程研究，对各种振动的原因进行了 分析，同时也提出了相应的减振措旌。根据对翻板闸门的运行分析，提出了翻板闸门优 化设计数学模型的一般表达式，并据此编制出水力自动翻板闸门的结构稳定性优化设计 程序，对某一工程实例，通过程序的计算，得到了较理想的设计成果。 ( 3 ) 根据静态平衡理论分析研究了连杆滚轮式水力自动翻板闸门的静态稳定性。 在反馈控制理论基础上，分析阐述了水力自动翻板闸门的动态平衡原理，编制闸门运行 稳定性分析程序，并据此对水力自动翻板闸门系统的稳定性进行了详细的分析研究。研 究表明，连杆滚轮式水力自动闸门本身的结构能保证闸门工作的稳定。 ( 4 ) 析阐述了连杆滚轮式水力自动翻板闸门的工作状态与水力特性，推求了闸门 的开门睦线、启f - j t k 位和回关水位，并分析了下游水位对翻板闸门运行的影响。根据翻 板闸门的不同水流流态，编制过闸流量计算程序，计算各流态的过闸流量，并绘制了过 闸流量与上游水位关系曲线。 关键词：水力自动翻板闸门拍打动态过程稳定性 结构优化启f - l ；g 位开门曲线过闸流量 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ev i r t u eo f a u t o m a t i c a l l ys w i t c h i n g ，s i m p l es t r u c t u r ea n dl o wc o s t ，e t c ，t h e h y d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n gg a t e sw i t hc o n n e c t i n gl e v e ra n dr o l l i n gw h e e lh a v eb e e nw i l d l y a p p l i e di na l lk i n d so f w a t e rc o n s e r v a n c ya n db r o u g h tm u c he c o n o m i cb e n e f i t a tt h es a n 3 e t i m e ，t h e ya l s oh a v et h eu n s t a b l ep h e n o m e n o ns u c ha sc o n t i n u a l l ys w i n g i n g ，f l a p p i n ga n d c o m p l i c a t e dh y d r a u l i cf a c t o r s n l es t a b i l i t ya n a l y s i sa n d s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n d e s i g no f t h e h y d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n gg a t e sw i t hc o n n e c t i n gl e v e ra n dr o l l i n gw h e e lw e r ec a r r i e do u ti n t h ep a d e rt om a k et h e mn o to n l yb eb e t t e ra p p l i e di na l lk i n d so fw a t e rc o n s e r v a n c yb u ta l s o b ew i l d l ya p p l i e di ns h i pp r o j e c t ，c i t ye n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，a n do t h e rc o r r e l a t i v ep r o j e c t ， f u r t h e rt ob e t t e rt h es o c i a la n d l i v i n gc o n d i t i o n t h em a i n c o n t e n t si nt h ep a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo ft h eh y d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n gg a t e sw i t hc o n n e c t i n g l e v e ra n dr o l l i n gw h e e lw e r ea n a l y z e d u s i n gb l o c kd i a g r a m t h ea u t h o re l a b o r a t e do nt h e r u n n i n g c o u r s ea n ds t e a d yf a c t o r so f t h e t i l t i n gg a t e t h e nt h ei n s t n n t a n e o u sr u n n i n gc e n t e ri n t h er u n n i n gc o u r s eo ft h et i l t i n gg a t ew a s b r o u g h tf o r w a r d ，a n dt h et r o c h o i do f t h ec e n t e rw a s d e s c r i b e d a n dt h e nt h eb a s i cb a l a n c ee q u a t i o n si nt h ec o u r s eo ft h er u n n i n go ft h eg a t ew e r e a n a l y z e da n ds t u d i e d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h et h e o r y , t h ea u t h o rs t u d i e dt h es t a t i cs t a t es t a b i l i t yo f t h eh 3 7 d r a u l i c a u t o m a t i ct i l t i n g g a t ew i 也c o n n e c t i n gl e v e ra n dr o l l i n gw h e e l o nt h eb a s i so ff e e d b a c k c o n t r o l ，t h ea u t h o ra n a l y z e dd y n a m i cb a l a n c ep r i n c i p l eo f t h eh y d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n gg a t e ， t h e nw o r k e do u tt h es t a b i l i t ya n a l y s i sp r o g r a mo ft h eg a t et o a n a l y z et h es t a b i l i t yo ft h e h y d r a u l i c a u t o m a t i c t i l t i n gg a t es y s t e m s o t h e h y d r a u l i c a u t o m a t i c t i l t i n gg a t e w i t h c o n n e c t i n gl e v e r a n d r o l l i n gw h e e i c a ne n s u r et h es t a b i l i t yo f i t s e l f ( 3 ) t h ev i b r a t i o nt y p e sa n dp h y s i c a lc o u r s eo f t h et i l t i n gg a t ew e r ee l a b o r a t e d ，t h ec a u s e s o fa l lk i n d so ft h ev i b r a t i o nw e r ea n a l y z e d a n dt h e nt h ec o r r e s p o n d i n gs h o c ka b s o r p t i o n m e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so ft h eg a t e ，t h ea u t h o rp u tf o r w a r da m a t h e m m i c a lm o d e lo ft h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h eh v d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n gg a t e ，a n d t h e nw o r k e do u tt h es t r u c t u r a l s t a b i l i t yo p t i m i z a t i o nd e s i g np r o g l a m o ft h e h y 出a u l i c a u t o m a t i ct i l t i n gg a t e t h e nb yt h ec a l c u l a t i o no ft h ep r o g r a m ，ab e t t e rd e s i g nf o rac e r t a i n p r o j e c tw a sg a i n e d ( 4 ) t h er u n n i n gs t a t ea n dh y d r a u l i cp r o p e r t yo f t h eh y d r a u l i ca u t o m a t i c t i l t i n gg a t ew i t h c o n n e c t i n gl e v e ra n dr o h i n gw h e e l w e r ea n a l y z e d 1 1 1 eo p e n d o o rc u r v e s t a r t - u pw a t e rl e v e l a n ds h u t d o w nw a t e rl e v e lw e r ea s c e r t a i n e d ，t h e nt h ei n f l u e n c eo fl o w e rr e a c h e so faf i v e rt o t h er u n n i n go fat i l t i n gg a t ew a sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ed i v e r s ec u r r e n ts t a t eo fat i l t i n g g a t e ，t h ef l u xe a l c u l a t i o np r o g r a mw a sw o r k e do u tt oc a l c u l a t et h ef l u xa td i f f e r e n tc u r r e n t s t a t eo f t h eg a t ea n dt op r o t r a c tt h ec u r v e so f f l u xt ou p p e rr e a c h e so f t h e g a t e k e yw o r d s ：h y d r a u l i ca u t o m a t i ct i l t i n g s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n a g a t e g a t ef l a p p i n gd y n a m i cc o u t 苫es t a b i l i t y s t a r t - u pw a t e rl e v e lo p e n - d o o rc u r v e f l u xo f 第一章绪论 第一章绪论 1 1 水力自动翻板闸门的发展概况 水力自动翻扳闸门是借助水力和重力作用，在一定的水位条件下，随羲水位 的变化自动启闭的一种自动化闸门。闸门在开启时，有如翻转倾倒之势，因此就 被稼之为“熬投凌门”。这类溺门常瘸予拦海溺土，在歪鬻蓄零使鬟孪，阕门关闭 拦篱河水，起到瘫高水位的作用，以满足灌溉、发电和航运的需要。当上游洪水 爆发或来水量增加，上游水位抬高时，闸门能自动地开扇，及时地从闸门的顶部、 纛帮同露嶷灌滚承，确镲上游农匪帮两津兔受淹没。铸上游承锭降落戮一定程度 时，闸门自动关闭，冀新拦繁河水。 水力自动翻板闸门在国内外已商较长的应用历史。在国外，翻板闸门很早就 筏瘸子溥渠静节麓阉、渠道的簿求鬻、东瘁鹩溪滋溺蠢鞭农稻筑豹冲诊阕上，在 防洪、发电、灌溉、供农等各类工程中得到了一寇的应用。但啦予早期f 1 型孬在 的问题较多，一度未引起工程技术人员的激视，缀从十九世纪初期就开始运用， 毽楚一壹没有缀大发袋。在我国，献上个激纪5 0 年代戳柬，交通航运和水稠部 f - j x c 水力自动翻板阐 1 歼始遂行了广泛丽长欺鲍试验磅究霸王程实践。因此，我 国的水力自动翻板闸门发展较快，在防洪、灌溉、发电、航运、供水等各类工程 中得到了越来越广泛豹应溺。到6 0 年代中籁，佼沿蔼的国内外的古老门塑在门 体结构、毒季料应用以及闻门瓣工搏愿理等方囊骞嬲突破。7 0 冬代初期，我圈开 始陆续涌现了一批新型的水力自动翻板闸门。这些闸门在结构烈式和调节性能以 及运行方斌上郡有较大发展。到了8 0 年代，连轷滚轮式水力囱动翻板闸门的出 瑷傻翻投阀门敕缝橡鹫式帮调节性辘淤及送行方淡更热宠善了。以下对瘩力彝动 翻扳闸门的门型发展加以概述。 1 1 1 单铰翻板闸门 6 0 垒譬代初，单支铰翻板阐门( 冤图1 1 1 ) 逐渐建成使用，其支铰安鬣在门 囊竣l 忿处，姿上游承健寒越过门璎眩，阙门壹立挡东，当水键超过门顶一定僮 时，闸门自动开启，然后卧倒在与水平面成角度的位鼹上：当上游水位下降到 某一定值时，闸f - j 贝j j 自动关闭，重新直立挡水。 涮海大学颤士学位士龟文 ： 第一章绪论 降低到正鬻挡水位的5 0 左右，闸门才能自动回关，蓄水爨和水头损失较大；( 2 ) 每扇闸门需要用两个油愿减震器，这种装置结构复杂，要求的机械加工精度高， 不荔涮俸，残本落高，缭穆氇缀麻颓；( 3 ) 闸门程全开澄洪，簸于淹没出流耩幸， 在上下游的蔡一水位差魏国内，会出蕊f 1 时爱复拍凌支墩、拍埔f l 体的现象( 郑 所谓的“拍打”) ：( 4 ) 漂浮物释易卡铰。但此门型的设计把闸门的启闭过程分成 两步进行静实蔑缀验，为潋后的多铰辅葡板阐门的应用奠定了鏊础。 豳1 1 2 取铰轴加油蕊躐震器翻板闸门 l 一上轴；2 一下轴；3 一油腻减震嚣：4 一带肋面板：5 一生梁 1 1 3 多铰轴翻板闸门 为了避一多泼善阉f 1 静调节性髓，减小并门翁上游承往豹壅高鞠关门蓊上 游水位的降落，保证阐门安全运行，窍人在双铰翻投阕门的基础上，对阉f 的构 造做了进一步的改造，设计出多铰轴翻扳闸门( 见图1 1 3 ) ，它县有多个铰轴位 和歼度，褥离了闸门的调节精发，使闸门髓涎水位的涨落丽逐渐癌溺，既能调节 过阕滚量，又能避免阐门突嚣、突关掰g l 起敬震动或撞毒。 豳1 1 3 多铰轴翻板闸门 l 一铰轴；2 一辘糖藏；3 一嶷墩立较；4 一支褪；5 一上吝铜麓 混凝空心土面板：6 下部钢筋斌凝士实心面板；7 一纵梁 一俪圳 河海大学硕士学位论文 多铰翻板闸门的构造特点是在门体后加框架式支腿，支腿后设商铰座， 铰座上设置有倾斜的轴稽座，轴稽座上又具蠢与铰轴相应的轴稽。阉门的工作琢 理露榉是力矩孚撵，毽是阕门敷囊耀过程为遂次熬铡或逐次关 l 】。著逐次支承予 不同的铰位的过程。这种闸门的优点怒：闸门能逐次启闭，与单铰、双铰翻板闸 门相比，开门前水位壅商和关门时永像降落均较小，永位控制 e 较准确。取消了 淮嚣躐震器等。 1 1 。4 曲线铰式翻板闸门 单铰翻板闸门向多铰翻板闸门发展的研究与实践证明，多铰翻板闸门的调节 性能眈单铰好，自较灵敏遗以多种开发来适威上游永位酶变纯，使闸门基本实魏 逐澎西痘嬲逐灏关耀。识是多铰翻扳阉门鹃支疆、铰鞋及轴螬浆结构摆当复杂， 铰座的防污问题肖待解决，调节的精度也有特提高。为了解决多铰翻板闸门的不 足，设计者用一完整的曲线形铰代替了多铰的作用，并取消了门叶后的支腿，肽 瑟设诗塞麴线铰式爨叛潮门( 强蚕l 。l + 4 ) 。 图1 1 4 曲线铰式水力自动翻板闸门 l 一阕门秘髂；2 一霾叛基馥支窿 3 一链豢支窿嚣；4 一虿调螺捡：5 平鬻配重 曲线铰式翻扳闸门与多铰相比，不仅结构简单，造价低廉，施工、维修方便， 而且开门前f 回前水位的寝商德较低，辩傈护上游农田超了很好的俸用。从巍线铰 式翻援阑溜魏运行实践米善，焱下游痰爱较低、缳话童杰出滚熬条转下运爆楚比 较成功的，因此曾一度受到工程技术人员和群众的欢迎。但由于其随遇平衡的工 作特点，使闸门抵御外来干扰力的能力较茇，如波浪、动水压力、下游水流的紊 动等帮哥能使阕f j 改交湃度使鬟，麸嚣嫠阕门产生来强撄动徐开绽关，甚至墩有 “撼打”现象，严重时会使闸门及闸底坎遭受破坏，这在淹没出流情况下尤为严 毒 第一章绪论 重，因此一般只适用于自由出流的情况。此外，这葶中闸门型式漏水较严重。 1 1 5 连杆滚轮式水力自动翻板闸门 为了克服曲线铰式翻板闸门随遇平衡的工作状态，减弱或避免闸门的“拍打” 瑗象，谨阕门戆夔簧门 l 誊承整懿变纯嚣鑫露壹| 羹逐灏开雇或关阕，人词又开始了精 的尝试。在8 0 年代初，连杆滚轮式水力自动翻板闸门闻擞。该闸门由蕊板、支 腿、支墩、导轨、滚轮、连秆等部件缀成( 见图1 1 5 ) 。 圈1 1 ，5 连杆滚轮式水力自动翻扳闸门 连秆滚轮式水力自动翻税漓门是稠焉力矩平衡原理，在重力、水压力的作 曩下，睫水位( 采水量) 熬交饯恧实现激开、濒关豹一静毅型水力臭动阕门。与 以往的单铰乃至多铰翻板闸门相比，谶杆滚轮式翻板闸f j n 用连杆的阻尼作用， 傻闸门的稳定性有了极大的改善，这种闸门的连秆、滚轮的尺寸大小和位置设置 褥当时，基本不会发生撩努现象。 连杆滚轮式水力自动翻板闸门在启闭过程中，门叶完全由逡杆和滚轮支承， 连秆、滚轮的尺寸大小和位置设置得当时，门叶的磷时转动中心( 以下简称瞬心) 睫f 跨离开寤方两转动两门顼方囱移麓，或涎门跨羯关阙方彝转动囊门魔方羁移 动。当上游水位升高，水压合力增大且重力与水压会力作用线高于瞬心时，产生 转动力矩使门时向开启方向转动，随着瓣心t 移使水压转动力矩减少，对于菜一 痰经，当门时转动鬟菜一特定佼嚣，傻征辞转麓熬鬻隧力怒与穗瘫蕴鬟麴转动力 矩平衡时，门叶将稳定子特定位嚣或开度。同样在关闭过程中，幽于上游水位下 降，踅力与水压合力作用线低予瞬心，形成使门叶向关闭方向转动的转动力矩， 当f j 许转动到菜一特定德嚣，门跨转动静摩隧力艇与稠藏位置豹转韵力矩平衡 潮海丈学颟士学戡论文 时，门叶将稳定予此特定位墨或开度。囊予实际工援的出使涨落都经历一定的瓣 程，因而门叶的开度能平稳地随着水位的变化而变化。因此该闸门除了具备多支 铰闸门水位控制准确的优点矫，在鳃决闸门运行稳定性这一难题上取得了较大进 震，褥到了较挟的撰广盛题，楚国内聪裁应耀比较广泛懿一秘门型。 多年来的经验证明迄杆滚轮式水力自动翻板闸门在各类水利工程中的应用 是成功的，发挥了很好酌效益。如广东怀集县大浪湃电站安装了1 1 扇8m x 4 m 连抒滚轮式东力叁凌翻投阕门，罐挺了调节瘁套1 8 0 万m 3 ，减少淹没缝缝4 h 蠢， 年增加效益8 0 万元，而它的总投资为1 2 3 5 万元，与同等条件下的平板钢闸门 方案相比，减少投资1 0 8 2 万元，平板钢闸门方案的总造价为2 3 1 7 万元。翻扳 潺门尺寸较大，裁在较大浆天然溺遂孛应躅，鲡广东龙门葵花终农毫鏊耀埂，蒸 门型亦为连杆滚轮式水力自动翻板闸门，单扇闸门尺寸达到5 m ) ( 1 0 m ，于1 9 9 t 年9 月投入运行。设计者经过方案比较，水力自动翻板闸门方案总投资1 4 0 万元， 毖蔽澎锶阉f j 方案蒂绞投资3 3 ，曼熬板瓣门方案晓镪阕门方案还霹躐少淹没 农田6 2 6 h m 2 。 1 2 研究熬曩的秘意义 连释滚轮式承力童霸翻扳鬻门豹国现，镬我国水力鑫幼糖板麓门进入了一个 新的时期，阐门的运萼亍再也不是一次翻倒( 戴关闭) ，恧怒逐濒她开启或关闭， 运行j 殖程中几乎没有撞击力。总的来说，连杆滚轮式水力自动翻板闸门具有自 动寤闭、运行可靠，结褐筒单、造价低廉，上游壅裔承位鞍小，施工预制定整亿、 标准化( 可正厂生产) ，繁理方馁，运行维修赞鼹少，且利于搀沙等优点。姆测 是在山区河流水土流失严重的地方，把固定陂改建为连杆滚轮式水力自动翻板闸 f j ，除了稀沙效栗好外，还能辩决上游的淹没、淤积损失，提离建筑耪的兴利水 位。毅魏，瓣连糕滚轮式瘩力叁动魏投闸门进行稳突性分毒跨帮缝擒优化，镬霉它 不仅能更好地应用于各类水利水电工程中，而且能广泛应用于航运工程、城市环 境保护、自然景观藏其他相关工程中，将会对杜会豹发展和生活环境的改善有着 重要慧义： ( 1 ) 探索水利工程设施自身自动化，协调社会的发展。自动化是科学技术 的重撰内容，水力自动翻板闸门贝f j 是水利工程实现自动化运行的一项重要设备。 6 第一章绪论 在我国目前的条件下，在能源日益匮泛的今天，瑟对广大农村机械化期电气化程 度不高的现象，中小型水利工稷中广泛采用水力自动翻税闸门来实施水量和水位 控麓，无谂放鑫渤纯静禽义帮节能静角度，还是飘节省工程投瓷的角瘦来看，都 是威该优先考虑祁采纳的。 ( 2 ) 实现管理自动化，提高安众生产水平，改善劳动条件。自动化灌溉与 捧求酃是农盈瑶代纯内容之一，磊裁在整赛上许多国家广泛实行，东力自动化不 仅可雌大爨节省锻理人员，聪鼠能够会理她利用水疑源，适时邋量地遂雩亍灌、摊， 达到节约用水( 或排放余水) ，节省成本和费用的目的，同时提高了科学管理水 平。我国j 童去有徽多小麓永利工程采蹋平投闸门，用人工搡级螺秆癌闭，每逢降 雨蛰理人爱剥需奔赴现场，及时担 放洪水，有不少工程电子操佟不及时，或阙繁 重紧张的体力劳动，致使一些人员伤残，或农田受淹损失严重。因此，水力自动 韶板阉门的技术开发深受求剽工程管理入受的欢遍。 3 ) 改善城镇环域矮量，挺进被会生拳走窿嶷缝缀强。剥翅农力鑫动瓤投 闸门在城区主河道上建造人工湖，排、蓄兼顾，可太大改善城区环境质量。广东 佛闰县在原来的低顼上装设水力自动翻板闸门，抬高了水位，建成了人工湖，不 仅磷默羲 、蓄兼鼷，菸决县城貔洪安全，露慧美纯了县城环境，改善了丞城秘境 质爨。因此，对水力自动翻板闸门进行稳定性分析和结构优化，既有理论提简意 义，又有实际应用价值。 1 3 问题的提出 水力自动翻板闸门因其能随水位涨落而自动启闭，结构简单、造价低廉，剥 于排沙等优点，在兼有薷泄任务的备类水利正程中得到广泛应嗣，并产生了很好 静缀济效豢。与鼗嚣对，本力耋动释叛溺f 1 迄存农傻褥关注戆一些不稳定现象， 如闸门的频繁摆勘、“拍打”，水力现象较为复杂。所谓的“拍打”是攒闸门失去 稳定，绕支铰作周期性的运动，拍击赢墩和底坎的现象。这种现象在以往的翻板 阕门工程串茏萁建擎铰乃至多铰酶叁动翻投闸门蛰多有簸生，“稽抒”严重时， 闸门剧烈撞击支墩或底坎，可能导致闸门、支墩或底坎结构的毁坏，怒影响阙f 1 安全的控制因素。但是网前人们对闸门发生“拍打”的机理尚不完全清楚。因此， 有必要全灏分析丽门稳定性的彩响溺索，并通过淫论分析来搽讨闸门稳定辛生特 7 拇海大学颁士学位论文 征r 阈黠对翻扳闸门发生“拍打”鲍瑗象进行分板磺究，鞠确形成“撼打”懿条 件，并提出有效措施避兔或减弱“拍打”。 另舞，黼板阉门开窟看，门顶及下部孔嗣同时亍| i 水，水力现豫眈鞍囊杂，既 非绝堰滚，瞧菲缒孔日泄漉，f l 爱空黢内掺均套东跃理象，底手l 墩滚甄受门联下 泄水流的影响，也与下游水位有关，并受空胶f q # i - 水跃的影响，此外，底部孔网 的淹没又可辩门顶澄流产生反馈作再。因此，翻板阔门的泄流计算比较复杂，需 要按溅态进行分椽计算，弱时，水渡慰秘扳阕门运抒稳定羧麴影魏也摄大，嚣耍 全面分析闸门稳定性的影响因索，并通过理论分析来探讨闸门稳定性特征。 1 4 本文的主要内容 零文缝会“连抒滚轮式本力霆动蘸叛阀门戆结构位化设计”摹喜碜 矮弱拜震辑 究，其中连杆滚轮式水力自动翻板闸门是利用力矩平衡原理，在煎力、水压力的 作用下，随水位( 来水量) 的变化而实现渐歼、渐关的一种新型水力自动闸门。 本文叛连柽滚轮式水力舞动爨教阕炙必圭要磷究霹象，锌瓣该类黧熬嫒瓣门在运 行过程中可能出现的一些不稳寇现象，如翻板闸门的频繁摆动、“拍打”、水力现 象比较复杂镣，通过理论分析来探讨翻板闸门系统的稳定性，并对其运幼机构连 努、滚轮懿必寸大夺蠢像嚣避露貔纯，戳握嵩凝板辩门静遮雩亍稳定链。主要磅究 内容包括： ( 1 ) 在阅读文献资料的基础上，对连秆滚轮式水力自动翻板闸门的运动理 论进行分褥帮疆究，详缭分柝了懿扳黼门静运动辘遮、工作原理鞫运转梳理，探 讨瞬心坐标的推导过程，绘出了闸门农运行过程中的瞬心轨迹线。 ( 2 ) 根据静态平衡理论分析研究连杆滚轮式水力自动翻板闸门的静态稳定 往。在反馈控涮理论綦础上，建立承力自动熬顿阐f j 调节辩的数学模受，分轿探 讨了水力自动翻投阀f 1 的动态乎臻原爨，共投握水力自动翻扳阕门魄动态过糕， 编制闸门运行稳定性分析程序，筲重对水力自动翻板闸门系统的动态稳定性进行 分析和研究。 ( 3 ) 将惩门援运行过程中霹能出瑗载掇动及其壤理过程分成三类，馨微旗 随机振动、不稳定振动和“拍打”。对备自发生的原因及其危害进行了具体的分 析和探讨，并针对各种掇动类黧提出了相应的减振措施。 第一章绪论 ( 4 ) 建立连杆滚轮式水力自动翻板闸f 1 优化设计的数学模溅，以闸f 的最大 开魔与设计全开角度之麓最小为目标函数，编制了相应的计算程序，对闸门的连 秆、滚轮鹣尺寸大夺和使莺等进行德亿，定出阉f j 稳定髋荮、抗“拍打”锈力强 的合理结构尺寸。 ( 5 ) 分析阐述了连杆滚轮式水力自动翻板闸门的工作状态和水力特性。推 求壅翻教瓣门静瘸门承证、开门螽线秘圈关求位。分析研究了下游水佼对翻扳闸 门运行的影响。针对下游水位较高愦援下鸯可能出璁“挞打”瑷象，采取奏效措 施，使闸门受到阻尼减弱或避免“拍打”。分析了翻板闸门的各种流态，给出不 同流态的流董计算公式，并编制出遥闸流堂计算程序。 9 河海大学硕士学位论文 第二章水力鱼动翻扳闸门的运动理论分析 2 i 运动辘邃与坐标转换 涟轷滚轮式农力鑫动繇缀瓣门由嚣缀、支褪、导辕三帮分组成，连桴、滚轮 楚它鹃运动瓤构。若绝魏板闸门篱纯成乎面阏题研究，敬静艇标系是一z ，缩构 体系的位置用8 个特征点表示，箕中点7 为静坐标原点，x y 为动坐标系，点 4 为劾坐标原点，动坐标系与翻板闸门同时转动，】，轴与导轨平行，如图2 1 1 所示。连杆绕固定的后支点( 即点8 ) 转动，翻板闸门结构体绕连杆前支点( 即 点4 ) 转动，同时翻板闸门结构体上的导轨与滚轮相切耐移动。开始闸门处于全 关闭状态，当洪水达到设计的好门水伎时，翻板闽f 在水鹾力的作用下皂劫开廖， 水位上涨，开度逐澎增大，羹到全开。洪水圜落到一定承位烈在瓤扳耀门蹇黧懿 幸# _ 鼙j 下鸯动鼷关。 萄2 i 1 连秆滚轮式翻税闸门的平面翻 由图2 1 1 可知，翻板闸门高为h o ；滚轮半径为r 2 ；连秆长为l ；滚轮与导 鞔穗镯，连抒蘸支煮到滚轮与导软豹甥线静鏊壹距离r 3 ；滚轮爨心点7 至y 辘 的垂短距离为砌，r o = r 2 + r 3 。 第二章水力自动翻撒闸门的运动理论分析 扶图2 1 t 可知，黼缓闸门结穗谇在运行过程产生复合运动，是翻板闸门 绕涟秆前支点转动，二是连杆前支点本身又绕连杆后支点转动，构成刚体绕平行 轴转动的合成。在这种复杂的运动中，许多点遂动位置不易确定，但连轩前支点 的送动软迹却察易确定：它绕点8 的转动，同时始终在y 戢上，就是滋点4 ( z 。， 圪) 同时满足两个条件绒者说罴两个方程，第一个方程楚圆，圆心是连杆后支点， 半径是连杆的长度三，即 ( 裂4 一憋) 2 + ( z 4 一z 8 ) 2 = 上2 ( 2 + 1 1 ) 第二个方程根据导轨与滚轮相切的条件导出。翻板闸门的初始状态为关闭状 态，开始启动后，闸门向下游转动，闸门歼度阁闸门面板的倾斜角( 即面板与z 轴的夹角) o 表示，o 的大小由动坐标轴y 轴与静坐标轴z 轴的夹角中决定，o = 由一孛a ，毒a 为甄板乓y 辘嬲夹建，蝣必连楞与z 轴夹角。在静坐据系趸一z 坐标系中，点7 与y 轴的躐离为，0 ，如图2 1 1 所示，由几何关系得 一z 4s i n 套= k 4 c o s 毒 ( 2 1 2 ) k 4 = k 8 + 三s i nr ( 2 1 3 ) 乏= z 8 一l c o s 垂r ( 2 1 。4 ) 由( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 ，4 ) 式联立求解得： 巾，；a r c s i n 垒驾型+ 咖 t 5 ) 出( 2 。l 。3 ) 、( 2 1 。4 ) 式珂鞋求褥整、曩缒毽。 确定了动坐标暴煮鹩运动位譬看，可幽萄中静凡何关系褥到动、静坐标系 的换算关系： k = x c o s 由一y s i n 由+ k 。 ( 2 ，l 。6 ) z = x s i n 4 ) + y c o s + z 。 ( 2 1 7 ) 2 2 1 工作原理 2 2 工作原理与运转机理 河海大学硕士学位论文 水力自动醒檄闸门一般是利用力矩平衡的原理进行工作的。水力强动翻板 闸门的工作状态，可分为静态和动态两种。所谓静态，是指翻板闸门在某一开度 上静疲不动，终鬃嶷嚣援淹门上瓣各个力褥箴一静定平衡力系酌状态。黼板丽f j 处于静态时，闸的上、下游水位稳定不变，闸下出流量为鬻量。泼水位变化时， 翻板闸门的开度也随之改变。翻板闸门随水位变化从某一开度过渡到另开度的 过程，穆之为魏投游门熬渤态：j 妻程。楚于动态过程之中运韵着静翻叛阉门，佟翔 在门上的各个力是变化的，丽虽并不平衡。 根据翻板闸门在静态时门上各个力的大小和它们之间的相曩平衡关系来分 耩释顿阕 j 豹工作状态。称之为翻板辩门静静态工豫覆理。穰据黼扳闻门在运动 过程中所受的力和这些力在运动过程中鲍变化，来分析翻擞闸门谯运魂过程中粒 工作状态，称之为翻板闸门的动态工作原理。实践证明，一个性能良好的水力自 动翻缀淹门，不僵要求在静态辩门上佟用力簧互相平衡，黼且在动态中也要保证 翻板阍f l 能乎稳地从一个黪止状态过渡烈男个静止状态。 连杆滚轮式水力自动翻板闸门在扁闭过程中，门叶完全由遴杆和滚轮支承。 这种翻板阉门的连杆、滚轮的尺寸大小和位鬣设置褥当时，f j 升的瞬时转动中心 ( 以下筠臻溪心) 缒隧一时是嚣痘方囱转动囱门瑗方囱移溯；毙陡门时囱关翅方 向转动向门底方向移动。当上游水位升高，水压力增大且羹力与水压力的合力作 用线商于瞬心时，产生转动力矩使门奸向开扁方向转动，随着瞬心上移使水压力 产生鹣转动力矩减少，霹予莱一零位，当门咛转魂劐某一姆定爱曩，镬门咛转动 的摩隰力矩与相应位置的转动力矩平衡时，门叶将稳定于此特定位置或开度。同 样在关闭过程中，由于上游水位下降，熏力与水压力的台力作用线低于瞬心，形 戏疆门寸是关阙方蠢转魂豹转韵力矩，警门时转动爨菜一特定位黉，门时转秘豹 摩阻力矩与楣应位疑的转动力矩平衡时，门叶将稳定于此特定位鼹或开度。出于 实际工程的水位涨落都经历一定的时程，因而门叶的开度能平稳地随着水位的变 亿丽嶷往。 2 2 。2 瞬心软遗线的推求 一般情况下，在平灏图形中，每一瞬时都唯一存在者速度等予零的点，该 点称为平面闰形在此瞬时的瞬时速度中心，简称速度瞬心。速度瞬心可以在平面 盈形淘，氇霹以在平瑟鹫形以嚣，盈逮度瓣心静位鬣遣不怒莺定不变豹，两是随 第二章水力自动翻板闸门的运动理论分析 着时间变化的。前面提到的连抒滚轮式水力自动翻扳闸门的瞬时转动中心( 麓称 瞬心) ，就是在翻板闸门的运转过程中，每一瞬时速度等于零的点。以下推求连 轷滚轮式农力鑫凌蘩投阉门韵瓣心。 豳2 2 1 连辊= 滚轮式翻扳闸门的平面豳 把翻板闸门简化戚平面问题研究，如图2 2 1 所示，设在图示时刻，取静坐 撂系爱一z ，煮7 为坐标原熹，取动坐标系菇一y ，点4 隽坐糠覆熹，动坐稼系 与翻板闸门同时转动，y 轴与蹲轨平行。逢杆绕固定的谶杆后支点( 即点8 ) 转 动，翻板闸门结构体绕涟杆前支点转动，门体上与点4 对应的点41 绕点8 转动， 嚣辩熬扳麓门结擒俸土匏导孰与滚轮程韬磷穆动，设熹e 为警辘与滚轮豹矮融 点，点c 与点7 的连线始终熏直于y 轴。 已知玛：0 ，z 7 ：0 ，越、五，并且有咖，：a r c s i n 生二玉墅粤二型十巾， 厶 m 为，轴与z 轴的夹角，由，为连杆与z 轴夹角，三为连杆长，为滚轮圆心点 7 至y 轴豹垂直耀离，r o = r 2 十吒。 菇j 门体静运动规律可知：点44 豹速度矢量k 垂直于连秆所在的赢线刑 点c 豹逮凌矢量平 予于导辘所在赢线毛。，直线三4 8 与三。董不平行。由于图 形：饪一点辨速度方是必矮垂轰予该点与邃菠瞬心瓣连线，毽鼗通过4 、c 两 点分别作速度，、k 的垂线，即厶。、& 出，则此龋垂线驰交点5 即为图形在此 3 河海大学坝士学位论文 瞬时的速度瓣心。 在静坐标系世z 中，k 的方程为： k = - t a n q b r z + ( 甄+ z 8 切i i l m r ) ( 2 2 1 ) 三。的方程为： 足= 皇一 ( 2 2 2 ) t a n 中 联立( 2 2 1 ) 、( 2 。2 2 ) ，胃求褥交赢5 鹣坐标： 謦，一l k s + z 8 6 r q 泄，引起门前水位暂时 壅高肌从而使门前水压力增大，相应地作用于闸门上的力矩也增加一开门力 矩m * 。当m * 大于摩擦力矩时，闸门的开度有一增量e ，闸门进入新的 状态。其开度为o + 0 ，相应有一泄量的增量a q ，如果上游来水量不再变 化，在新的状态下闸门是否稳定并维持新的上游水位，取决于以下两个条件： ( 1 ) 来水量与泄水量是否相适应。如果来水量与泄水量相适应，即9 一 a q = q 泄+ q 泄，也就是q * = q m 使新的开度与新的来水量相适应， 闸门仍维持月t 不变，处于稳定运行状态。如果n q * qm 使新的开度与新 的来水量不适应，则自动调整开度或影响上游水位，重复前面的过程。 ( 2 ) 下游水面的衔接是否合理。下泄量增加后，对于不同的流量，下游有 不同的水位情况，就可能出现不同的水面形式。一般来说，如果闸下是自由出流， 下游水位不会反馈于闸门，对闸门的稳定性基本没有影响。但如果是淹没出流或 者是波状水跃或者门顶水舌与下部孔流水面间形成负压则都有可能使紊动的水 流波及闸门，影响泄流，从而反馈于闸前水位。 需要说明的是，当开门力矩增量m ，小于摩擦力矩时，闸门的开度不变化， 闸门是否稳定，仍取决于来水量与泄水量是否相适应和下游水面衔接是否合理这 两个条件。 当上游的来水量减少时，与来水量增加的分析类似。 2 3 运动分析 连杆滚轮式水力自动翻板闸门在运行中受的作用力有：门重，门叶上游 面、下游面、底缘和顶缘所承受的水压力合力e ：、只。、只、最，滚轮的支承力n ， 连杆的内力l 以及滚轮与导轨间的综合摩擦力f 。翻板闸门的受力图见图2 , 3 1 。 按照作用于闸门上的各力相对于转轴的合力矩平衡原理进行分析，水力自动翻板 闸门应能保证在预定的水位条件下，闸门在各个开度上都能自动地保持平衡。 1 6 第二章水力自动翻板闸门的运动理论分析 倒2 3 1 连杆滚轮式水力自动翻板闸门的受力豳 2 3 1 基本平衡方程 当门叶在某一开度0 ( 由一由一) ，处于平衡状态时，其平衡方程为： k = 0 ，即： 一( 鼻2 一b 4 ) c o s ( 由一由_ ) + ( p 6 一g ) s i n ( * 一中月) + n c o s f f + f s i n d p t s i n q b7 = 0 ( 2 3 1 ) z = 0 ，即： 一( 只2 一只4 ) s i n ( 巾一巾) 一( 只一p o c o s ( , l , 一巾 ) + n s i n q b f c o s 巾 + t c o s f f r 一矿= 0 ( 2 3 2 ) 对滚轮与导轨的作用点求矩，肘= 0 。即： 只2 ，1 2 + 只4 ，3 4 + 只，5 一只一阡7 7 + t l r = 0 ( 2 3 3 ) 式中： 置：、b 。、墨p 6 一门叶上游、下游、底缘、顶缘所承受的水压力的合力； 中一y 轴与z 轴的夹角： 巾。一y 轴与门叶上游平面的夹角： r 一连杆内力； 中，一连杆与z 轴的夹角； l7 河海大学硕士学位论文 一门体自重： k 、，妒0f 6 一只：、b 。、只、只作用线至滚轮与导轨的作用点的距离。 只：分解成三角形部分弓和矩形部分b ，b 。分解成三角形部分只和矩形部分 只，设f l 、f 2 、f 3 、z 。分别为昂最、只、只作用线至滚轮与导轨的作用点的距离。 2 3 2 闸门所受的力及其力矩计算 ( i ) 上游面板水压力 当上游水位坐标乙大于闸门上缘点坐标z i 时， 1 只= 去y ( z l z 2 ) h o b ( 2 3 4 ) ，。= ；( z ，+ 2 z ：) c 。s ( 由一由) 一；( 足。+ 2 k ：) s i ! n ( e p 一中。) 一_ s i n 巾。 ( 2 3 5 ) b = r ( z 。一z 1 ) b ( 2 3 6 ) 2 吉( z + z 2 ) c 。s ( 巾吨) 一圭( 即蚴s i n ( 由吨) 一删n 中。 ( 2 3 7 ) 其中、口分别为面板高度和宽度。 当上游水位坐标乙小于闸门上缘点坐标z l 时， 1 只= ：，( z 。一z 2 ) 2 b ( 2 3 8 ) b = 0 f 239 ) ；( 孙2 2 2 ) c 。s ( 巾 ) 一( k ：一；( z - z 2 ) t a n ( 中吨) ) s i n ( 审吨) 一删n 中。 c o s ( 由一由) ( 2 ) 下游颟板水压力 当下游水位坐标z d 小于闸门底缘点坐标忍时， 只= 0 ，只= 0 当z 2 z i 时 f 3 ：昙( k 。+ 2 k ：) s i n ( 由一由。) 一；( z ，+ 2 z ：) c 。s ( 由一中。) + r 2s i n 中。 jj 只= r ( z d z 1 ) h o b = 丢( x 。+ k ：) s i n ( 中一巾。) 一l ( z ，+ z ：) c 。s ( 由一中。) + 吒s i n 中。 ( 3 ) 底缘水压力 ( 2 3 1 3 ) ( 2 3 1 4 ) ( 2 3 1 5 ) ( 2 3 1 6 ) ( 2 3 1 7 ) ( 2 3 1 8 ) 在自由出流时，底缘水压力很小，一般可以忽略不计，在淹没出流时，由下 式计算： 只= x ( z d z 2 ) b o b ( 2 3 1 9 ) f 5 = z 2 s i n ( 巾一巾月) + k 2 c o s ( 由一由) 一c o s 由一粤 ( 2 3 2 0 ) 其中，6 0 为闸门上缘或底缘宽度。 ( 4 ) 上缘水压力 只= 一x ( z 。一z 2 ) 6 0 b ( 2 3 2 1 ) f 6 ：z l s i n ( 中一书) + 足l c 。s ( 巾一巾月) - ，2c o s 巾 一- = b - 0 ( 2 3 2 2 ) ( 5 ) 连杆内力 因为在稳定性分析中忽略机械摩擦力的影响，结果偏于安全，而且一般机 械摩擦力远小于水流的作用力，因此f 的值忽略不计，由( 2 3 1 ) 、( 2 3 2 ) 和 ( 2 3 3 ) 三式联立求解得： t ：w ，c o s 中+ ( p 6 - p ，5 ) c o ，s c ，a - ，( ，p u ，- p ，3 , ) s i n c a c o s ( 巾r 一中) ，7 = z b s i n e 7 + k sc o s 中r r 2c o s ( 巾r 一中) 1 9 ( 2 3 2 3 ) ( 2 3 2 4 ) 河海大学硕士学位论文 m r = 珥 (