楊木超

（廣東省佛山市高明區(qū)?？诒谜荆瑥V東 佛山 528500）

新型折疊式水利閘門設(shè)計(jì)及研究

楊木超

（廣東省佛山市高明區(qū)?？诒谜?，廣東 佛山 528500）

水利閘門是一種重要的水工建筑物，閘門具有防洪防汛、阻攔水流、調(diào)節(jié)水位、控制流量、泄放泥沙和飄浮垃圾等功能，在設(shè)計(jì)時(shí)，要綜合考慮總體布置、技術(shù)方案、閘址選擇、閘門形式及動(dòng)力啟閉機(jī)等，結(jié)合實(shí)際建設(shè)成本及閘口周邊環(huán)境的需要，選擇結(jié)構(gòu)牢固、運(yùn)行安全可靠、啟閉效果好閘門形式；同時(shí)，閘門設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮水閘制造工藝、運(yùn)行管理、運(yùn)輸?shù)确矫妫?guī)劃合理的結(jié)構(gòu)及總體布置，做好觀測(cè)和維護(hù)設(shè)計(jì)，以便閘門能更好地運(yùn)行，在水利工程中發(fā)揮更重要作用。著重分析傳統(tǒng)閘門的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型的折疊式水利閘門。全面地分析了總體設(shè)計(jì)方案及各部件構(gòu)成，為閘門設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。該設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性、先進(jìn)性和實(shí)用性。

折疊式；水利閘門；滑輪機(jī)構(gòu)；滑道

水利工程中，閘門是水工建筑物的重要組成部分之一，它通過(guò)提升或下降來(lái)啟閉建筑物的孔口，實(shí)現(xiàn)全部或局部開(kāi)啟閘門，主要用于調(diào)節(jié)水位和阻攔水流，從而獲得防洪防汛、發(fā)電、灌溉、通航、排供水等效益，還可用于排放泥沙、水上垃圾、冰塊等，或者為相關(guān)水泵設(shè)備的檢修提供擋水?dāng)嗔鳌ｉl門一般設(shè)計(jì)在排水取水建筑物的排出水口的咽喉要道，通過(guò)閘門安全、可靠地啟閉來(lái)發(fā)揮它的用途與效益及維護(hù)建筑物的安全，因此廣泛用于河道、水庫(kù)、湖泊、泵站等水利工程中。但長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的閘門設(shè)計(jì)方式都是設(shè)計(jì)人員先憑經(jīng)驗(yàn)及參考類似設(shè)計(jì)，在傳統(tǒng)閘門的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化或改良，極少有全新型的閘門設(shè)計(jì)。

1 傳統(tǒng)閘門發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)記載著悠久的設(shè)計(jì)修建水利閘門歷史。公元前598至591年，楚令尹孫叔敖在今安徽省壽縣建芍陂灌區(qū)時(shí)，即設(shè)5個(gè)閘門進(jìn)行引水。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和新型建筑材料的出現(xiàn)，新型閘門的設(shè)計(jì)也日益增多。特別是在新中國(guó)成立后，我國(guó)進(jìn)行了大規(guī)?，F(xiàn)代化水閘的設(shè)計(jì)建設(shè)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。比如長(zhǎng)江葛洲壩樞紐的二江泄水閘，最大泄量為84 000 m3/s，位居中國(guó)首位，運(yùn)行情況良好。國(guó)際上修建水閘的技術(shù)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展，比如荷蘭興建的東斯海爾德?lián)醭遍l，閘高53 m，閘身凈長(zhǎng)3 km，被譽(yù)為“海上長(zhǎng)城”。當(dāng)今世界水利水電工程發(fā)展迅速，水閘的設(shè)計(jì)正向形式多樣化、施工簡(jiǎn)便化、結(jié)構(gòu)輕型化、操作自動(dòng)化和遠(yuǎn)動(dòng)化方向發(fā)展，特別是小、中型閘門，也由手動(dòng)操作向自動(dòng)化操作轉(zhuǎn)變。目前，按閘門啟閉方式劃分主要有螺桿啟閉閘門、卷?yè)P(yáng)啟閉閘門、弧形液壓閘門。

1.1 螺桿啟閉閘門

螺桿啟閉閘門主要由閘門板、螺桿和電機(jī)組成，其工作原理是通過(guò)電機(jī)直接帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，螺桿與閘門板上的螺母螺紋連接，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)閘門的開(kāi)啟或關(guān)閉。這種閘門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠，但其提升質(zhì)量有限，只能用于小型閘門里，同時(shí)存在龍門架高、維護(hù)難度大、啟閉速度慢等缺陷。

1.2 卷?yè)P(yáng)啟閉閘門

卷?yè)P(yáng)啟閉閘門主要由閘門板、鋼絲繩和卷?yè)P(yáng)設(shè)備組成，一般采用雙吊方式，其工作原理是通過(guò)卷?yè)P(yáng)設(shè)備收放鋼絲繩，帶動(dòng)閘門板做上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)閘門的開(kāi)啟或關(guān)閉，但其缺點(diǎn)為需要在閘門上面建造專門的啟閉室放置卷?yè)P(yáng)設(shè)備，一次性投入大，卷?yè)P(yáng)設(shè)備造價(jià)高、維護(hù)費(fèi)用多、平衡穩(wěn)定性差。

1.3 弧形液壓閘門

弧形液壓閘門主要由弧形閘門、鉸接頭和液壓組成，其工作原理是通過(guò)液壓缸伸縮，帶動(dòng)弧形閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)閘門的開(kāi)啟或關(guān)閉，但其缺點(diǎn)為閘門所占用空間較大，需要建造大型的閘墩，閘門承受的總水壓力主要集中在支座處，同時(shí)支座處會(huì)受側(cè)向推力，危及閘墩的側(cè)向穩(wěn)定性，不能把閘門抽出孔口以外進(jìn)行檢查維修，也不能在孔口間進(jìn)行更換，維護(hù)更換極其不便。

2 折疊式水利閘門總體方案設(shè)計(jì)及分析

為了克服傳統(tǒng)閘門中存在龍門架高、維護(hù)難度大、啟閉速度慢、需要在閘門上面建造專門的啟閉室放置卷?yè)P(yáng)設(shè)備，一次性投入大，卷?yè)P(yáng)設(shè)備造價(jià)高、維護(hù)費(fèi)用多、平衡穩(wěn)定性差、所占的空間位置較大、需要建造大型的閘墩、閘門承受的總水壓力主要集中在支座處，同時(shí)支座處會(huì)受側(cè)向推力，會(huì)危及閘墩的側(cè)向穩(wěn)定性、不能把閘門抽出孔口以外進(jìn)行檢查維修，也不能在孔口間進(jìn)行更換，維護(hù)更換極其不便等缺陷，同時(shí)設(shè)計(jì)出占地空間更小、啟閉跨度大、造價(jià)低廉、維護(hù)簡(jiǎn)便、安全可靠的水利閘門，需要根據(jù)實(shí)際情況作一個(gè)詳細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

2.1 分析負(fù)載特點(diǎn)

在閘門設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算負(fù)載是最關(guān)鍵的，其影響到閘門強(qiáng)度是否足夠、變形量多少、能否安全可靠。往往根據(jù)過(guò)閘水流形態(tài)和水閘運(yùn)用方式，按水力學(xué)公式計(jì)算過(guò)流能力，先確定閘孔總凈寬度。結(jié)合閘門兩側(cè)水位及閘口地質(zhì)條件，選定消能方式。水閘多用水躍消能，通過(guò)水力計(jì)算，確定消能防沖設(shè)施的尺度和布置。估算判斷水閘投入運(yùn)用后，由于閘上下游河床可能發(fā)生沖淤變化，引起上下游水位變動(dòng)，從而對(duì)過(guò)水能力和消能防沖設(shè)施產(chǎn)生的不利影響。大型水閘的水力設(shè)計(jì)，應(yīng)進(jìn)行水力模型試驗(yàn)驗(yàn)證。在閘門關(guān)閉時(shí)，閘門兩側(cè)的水體都對(duì)閘門產(chǎn)生壓力，水的靜壓力計(jì)算公式為：

式（1）中：ρ為水的密度；g為重力加速度，約等于9.8 N/kg；h1為上游水深；h2為下游水深；h為閘門的高度；b為閘門寬度。

2.2 技術(shù)要點(diǎn)

進(jìn)行閘門形式設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要依據(jù)閘門的功能用途、工作性質(zhì)、排水流通能力、地理?xiàng)l件、運(yùn)行條件、啟閉力度和造價(jià)成本等，綜合閘門的特點(diǎn)，參考已往的閘門設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。為要解決閘門泄流時(shí)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，由于閘門本身有一定的自振頻率，當(dāng)泄流時(shí)水流脈動(dòng)頻率接近或等于閘門的自振頻率時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。如果共振振幅增大，使閘門整體或局部發(fā)生振動(dòng)，可能引起閘門構(gòu)件的疲勞變形、焊縫開(kāi)裂或緊固件松動(dòng)，以至閘門整體遭到破壞，所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)新閘門時(shí)，需要避開(kāi)共振頻率。同時(shí)對(duì)門葉和埋件的制造、安裝精度都應(yīng)嚴(yán)格控制，當(dāng)門槽邊界流態(tài)復(fù)雜或體形特殊時(shí)，除需參考已有運(yùn)行的成功試驗(yàn)，還應(yīng)通過(guò)水工模型試驗(yàn)解決可能發(fā)生的振動(dòng)、空蝕問(wèn)題，以選定合適的門槽體形。

2.3 總體方案設(shè)計(jì)及分析

折疊式水利閘門是一種全新設(shè)計(jì)的閘門，其具有啟閉力小、啟閉跨度大、建造安裝簡(jiǎn)便、造價(jià)成本低、維護(hù)方便等特點(diǎn)。新型折疊式水利閘門采用折疊方式實(shí)現(xiàn)了閘門開(kāi)啟或關(guān)閉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全可靠，克服了龍門架高、維護(hù)難度大、啟閉速度慢、需要在閘門上面建造專門的啟閉室放置卷?yè)P(yáng)設(shè)備，一次性投入大，卷?yè)P(yáng)設(shè)備造價(jià)高、維護(hù)費(fèi)用多、平衡穩(wěn)定性差、所占的空間位置較大、需要建造大型的閘墩、閘門承受的總水壓力主要集中在支座處，同時(shí)支座處會(huì)受側(cè)向推力，會(huì)危及閘墩的側(cè)向穩(wěn)定性、不能把閘門抽出孔口以外進(jìn)行檢查維修，也不能在孔口間進(jìn)行更換，維護(hù)更換極其不便等缺陷。

新型折疊式水利閘門由門框機(jī)構(gòu)、折疊閘門機(jī)構(gòu)和多節(jié)液壓缸組成，其中，門框機(jī)構(gòu)是整個(gè)閘門的基礎(chǔ)，其固定填埋在閘口的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上；折疊閘門機(jī)構(gòu)活動(dòng)安裝在門框機(jī)構(gòu)內(nèi)部，通過(guò)鉸接器連接，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)；折疊閘門機(jī)構(gòu)里的滑輪機(jī)構(gòu)與門框機(jī)構(gòu)里的滑道相配合，形成導(dǎo)軌滑道機(jī)構(gòu)；多節(jié)液壓缸與折疊閘門機(jī)構(gòu)的頂部外側(cè)一處活動(dòng)連接。液壓缸作為驅(qū)動(dòng)力，驅(qū)使折疊閘門機(jī)構(gòu)沿門框機(jī)構(gòu)做折疊或展開(kāi)運(yùn)動(dòng)，這樣就可實(shí)現(xiàn)閘門的開(kāi)啟或關(guān)閉。

該裝置利用折疊技術(shù)大大地節(jié)省占地空間，同時(shí)由于水壓方向與伸縮方向垂直，液壓缸只需克服摩擦力即可，并且采用導(dǎo)軌滑道機(jī)構(gòu)，其摩擦力為滑動(dòng)摩擦力，因此，大大地減少液壓缸的推拉力。圖1所示為折疊式水利閘門整體布局圖，圖2為門框機(jī)構(gòu)和折疊閘門機(jī)構(gòu)連接的局部視圖。

圖1 折疊式水利閘門整體布局圖

圖2 門框機(jī)構(gòu)和折疊閘門機(jī)構(gòu)連接的局部視圖

3 門框機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

門框機(jī)構(gòu)是本發(fā)明的基礎(chǔ)框架，由門框、滑道、止水膠和側(cè)膠組成。其中，門框是矩形結(jié)構(gòu)，側(cè)邊頂部開(kāi)設(shè)有一個(gè)缺口，其目的是放置多節(jié)液壓缸；門框上下內(nèi)部固定有滑道，滑道設(shè)置有止水膠，其目的是閘門板在水壓作用下，緊壓止水膠，防止水滲漏；門框左右兩側(cè)固定有側(cè)膠，其目的是閘門在關(guān)閉時(shí)，密封側(cè)邊閘門，防止?jié)B漏水。圖3所示為門框機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 門框機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

4 折疊閘門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

折疊閘門機(jī)構(gòu)是本發(fā)明的重要組成部分，是實(shí)現(xiàn)折疊與展開(kāi)的關(guān)鍵。折疊閘門機(jī)構(gòu)由閘門板、鉸接器、密封條和滑輪機(jī)構(gòu)組成。折疊閘門機(jī)構(gòu)由6塊閘門板組成，中間4塊通過(guò)凹凸錯(cuò)位咬合，在咬合處設(shè)置有密封條，兩邊閘門板的最外側(cè)是平直結(jié)構(gòu)；閘門板之間通過(guò)鉸接器活動(dòng)連接，同時(shí)在閘門板之間的交接處附近安裝有滑輪機(jī)構(gòu)，閘門板上下都有間隔設(shè)置。設(shè)置有密封條，其目的是閘門板在展開(kāi)時(shí)密封，防止?jié)B漏水。設(shè)置有滑輪機(jī)構(gòu)，其目的是閘門板沿固定方向折疊或展開(kāi)，更節(jié)能省力。在折疊閘門機(jī)構(gòu)里采用多塊閘門板設(shè)計(jì)，這樣可以大大地節(jié)省占用空間，使閘門推開(kāi)度更寬，通水截面更大，提高閘門的通水流量，達(dá)到快速排水的效果。圖4為折疊閘門機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 折疊閘門機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

5 滑輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

滑輪機(jī)構(gòu)是折疊閘門機(jī)構(gòu)的重要組成部分，具有導(dǎo)向、支撐和調(diào)節(jié)角度等功能，促使閘門板有序地進(jìn)行折疊或展開(kāi)。滑輪機(jī)構(gòu)由底座、轉(zhuǎn)盤(pán)和滑輪組成，其中，底座下部活動(dòng)安裝有轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)可圍繞其中心點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)盤(pán)下部的兩端安裝有滑輪；在底座的側(cè)板上開(kāi)設(shè)有4個(gè)圓孔，其用于填充焊接，使其與閘門板的連接更牢固，支撐著閘門板的質(zhì)量。折疊閘門機(jī)構(gòu)在折疊過(guò)程中，會(huì)形成一定的夾角，是通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)閘門板沿滑道折疊移動(dòng)。圖5所示為滑輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

6 液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)

液壓是整個(gè)裝置的驅(qū)動(dòng)力，與機(jī)械傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①傳動(dòng)平穩(wěn)；②在輸出功率相同的情況下，液壓傳動(dòng)裝置的體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏；③傳遞能量大，易于獲得很大的壓力和力矩；④容易實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，能使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度在一定的范圍內(nèi)可任意調(diào)節(jié)；⑤便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，液壓元件也易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化。本設(shè)計(jì)采用三節(jié)液壓缸，由三節(jié)缸筒組合為一體，其伸展長(zhǎng)度為常規(guī)單支缸筒的長(zhǎng)度的3倍，只要是活塞桿能實(shí)現(xiàn)的長(zhǎng)度都可以與其匹配，從而達(dá)到液壓缸超長(zhǎng)行程動(dòng)作及恒定輸出力的理想值，縮短時(shí)更節(jié)省空間，伸長(zhǎng)時(shí)行程更長(zhǎng)。

圖5 滑輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

7 結(jié)束語(yǔ)

閘門設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)地勢(shì)和用途等實(shí)際情況，綜合考慮技術(shù)方案、安裝、維修、施工、經(jīng)濟(jì)性、美觀等多方因素，選擇合適的門型及啟閉方式，盡量做到經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠，使閘門充分發(fā)揮其攔截水流、調(diào)節(jié)流量功能，減少不必要的投資，提高其經(jīng)濟(jì)性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不必拘泥于傳統(tǒng)思維和方式，可在已有閘門基礎(chǔ)上大膽嘗試新的設(shè)計(jì)方法，以達(dá)到克服傳統(tǒng)的缺陷，同時(shí)降低設(shè)計(jì)難度和節(jié)省閘門工程投資的目的，因此本發(fā)明設(shè)計(jì)采用折疊方式，巧妙地實(shí)現(xiàn)了閘門的啟閉功能，為水利閘門的設(shè)計(jì)提供了一種新的選擇。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.21.132

2095－6835（2017）21－0132－03

楊木超（1985—），男，廣東茂名人，本科，機(jī)電工程師，從事水利機(jī)電技術(shù)相關(guān)工作。

〔編輯：劉曉芳〕