（水工结构工程专业论文）水力自动翻板闸门的理论分析与实验研究.pdf

摘要 连杆滚轮式水力自动翻板闸门因其具有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”等不稳定现象本文对连杆滚轮式水力自动翻 板闸门进行了稳定性分析和结构优化设计，并通过模型试验对闸门的开启、关闭过程， 过闸流量、闸门的运行稳定进行了研究，对翻板闸门所存在的一些问题提出了一些有 效的解决方法，使得它们不仅能更好地应用于各类水利水电工程中，而且能够更广泛 地应用于航运工程、城市环境保护和其他相关工程中，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 ) 综合性论述了水力自动翻板闸门的工作原理、基本平衡方程。分析了翻板 闸门的受力情况，通过绘制闸门的开启和关闭曲线，分析了闸门运行的稳定性，并找 出影响闸门运行稳定的因素，提出一些可行的解决方法。针对翻板闸门的运转机理分 析了翻板闸门不同于普通闸门的水力特性，例如翻板闸门的动水压力和流量的计算问 题，并编制了流量计算的计算机计算程序。 ( 2 ) 针对传统的水闸设计方法不能进行方案优选的缺点，对水利自动翻板闸门 的连杆长度、滚轮半径、后支点的位置等局部尺寸进行了优化，以保证水力自动翻板 闸门能够稳定的运行。考虑到多种因素的影响，利用复合形法的优化原理，编制优化 的程序，针对6 2 5 米的门型进行优化，并分析了下游水位对闸门的运行特性的影 响。 ( 3 ) 根据水闸设计规范( s l2 6 5 2 0 0 1 ) 、水工钢筋混凝土设计规范 ( d l t s 0 5 7 1 9 9 6 ) ，论述了翻板闸门的一般设计理论，包括支座位置的确定、面板的 配筋等等，并利用有限元计算软件a n s y s 对闸门进行应力、应变分析。 ( 4 ) 针对6 2 5 米的门型，根据重力相似准则和运动相似准则，制作模型，并 进行模型实验，找出翻板闸门运行中存在的问题，并分析问题的原因，提出一些可行 的解决方法。在模型实验中，通过测量闸门的上游水位、开启角度，做出闸门实际的 开启与关闭曲线，并和理论曲线进行比较；测量闸门的过闸流量，与公式计算的流量 进行比较，验证已有的翻板闸门流量计算公式的合理性。 关键词：水力自动翻板闸门拍打稳定性 结构优化模型试验应力分析 a b s t r a c t t h eh y d r a u l i cb a l a n c e dw i c k e tw i t hc o n n e c t i n gl e v e r sa n dr o l l i n gw h e e l s h a sb e e nw i d e l yu s e di na 1 1k i n d so fw a t e r c o n s e r v a n c yp r o j e c t sa n db r o u g h t a b o u tm u c he c o n o m i cb e n e f i t sb e c a u s eo fi t sa 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 e s t r u c t u r e ，i o wc o s t ，e t c a tt h es a m et i m e ，i th a ss o m eu n s t a b l ep h e n o m e n a s 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 ds oo n t h ep a p e rm a i n l yc o n c e r n s a b o u tt h es t a b i l i t ya n a l y s i s ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h eh y d r a u l i c b a l a n c e dw i c k e tw i t hc o n n e c t i n gl e v e r sa n dr o ll i n gw h e e l s s o m er e s e a r c h e s o ng a t eo p e n i n ga n dc l o s u r e ，f l o wt h r o u g ht h eg a t ea n dt h es t a b i l i t yo fg a t e o p e r a t i n ga l s ow e r ec o n c e r n e db ym o d e lt e s t s b a s e do na b o v ew o r k s ，s o m e e f f e c t i v emeasuresw e r ep u tf o r w a r dt om a k et h eb a l a n c e dw i c k e tb e t t e ra p p li e d n o to n l yi nw a t e r c o n s e r v a n c yp r o j e c t s ，b u ta l s oi ns h i p p i n gp r o j e c t s ，c i t y e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n do t h e rc o r r e l a t i v ep r o j e c t s ，w h i c hw i l lm a k ea g r e a td i f f e r e n c eo ns o c i a ld e v e l o p m e n ta n db e t t e r i n gl i r i n ge n v i o r n m e n t t h e m a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ri n c h d i n g ： ( 1 ) t h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n db a s i ce q u a t i o no fe q u i i i b r i u mo fh y d r a u l i c b a l a n c e dw i c k e tw e r ec o m p r e h e n si v e l yd i s c u s s e d l o a dc o n d it i o n o fh v d r a u li c b a l a n c e dw i c k e twass t u d i e d ，a n ds t a b i l i t yo fg a t eo p e r a t i n gw a sa n a l y s e db y d r a w i n gg a t eo p e n i n ga n dc l o s u r ec u r v e s t h ea u t h o rf o u n dm a i nf a c t o r sw h i c h i n f l u e n c e dt h es t a b i l i t yo fg a t eo p e r a t i n ga n db r o u g h tf o r w a r ds o m ep r a c t i c a l measuresa b o u ti t f u r t h e r m o r e d i f f e r e n c ea b o u th y d r a u l i cc h a r a c t e rb e t w e e n b a l a n c e dw i c k e ta n dg e n e r a lg a t e swasd e s c r i b e da c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n g m e c h a n i s m ，s u c ha sp r o b l e m so fd y n a m i c a lw a t e rp r e s s u r ea n df l o w t h ep r o g r a m o fc a l c u l a t i n gf l o wwasm a d eu p ( 2 ) t h e r ei saf a u l ti nt r a d i t i o n a lg a t ed e s i g n i n gmeasurest h a tcann o t s e e ko p t i m u mp r o g r a m s i no r d e rt oa v o i dt h ef a u l t ，i nt h i sp a p e rs o m e d i m e n s i o n ss u c ha st h e1 e n g t ho fc o n n e c t i n gl e v e r s ，r a d i u so fr o l l i n gw h e e l s ， t h ep o x i t i o no fr e a ra b u te t careo pc i m i z e dt oe n s u r es t a b l eo p e t l a t l o go f h y d r a u l i cb a l a n c e dw i c k e t t a k i n ga c c o u n to fv a r i o u sf a c t o r s ，t h ea u t h o r c o m p o s e d p r o g r a m sf o ro p t i m i z i n gt h eg a t eo f6 * 2 5m 2i nw h i c ho p t i m a m p r i n c i p l eo fc o m p l e xm e t h o dw a sa p p l l e d ，a n da n a l y z e dt h ei n f h e n c eo f d o w n s t r e a mw a t e rl e v e lo ng a t eo p e r a t i n gc h a r a c t e r ( 3 )a c c o r d i n gt o ( ( d e s i g ns p e c i f i c a t i o nf o rs l u i c e ( s l2 6 5 2 0 0 1 ) a n d ( ( d e s i g ns p e c i f i c a t i o nf o rh y d r a u l i cr e i n f o r c e dc o n c r e t e ) ) ( d l t 5 0 5 7 1 9 9 6 ) ， t h eg e n e r a ld e s i g n t h e o r yo fb a l a n c e dw i c k e tw e r ed i s c u s s e d ，i n c l u d i n g c o n f i r m i n gt h ep o s i t i o no fa b u t s ，r e i n f o r c e m e n to ff a c es l a ba n ds oo n s t r e s s a n ds t r a i no ft h eg a t ew e r ea n a l y z e db ys o f t w a r eo fa n s y s ( 4 ) a c c o r d i n gt os i m i l i t u d ec r i t e r i ao fg r a v i t ya n dm o t i o n ，ag a t em o d e l o f6 * 2 5m 2wasm a d ea n ds o m es i m u l a t i o nt e s t s h a v e b e e np r a c t i s e d i nt h e t e s t s ，s o m ep r o b l e m si n t h eo p e r a t i o no fb a l a n c e dw i c k e tw e r ef o u n da n d a n a l y z e d ，a n ds o m ep r a c t i c a lm e a s u r e sw e r eb r o u g h tf o r w a r d d u r i n gt h em o d e l t e s t s ，a c t u a lo p e n i n ga n dc l o s u r ec u r v e so fb a l a n c e dw i c k e th a v e b e e nd r a w n b ym e a s u r i n gu p s t r e a mw a t e rl e v e la n dt h ea n g l eo fg a t eo p e n i n g t h ea u t h o r c o m p a r e dt h em e a s u r e df l o wt h r o u g h t h eg a t ew i t ht h ef l o wc a l c u l a t e db y f o r m u l aa n dd e m o n s t r a t e dt h ea p p r o p r i a t i o no ft h ef o r m u l a s k e yw o r d s ：h y d r a u l i cb a l a n c e dw i c k e tf l a p p i n gs t a b i l i t y s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n s i m u l a t i o nt e s t ss t r e s sa n a l y s i s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 渺癣 。一 矿年丘月 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：玎年a 月 日 第一章 绪论 第一章绪论 1 1 问题研究的背景及意义 现代水力自动平面旋转闸门通常是指平面闸门在水压力及闸门自重的作 用下，利用力矩平衡原理使闸门绕水平铰轴转动，而达到自动启闭的一类闸 门，工程人员形象称之为翻板闸门。水力自动平面旋转闸门在国内外运用的 历史悠久，但由于早期门型存在的问题较多，一度未引起工程技术人员的重 视和兴趣。在我国，从上个世纪5 0 年代以来，交通航运和水利部门对水力自 动平面旋转闸门进行了广泛而长期的试验研究和工程实践。7 0 年代初期，我 国开始陆续涌现一批新型的水力自动平面旋转闸门。这类闸门开始在防洪、 灌溉、发电、航运、供水等部门中得到了广泛的应用。到了8 0 年代，连杆滚 轮式水力自动翻板闸门( 见图1 1 ) 的出现使翻板闸门的结构型式和调节性能 更加完善了，使得这类闸门的应用得到了进一步推广。尤其是在一些城市中， 这类闸门可以提高水位，美化城市环境，节省人力和能源，达到一定的环保 要求，因此得到了工程设计人员的关注。水力自动翻板闸门的型式多样，本 文只针对最新的连杆滚轮式翻板闸门进行讨论。 图1 1 连杆滚轮式翻板闸门 河海大学硕士论文 连杆滚轮式水力自动翻税闸门，是利用水力学和工程力学平衡原理设计的钢 筋混凝土翻板闸门。一般设计水位超过门顶1 5 1 6 c m ，当水位超过启动水位时， 闸门便随着水位的上升而相应开启，水位上升愈高，闸门开启度愈大；水位下降， 闸门又随水位的下降而相应关闭。整个过程是随着水位的升降而相应启闭，不需 要人工和任何设备操作，其特点为： ( 1 ) 不需要人工或机械操作。 ( 2 ) 保持设计正常水位，保证了发电水头和进水流量。 ( 3 ) 闸门对泄流没有影响，堰顶泄流量相当于实用堰的泄流量，对上游有 淹没赔偿的拦河坝极为有利。 ( 4 ) 投资少，仅为常规闸门的一半左右。 ( 5 ) 施工简易，工期短，从预制构件到安装完成，平均每扇闸门仅要8 l o 天。 ( 6 ) 技术可靠，山区和平原均可用。在已建成的工程中，大多数已运行3 7 年，未出现开启失控而起不到调控水位或损坏等现象。 ( 7 ) 维修保养方便，闸门的支承部分均在门后，处在无水的状态，而且是 金属结构，所以维修非常方便。 ( 8 ) 可以改善河道景观、沉淀污物、净化水质、汛期方便冲淤。 ( 9 ) 碍洪断面小、对坝址地质条件要求低。 水力自控翻板闸门虽有以上诸多优点，但也存在着值得关注的问题，例如运 转稳定性问题、翻板闸门的铁件的锈蚀问题、漂浮物的堵塞问题、止水橡皮的磨 损与老化问题等。运转的稳定性问题，主要是闸门的“拍打”，所谓“拍打”， 就是闸门在某一水位情况下，产生反复开启、关闭，开关幅度较大、频率在每分 钟6 0 次以上的周期性摆动现象。这种现象严重时，闸门剧烈撞击支墩或底坎， 能使闸门破坏，工程失败。当翻板闸门建在山区河道上时，河道行洪时具有来势 猛、流速大、冲刷力强、漂浮物多等特点，每次洪水过后翻板闸门铰座被大量的 漂浮物堵塞，主要有杂草、树枝、树根等，翻板闸门回关时，这些堵塞物被挤 压在铰座内，致使翻板闸门回关不到位，闸门与底板之间形成缝隙，闸前蓄不上 水，汛后清除这些杂物也很困难，需要用千斤顶、吊车或滑轮组等把闸门开启起 来清除，给管理工作带来很大的麻烦，并造成较大的经济损失。正是由于翻板闸 门运行中存在着这些问题，所以有必要对翻板闸门进行模型试验研究，找出问题 的所在，分析问题的原因，提出解决问题的方法。通过不断的总结经验和设计研 究，用理论与实践来完善翻板闸门的性能，使翻板闸门的设计、施工、运行管理 提升到一个新的高度。 2 第一章绪论 1 2 本文所做的主要工作 连秆滚轮式翻板闸门优点很多，但运行中还存在一定的问题，本文针对连杆 滚轮式翻板闸门的稳定性问题，做了一些研究工作，并通过模型试验，找出运行 中存在的问题，验证翻板闸门的一些理论，以便完善翻板闸门的设计理论，进一 步推广这种类型的闸门。主要内容如下： 1 在阅读大量文献资料的基础上，综述了水力自动翻板闸门的工作原理、基 本平衡方程。分析了翻板闸门的受力情况，通过绘制闸门的开启和关闭曲线，分 析了闸门运行的稳定性，并找出影响闸门运行稳定的因素，提出一些可行的解决 方法。针对翻板闸门的运转机理分析了翻板闸门不同于普通闸门的水力特性，例 如翻板闸门的动水压力和流量的计算问题，并编制了流量计算的计算机计算程 序。 2 针对传统的水闸设计方法不能进行方案优选的缺点，对水力自动翻板闸门 的连杆长度、滚轮半径、后支点的位置等局部尺寸进行了优化，以保证水力自动 翻板闸门能够稳定的运行。考虑到多种因素的影响，利用复合形法的优化原理， 编制优化的程序，针对6 2 5 米的门型进行优化，并分析了下游水位对闸门的 运行特性的影响。 3 根据水闸设计规范( s l2 6 5 2 0 0 1 ) 、水工钢筋混凝土设计规范 ( d l t 5 0 5 7 1 9 9 6 ) ，论述了翻板闸门的一般设计理论，包括支座位置的确定、面 板的配筋等等。根据有限元计算理论，利用大型有限元计算软件a n s y s 对闸门进 行应力、应变分析。 4 针对6 2 5 米的门型，根据重力相似准则和运动相似准则，制作模型， 并进行模型试验，找出翻板闸门运行中存在的问题，并分析问题的原因，提出一 些可行的解决方法。测量闸门的上游水位和开启角度，做出闸门实际的开启与关 闭曲线，并和理论曲线进行比较。测量出过闸流量和开启角度，做出实测流量与 开启角度的关系曲线和计算流量与开启角度的关系曲线。分析翻扳闸门的流量计 算公式的实用性。 河海大学硕士论文 第二章翻板阐门的工作原理与水力特性 2 1 翻板闸门的工作原理 翻板闸门是利用力矩平衡的原理进行工作的，按照翻板闸门的工作状态，可 分为静态和动态两种。所谓静态，是指闸门在某一开度上静止不动，作用在闸门 上的诸力构成一个静定平衡的状态。此时，闸下出流量与实际需求相符，闸的上、 下游水位也稳定不变。当实际需求改变时，闸门的开度也随之改变。闸门随需求 变化从某一开度过渡到另一开度的过程，称之为闸门的动态过程。处于动态过程 中运动着的闸门，作用在闸门上的诸力是变化的，而且并不平衡。 按照闸门在静态时门上诸力的大小和它们之间的平衡关系来分析闸门的工 作状态，称之为闸门的静态工作原理。按照闸门在运动过程中所受的力和这些力 在运动过程中的变化，来分析闸门在运动过程中的工作状态称之为闹门的动态工 作原理。 2 1 1 闸门的静态工作原理 按照静态工作原理，翻板闸门在某一开度上固定不动时，作用在门上的诸力 形成一个平衡力系。当闸门处于任一开度时，作用在门上的荷载有：闸门的自重 坩，门叶上游面、下游面、底缘和顶缘所承受的水压力合力p l 、p 2 、p 3 、p 4 ，滚 轮的支承力n ，连杆的内力t ，以及橡皮侧止水摩擦力f l ，滚轮与导轨之间的综 合摩擦力f 2 。闸门各个开度都能自动的保持平衡，要求各个力对铰支座的力矩 之和为零。连杆滚轮式翻板闸门的受力图如图2 1 所示。 图2 1 连杆滚轮式翻板闸门受力图 4 第二章翻板阀门的工馆原理与水力特性 为了说明连杆的作用及阻尼原理，我们把结构体系简化成图2 2 。 图2 2 连杆阻尼原理图 1 一门体；2 一连杆；3 一滚轮 设闸门在水压力的f l 、f 2 及自重的共同作用下，处于平衡状态，即对o 点的力矩总和为零，m f + m w = 0 。这时连杆不受力，内力为零。若上游来水量增加， 则水压力增加一个增量f ，相应增加力矩l f ，结构体系有向右转的趋势，此对 连杆会产生反力r ，形成阻抗力矩朋一2 r 。8 来阻止其运转。m r 随着来水量的增 加而逐渐增大，当m r 达到最大值时，则结构体系将处于向右转动前的极限平衡 状态。这时的静力平衡方程式为 ( m f + a m f ) 一m 一m r = 0 f 91 、 相反，当上游来水量减小时，则增加反向力矩a m f ，连杆将产生拉力，其极 限平衡状态时的静力平衡方程式为 ( m f 一& m f ) 一m v 七m r = 0i ，、 由以上两式可见，当来水量变化时，连杆所产生的力矩m r 能使结构体系重 新维持稳定，但是由于是连秆结构，不能保证结构不变形，当f 增加( 或减少) 至一定值时，连杆结构就会发生变位，闸门将增加( 或减小) 开度，从而使f 又发生改变，结构在新的位置通过新的m r 重新维持稳定。因此，连杆的内力不 是不变的，而是以不断改变的量来使闸门在新的变量中维持稳定。同时，由于连 杆的存在，缓冲了闸门的转动速度，使闸门必须克服m r 的最大值才能转到新的 开度。这样就保证了闸门的开启和关闭达到相对稳定。 2 1 2 闸门的动态工作原理 翻板闸门是以上游控制水位的方式来运行的，当门前来水量改变时将引起门 前水位的改变，改变后的水位与此情况下平衡时的预定水位有一偏差，这一偏差 河海大学硕士论文 所产生婀不平衡方使得阐门进行运动。在闸门的运动潮塞中，随着阿下过流量的 改变，门前水位也随之改变，运动中的闸门将受到水流作用于它的惯性阻力、运 动阻力以及连杆阻尼力的作用。当阻尼因素足以维持闸门的稳定运行时，经过一 阵的波动，所控制的水位将最后趋近于在新的平衡位置时的预定水位值，而作用 在闸门上的诸力又趋于平衡，闸门在新的开度位置上平衡不动。这就是翻板闸门 的过渡过程。 为了说明翻板闸门的运转机理，我们采用图2 3 的框图来说明。翻板闸门可 以看成是一种自动控制调节装置，它根据上游来水量的变化进行自动控制。 图2 3 翻板闸门运转机理图 假设闸门的初始状态是稳定状态，闸门的开度用闸门的倾斜角0 表示，上游 的来水量等于闸门的泄量，即q 来= q 泄，上游水位为h 上。 当上游的来水量有一增量q 来时，因闸门不能立即开启至某一开度来适应 a q 来的变化，造成来水量大于泄水量，即q 来+ q 来 q 泄，引起门前水位暂 时壅高a h ，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 开。当m 开大于摩擦力矩时，闸门的开度有一增量0 ，闸门进入新 的状态。其开度为0 + 0 ，相应有一泄量的增量a q 泄，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： 6 第二章翻板闸门的工作原理与水力特性 ( 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q 来+ q 来= q 泄+ q 泄，也就是q 来= q 泄，使新的开度与新的来水量相适应， 闸门仍维持h 上不变，处于稳定运行状态。如果q 来q 泄，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 开小于摩擦力矩时，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 2 翻板闸门受力情况及运动分析 连秆滚轮式水力自控翻板闸门在运行中受的作用力有：门重矿，门叶上游 面、下游面、底缘和顶缘所承受的水压力合力只，、b 。、只、只，滚轮的支承力n ， 连杆的内力t ，以及滚轮与导轨间的综合摩擦力f ，如图2 4 所示。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，水力自控翻板闸门应能保 证在预定的水位条件下保持平衡。 图2 4 连杆滚轮式水力自控翻板闸门受力示意图 7 河海大学礤士论文 2 2 1 基本平衡方程 当门叶在菜一开度0 处于平衡状态时，其平衡方程为； k = 0 ，眠 一( b 2 一只4 ) c o s ( 由一由) + ( 只一- p s ) s i n ( 由一由_ ) + n c o s 巾+ f s i n 由一t s i n 由r = 0 ( 2 3 ) z = 0 ，& 口 一( 只2 一b 4 ) s i n ( 巾一巾 ) 一( 只一e o c o s ( 由一由j ) + n s i n 由一f c o s 由+ t c o s 由r w = 0 ( 2 4 ) 各作用力对滚轮与导轨的接触点求矩，m = 0 ，即： 只2 ，1 2 + 只4 ，3 4 + 只，5 一只，6 一f 衍7 + 丁= 0 ( 2 5 ) 式中： 只：、。、只、最一门叶上游、下游、底缘、顶缘所承受的水压力的合力： 中_ 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，受拉为正、受压为负； 巾，一连杆与z 轴的夹角； 形一门体自重； ：、，”0 ，。一鼻：、b 。、只、只作用线至滚轮与导轨的接触点的距离。 具体计算时将e ：分解成三角形部分e 和矩形部分最，将。分解成三角形部 分只和矩形部分只，设，。、f ：、0 ，。分别为只、只、只、只作用线至滚轮与导轨 的接触点的距离。 2 2 2 闸门所受的力及其力矩计算 1 上游面水压力 ( 1 ) 当上游水位坐标z u 大于闸门上缘点坐标z 。时， 墨= 昙y ( z i z 2 溉矗 ( 2 6 ) 县= r ( z 。一z 1 ) h o s ( 2 7 ) 8 第二章翻板闸门的工作原理与水力特性 ，l = ，l ；( z l + 2 z ：) c o s ( 由一由。) 一委( 五十2 k ：) s i n ( 由一曲：) 一r 2s i n 由。 jj ? 2 - 言( z ，+ z ：) c o s ( 巾一一言( 墨+ 岛) s i l l ( 由一一删n 中。 其中h 。、b 分别为面板高度和宽度。 ( 2 ) 当上游水位坐标z u 小于闸门上缘点坐标z 1 时， 只：l r ( z 。一z 0 2 口 p 1 = 0 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ；( 乙+ 2 乙) c 。s ( 由一中。) 一( k ：一；( 乙一z ：) t a n ( 中一中。) s i n ( 中一中。) 一，2 s i n 中。 c o s ( 巾一巾) 2 下游面水压力 ( 1 ) 当下游水位坐标z 。小于闸门底缘点坐标z 。时， 只= 0 ，只= 0 ( 2 ) 当互 z 】时 e = 妄，( 五一z 2 ) b ( 2 1 7 ) 只= 7 ( z d z 1 ) h o b ( 2 1 8 ) f 3 ：；( 足i + 2 k 2 ) s i n ( 巾一中月) 一l ( z l + 2 2 2 ) c 。s ( 由一中“) + r zs i n 巾。 ( 2 1 9 ) 1 4 = i ( k 。+ 芷2 ) s i n ( 中一由。) 一三( 互+ z 2 ) c 。s ( 由一中。) + ，2 s i l l 由。 ( 2 2 0 ) 3 底缘水压力 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 河海大学硕士论文 式计算： b = ，( z o z 2 ) b o b ( 2 2 1 ) 毛：z 2 s i n ( 由一中 ) + 足2 c 。s ( 巾一巾。) 一r 2c 。s 由。一皂 ( 2 2 2 ) 其中，b 。为闸门上缘或底缘宽度。 4 上缘水压力 只= - r ( z , 一z 1 ) 6 0 b ( 2 2 3 ) f 6 ：z l s i n ( 由一巾) + k t e o s ( q b 一中 ) - - y 2c o s 巾 一_ b o ( 2 2 4 ) 5 连杆内力t 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 ) 、( 2 4 ) 和( 2 5 ) 三式联立求解得： 丁：! ! ! ! 尘! 墨二墨! ! ! ! 皇! 二! 墨2 二墨! ! ! ! 兰( 2 2 5 ) c o s ( 巾r 一由) f r = z 8s i n q b r + k 8c o s q b r 一也c o s ( 由r m ) ( 2 2 6 ) m r = t i r ( 2 2 7 ) 6 滚轮的支承力 n = ( 只2 一只4 ) c o s ( 2 q b 一由 ) + ( 只一p s ) s i n 中_ 一t s i n ( q b 一中r ) + w s i n q b ( 2 2 8 ) 2 3 翻板闸门的稳定分析 水力自动翻板闸门靠动水压力及闸门的自重自动启闭，无需启闭机械及其他 动力，只需少量人员管理，可节省大量工程投资及管理人员。水力自动翻板闸门 虽然有如此多的优点，但也存在着值得关注的问题运转稳定性问题，即闸 门的“拍打”问题，所谓“拍打”，就是闸门在某一水位情况下，产生反复开启、 关闭，开关幅度较大，频率在每分钟6 0 次以上的周期性摆动现象。拍打可能导 致闸门或支墩、底坎结构的破坏，是影响闸门安全运行的控制因素。分析探讨水 力自动翻板闸门的“拍打”问题，实质上就是分析该自控系统得稳定性，所谓稳 定性是指一个自控系统当受到扰动而平衡状态破坏后，经过调节，能重新达到平 衡状态回到原来的或新的状态的动态性能。若系统能恢复平衡状态，则称系统是 稳定的；如果系统经历了外表扰动以后，被调量发生不断的扩散变化，而不能重 1 0 第二章翻板闸门的工作原理与水力特性 新达到平衡状态，则称系统是不稳定的。水力自控翻板闸门在运转中产生的“拍 打”，就是系统不稳定的表现。 2 3 1 静态稳定性 所谓静态稳定性，是指在任一水位作用下，翻板闸门都能在适当的开度上静 止不动。按照静态平衡理论，当闸门在某一开度上固定不动时，作用在门上的各 力形成一平衡力系。下面根据力矩平衡原理来分析翻板闸门的静态稳定性。 连杆滚轮式水力自动翻板闸门能在重力、水压力的作用下，随水位( 来水量) 的变化而实现自动启闭。闸门的开门、关门过程如下： 假定在初始时刻上游水位低于翻板闸门的设计挡水深度，此时门叶转动的开 门力矩小于关门力矩，闸门处于关闭状态。 上游水位升高，开门力矩增大，当达到某一特定水位时，闸门开始翻转，因 此这个水位值也称为闸门的启门水位。 之后随着上游水位的升高，开门力矩增大并使门叶向开启方向转动，闸门进 入开启状态。对于某一水位，当门叶转动到某一特定位置，使开门力矩与关门力 矩平衡时，门叶将稳定于此特定位置或开度。此时闸门处于中间开度。 若上游水位继续升高，当达到某特定水位时，闸门开度达到最大值，闸门处 于全开状态，因此这个水位值也称为闸门的全开水位。 之后，上游水位继续上升，闸门仍将维持在最大开度位置不变。 假定此后来水量减小，上游水位开始下降，使门叶向开门方向转动的转动力 矩减小，当达到某一特定水位时，闸门开始回关，因此这个水位值也称为闸门的 回关水位。 随着上游水位的下降，产生转动力矩使门叶向关门方向转动，闸门进入回关 状态。对于某一水位，当门叶转动到某一特定位置，使转动力矩与摩阻力矩达到 平衡时，门叶将稳定于此特定位置或开度。此时闸门处于中间开度。 上游水位继续下降，当降到某特定水位对，闸门开度达到最小值，闸门处于 全关状态。 之后，随着水位的下降，闸门仍将维持在全关状态。 2 - 3 2 动态稳定性 水力自动翻板闸门在某一特定静止条件下的平衡状态，并不能说明闸门的运 转过程的稳定性。翻板闸门的运转过程是一种动态过程，实践证明，一个性能良 好的水力自动闸门，不但要求在静态时门上作用力要互相平衡，而且在动态中也 要保证闸门能平稳地从一个平衡状态过渡到另一个平衡状态。 水力自动翻板闸门与它所控制的水流共同组成了一个控制系统，系统运行过 程不靠外力作用，而是随着水位的变化自动启闭。一般情况下，当流量改变时将 引起水位的改变，改变后的水位与此情况下平衡时的预定水位有一偏差，这一偏 河海大学硕士论文 差所产生的不平衡力使得闸门运动。在闸门的运动过程中，随着闸下过流量的改 变，水位( 门前或门后) 也随之改变，运动中的闸门将受到水流作用于它的惯性 阻力和运动阻力以及其它阻尼力的作用。当阻尼因素足以维持闸门稳定运行时， 经过一阵波动，所控制的水位将最后趋近于在新的平衡位置时的预定水位值，而 作用在闸门上的各力又趋于平衡，闸门在新的开度位置上得到平衡。这就是水力 自控翻板闸门的动态平衡过程。 分析系统的稳定性，就是分析系统由一个稳态变化到另一个稳态的动态过渡 过程，即： 稳态c 平衡，荤碧裴暴斗动态过程雾藻拿暴斗稳态c 平衡， 在这一动态过程中，系统的各环节和参数均处于变化状态中。在分析系统时， 只有充分掌握系统各环节和参数在该过程中的变化规律，才能对系统的动态和静 态品质指标是否满足工作过程的要求作出正确评定。 2 3 - 3 影响闸门稳定性的因素 影响翻板闸门运行稳定性的因素很多，除连杆长度、连杆后支点位置和滚轮 半径等结构尺寸外，上游河道断面形状、结构阻力等因素也对闸门运行稳定有一 定的影响。此外，水流对翻板闸门的运行稳定性影响也很大，闸门在水流中运动， 必然要受到水流的紊动和波动的影响，有时水流在面板底部、支腿等处会有流线 弯曲和脱离边界的现象，出现局部真空，流速与压力的脉动增大，同时如闸门在 水中受到偶然的扰动出现往复摆动时，水面将出现波动，水流波浪压力的变化， 加大拍打的振幅与频率，而在淹没出流时，将更为明显。这些影响因素有的可以 在平衡方程中以力和力矩的形式反映进去，有的则难以反映，需在枢纽布置时加 以考虑。 2 4 翻板闸门的水力特性 2 4 1 动水压力的问题 当翻板闸门具有任意倾角，门顶与门底均有