(四川蜀禹水利水電工程設(shè)計(jì)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(yīng)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(diào)流，然而要精確計(jì)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(fā)現(xiàn)，編碼器在測量弧形閘門開度時(shí)誤差較大。主要原因是編碼器的轉(zhuǎn)角與平板閘門開度之間為簡單的線性關(guān)系，而與弧門開度之間的關(guān)系則較為復(fù)雜。在實(shí)際閘門控制PLC編程調(diào)試中，調(diào)試人員常常將弧門的整個(gè)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(guān)系，且只有每一段的起點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)是準(zhǔn)確的，而中間的各點(diǎn)都不準(zhǔn)確。整個(gè)開度分段少，開度級(jí)差大，測量精度誤差大；若整個(gè)開度分段較多，則現(xiàn)場測量、數(shù)據(jù)輸入、調(diào)試及調(diào)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(zhǔn)確調(diào)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(jī)的調(diào)試中，又遇到同樣的問題。業(yè)主要求工程設(shè)計(jì)單位提供弧門啟門高度與液壓啟閉機(jī)油缸行程的關(guān)系公式。為此，筆者對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出了弧門啟門高度與油缸行程的通用關(guān)系公式。

2 公式推導(dǎo)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(zhuǎn)動(dòng)，支鉸中心、油缸上支點(diǎn)和弧門吊耳中心這三點(diǎn)相互連線可組成三角形。在弧門啟門過程中這三點(diǎn)始終組成三角形，支鉸中心和油缸上支點(diǎn)為固定點(diǎn)，弧門吊耳中心為動(dòng)點(diǎn)，可建立三角形余弦定理。

c2=a2+b2-2abcosθ

(1)

式中：c——油缸上支點(diǎn)到弧門吊耳中心的長度(油缸長度)，mm；

a——油缸上支點(diǎn)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(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)，弧門旋轉(zhuǎn)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(guān)時(shí)，abc三角形中a與b的夾角；

θh——在啟門過程中，弧門旋轉(zhuǎn)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(guān)時(shí)設(shè)定為零。

L=L0-c

(4)

式中：L——油缸行程，在弧門全關(guān)時(shí)設(shè)定為零，mm；

L0——弧門全關(guān)時(shí)，油缸上支點(diǎn)到弧門吊耳中心的長度(即全關(guān)時(shí)油缸長度)，mm；

c——同式(1)。

綜合以上(1)-(4)式，可推導(dǎo)出弧門啟門高度與油缸行程的關(guān)系公式。

由上式可知，弧門啟門高度變化與液壓啟閉機(jī)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(yīng)的函數(shù)關(guān)系，并將其轉(zhuǎn)換為閘門的實(shí)際啟門高度值，這樣測量出來的啟門高度值才是準(zhǔn)確的。

3 工程實(shí)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(jù)布置可知參數(shù)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(guān)系公式，可得如下公式并畫出其關(guān)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(dá)到精準(zhǔn)操控閘門的目的。

式中：L——油缸行程，在弧門全關(guān)時(shí)設(shè)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(guān)系曲線

4 結(jié)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(gè)別點(diǎn)上，在多數(shù)點(diǎn)上不準(zhǔn)確，且其工作繁瑣。

本文推導(dǎo)出了弧門啟門高度與油缸行程的通用關(guān)系公式，對(duì)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(jī)的場合。在弧門控制系統(tǒng)PLC中，用戶可通過此通用公式編程自動(dòng)操作和檢測弧門啟門高度。此通用關(guān)系公式測量精確，適用范圍廣，實(shí)用性強(qiáng)，避免了采用分段法近似按線性測量開度的缺點(diǎn)。