气动盾形闸门系统力学模型的建立与分析.pdf

科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 1 1 期 气动盾形闸门系统力学模型的建立与分析 冀振亚 高国柱 孙云峰 水利部长春机械研究所 吉林长春 1 3 0 0 1 2 【 摘 要】 气动盾形 闸门系统是在结合 国际先进技术的基础上研发的一种新型水利设施，其研发的首 要核心任务就是闸门系统的受力分析与计算 ，其 中，闸门系统力学模型的建立是重中之重 。本文具体的 阐述 了气动盾形闸门系统力学模型的建立过程 ，并就力学模型的关键问题进行 了推导论证 。 【 关键词 】 水利工程气动盾形 闸门 力学模型 受力分析 【 D O I编码 】 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 2 2 4 6 9 ． 2 0 1 3 ． 1 1 ． 0 1 6 【 中图分类号】T V 6 6 3 【 文献标识码 】 B 【 文章编号 】 1 6 7 2 - 2 4 6 9 2 0 1 3 1 卜0 0 5 0 0 4 1 引言 的设计与工程施工提供依据。 近 年来 ，随着 国家对环境保护 的重视 程度不 断加大 ，中小河流 治理和城市 生态水系 工程发展 迅速 ， 要求 工程 的总体布置和设备 的选 型不但要 具有常规水利 工程 所要求 的使用功 能，而且更要 具备与生态环境 相适应 的多种功 能 。 而气动盾形 闸门系统就是 结合 国际先进技术 与传统钢 闸门、 橡胶坝研发 的一种新型 、环保 的水利设 施 ，其技 术先进、安全可靠、构造简单、施工期短、环保 性强、故障率低、易于维护、使用寿命长，可广 泛应用 于河道治理 、水库排污排 漂 、坝顶加 高、 海 口防潮、引水灌溉 、防洪排涝 、城市 景观等工 程 。 其工作原理是 挡水 门体 是一排弧形钢 闸门， 气袋支撑在弧形钢 闸 门的 内弧面 ， 通过 气袋 的充 气与排气 ，使钢 闸门升起与倒 伏 ，以维持设定 的 挡水高度 ，并可在设计水位 内实现任 意水位高度 的调节 。当弧形钢 闸 门全部倒卧在河底 时，可高 效泄水，不影响景观和通航，且鱼类等水生物还 可 回游 ，保护 生态； 闸门全关 闭时，可 以蓄水 ， 超过设定水位时，可形成溢流瀑布景观。 正因为气动盾形闸门有诸多优点， 所以其在 国内的推广应 用显得非 常必要 。因此，关于闸 门 系统力学模型的建立与分析必不可少。 本文将着 重 从气袋支撑 闸门的状 态入手 ， 确定气袋 与闸 门 接触后的形状， 消除力学模型建立过程中的未知 因素，最终建立气动 盾形 闸门系统 的力学模型 ， 确定闸 门的气动 系统 压力 ， 为气动 盾形 闸门系统 5 0 2 闸门系统 力学模型 的建立 气 动盾形 闸门系统 由门体 结构、 埋件 、 气 袋、 气动系统及 自动控制 系统等组成 ，图 1为气动盾 形 闸门系统 的结构断面 图。 图 1 气动盾形闸门系统结构断面图 从图 1 的气动盾形闸门系统结构断面图中， 我们提取气 袋与 闸门部分 ，建立气袋支撑 闸门的 状态见图 2 。需要说明的是，图2的气袋形状是 最初我们为了方便以后的分析所假想的形状 。 在这里最关键 的问题是 “ 如何确 定气袋 支撑 闸 门的形状 ” ， 这 关系到整个 力学模 型建立的正 确与否 。先提 出两个 假定 作者简介 冀振 亚 1 9 8 4年一 ，男 ，助理 工程 师 。 科研管理 水利规划与设计 图 2气袋支撑闸门的假想形状 假 定 1 气袋 的重量不予考 虑 ； 假定 2 气袋为绝对柔 性体 。 根据 已知气 袋的规格 ， 做 气袋对 闸门的支撑 图。 由图 2可知， 气袋的断截面将形成三段曲线， 分别是曲线 O B、曲线 A B以及 曲线 O A。 根据假 定 1 ，气袋在充气压力作用下 ，接触闸门的部分 就会紧贴闸门内弧面， 形成连续的一段曲线 O B， 由此 ，我们就可 以确定 曲线 OB为半径等于钢 闸 门内径 尺的一段 圆弧 ，则 圆弧 OB的形状就 可 以 确 定 。 同理 ，将支撑气 袋 的地基认 为是绝对平面 ， 则 曲线 O A便会成 为一 段直线 O A，其形状 也就 确 定。而 曲线 AB为没有约束 的一段 自由弧 ，所 以其形状无法直接确 定 。 为 了确 定 曲线 A B的形状 ，取 图 2气袋 断面 的单位宽度 ， 对曲线 A B进行受力分析。 连接 A、 B两 点做 线段 A B，则线 段 AB 的长度表示气袋 单位 宽度所 受气压 的面 积 ，如 图 3所 示 。 仁 _ a A _、 图 3曲线 A B受力分析一 图 3中，线段 A B面受均匀压力 P ， 为解 除约束后气袋 A B段 A点单位宽度张力， 为解 除约束后气袋 A B段 B点单位宽度张力， P为 A B直线面解除约束后气袋内压 尸的合力，作用 点为线段 A B的中点 C 。根据平面力系三力平衡 原理，三力沿各 自方向延伸必会交于一点。 P 是 A B直线面气袋内气压 P的合力，所以，沿力 P的方向延伸线必垂直与 A B线，力 、 沿 力 P方 向的延伸线必交与一点 O 2 。因此 ，三角 2 0 1 3年第 1 1 期 形 A O 2 B为等腰三角形， 根据力与几何学关系有 ／ ， F a F b 。 过 A点做垂直于力 的直线， 过 B点做垂直于力 的直线，N- - 直线交于 O1 点，且 Ol 点在力 P上，根据相似三角形原理， 两条线段必定 A 01 B 01 。 为了方便研究，把曲线 A B从图 3中移出， 建立图 4模型。在曲线 A B上任取一点 c，过 c 点、 1 点做连线 ，取 AO1 C段做 受力分析如 图 5 所示 ， 同理， 可证明 F a F c ， 两条线段 A O 1 C O1 ， 且 、 作用力方向分别与直线 A O1 、 C O 1 垂直。 因 c 点是曲线 A B上任意一点，所 以曲线 AB k 任意 一点到 O1 点的连 线都与线段 A O1 、 c l- 毫 } 一 一 - 、 图 4曲线 AB受力分析二 图 5 曲线 A C受力分析 、 B O 1 相等 ，即 如图 6所示在曲线 A B上 任取一点 ，都有 r_ 、 ／ x Y PA0 B0 根据圆的定义 平面上到定点的距离等于定 长的所有点的集合 叫做圆。所 以曲线 AB为一段 半陉为P 的圆弧 。 至此， 气袋支撑闸门后所形成的三段曲线的 形状都被确定，分别是半径为闸门内弧面半径R 的圆弧O B、半径为 p的圆弧 A B和线段O A，那 么其长度就很容易确定了。而 曲线 O B 曲线 A B 线段O A 气袋的周长C ，当气袋的周长、闸 门系统所要求的挡水高度、 闸门的半径及闸门升 5 1 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 1 1 期 一一T 一～ ～ ～ J 、、 ＼ 【 ， ＼ 、 ． ． 一 } 一 一一 图6 曲线上任意一点到0 ， 点的距离 、， 、 角 已知时 ，那 么 圆弧 oB、圆弧 AB、线段 O A 的长度将 被确定 ，而且其值 唯一 ，这里不再 证 明。 在 前 面 的论述 中我 们 阐 明了气动 盾 形 闸 门 力学模 型建立最关键 的问题 ，即 “ 气袋支撑 闸门 的形状 ”确 定，那么剩 下的闸 门力学模型 的建立 就简单 多了。 假 设上游挡 水为平静 的水面 ， 则抛 开水对 闸 门的扰 动影响 ， 根据 图 l的气动盾形 闸门系统工 作断面 图，闸 门系统要受到水压 力 F、气袋对 闸 门的支持力 、闸门的自重 G以及闸门根部铰 链点的约束力 尺 、尺 而达到系统受力平衡。其 ■ 了 中， 水对 闸门的压 力又可 以分为水对 闸门的 水平压 力 和 闸门上水 的重力 ，由此得 出闸 门系统简化的受力模型如图 7 。图 7中阴影部分 即为闸门上水 的重力 。 有了气动盾形 闸门的受力模型 ， 下面将逐 一 确 定其 力的大小 。 图 7 气动盾形 闸门系统受力模型 3 闸门系统各力的确定 参考 水力 学中关 于 “ 作用在 曲面上 的静 水总压力”的计算，我们对作用在闸门上的静水 压力做如 图 8的分析 。 b 图 8水对闸门压力分析 如图 8 a 所示，两向曲面 D E的母线垂直 于纸面 ，母线 长为 b ，即闸 门的宽度 ，闸门外弧 面一侧受有静水压力。将 曲面 D E看作是由无数 微小面积 d 组成的，而作用在每一微小面积上 的压力 可分解为水平分力 及垂直分力 。 3 ． 1 静水总压力的水平分力 做许多母线分 D E 曲面为无穷多个微小曲 面，以F G表示其中之一， 并近似认为它是平面， 其面积为 d∞，如图 8 b 所示，D E面的形心 点在液面下的深度为 h ，作用在这一微小面积上 的力 d F在水平 方 向上的投影为 5 2 d Fc o s 0y h d oc o s 0g h d c o 式 中 d o ． rd c o c o s 为微小面积在铅 直面上 的 投 影面积 。由于所 有微小面积上 的水平 分力方 向 是相 同的，所 以对 d F x 积分便得 DE曲面 上总压 力 的水平分力 ，即 J d F x J ，， h d co x r h c a , 式中 I ．h d c o x h c c o x 表 示曲 面 的 垂 直 投影 平 。 X 面 对水平轴 的静矩 ； h 。 为面积 的形心在水 科研管理 水利规划与设计 2 0 1 3 年第 1 1 期 面下的深度。 3 ． 2 静 水总压 力的垂 直分 力 由图 8 b 可知 ，作用在微 小面 积 d 上 的 静水 总压 力的垂直分 力为 d Fs i n07 h d c o s i n0y h d c o x 同理，对上式积分，得整个曲面面积上的静水总 压力 的垂 直分力 ， 即 F y ＼ y I y h d co y r I h d co y 式中 d ． 是微小面积 F G上所托水的体积。所 以I h d co 相当于曲面 上所托水的体积，以D E 以 ． 表示 ，称为压 力体 。于是 F 3 ． 3 气 袋对闸 门的支持 力及系统压 力的确定 参考 图 7 ，以闸门根 部 O 为中心点取矩 ，根 据力矩 的平衡 原理有 厶 G L 3 厶 由此得 出气 袋对 闸门的支持力 为 F ex ／ e y L2 GL3 厶 式中 为气袋对闸门的支持力，N；三 l 为闸门 所受水 的水平 压力中心到旋转点 O的距离，m； 2为闸门上水的重力中心到旋转点O的距离， m； G 为闸门 自身重力，N；三 3 为闸 门 自身重力 中心 到旋转点 O的距离， m； L 为气袋对闸门的支持 力中心到旋转点的 O距离，m。 已知气袋对 闸 门的支持力 ， 则气袋 内的充气 压力为 P ． 1 0 一 式中P为气袋内充气压力，MP a A 2 为气袋与 闸门的接触面积 。 至此 ， 气 动盾形 闸门系统 的各力及气动 系统 压力就被确 定下来 。 4 结语 气动盾形闸门系统力学模型的建立与分析， 关系到整个工程 的质 量与安全 ， 是设计 的先 行步 骤和理论依据 ，也为新型水利 闸门的创新研 发打 下 了坚实 的基础 。 参考文献 l 齐清兰．水力学．北京中国铁道出版社，2 0 0 8 皤封面故事 I - i 西安市黑河引水工程 金盆水利枢纽 - l ； 黑河引水S - 程金盆水利枢纽位于黑河峪 口以上 1 ． 5 k m处， 距西安市 8 6 k m ， 是一项以城市供水为 主，兼有灌溉、发电、防洪等综合利用的大 2 型水利工程。该工程于 1 9 9 6年开工建设，2 0 0 2 年主体工程基本建成，2 0 0 3 年 3 月完成蓄水验收，2 0 0 9年完成S - 程竣工验收 黑河引水工程是一项跨流域引水S - 程， 大坝为黏土心墙砂砾石坝， 最大坝高 1 3 0 m ， 坝顶长 4 2 2 m 。 水库总库容 2 ． O O 亿 m ， 有效库容 1 ． 7 7 4 亿 m ， 可为西安市年供水 3 ． 0 5 亿 m ， 灌溉面积 2 ． 4 7 万 h m ， 坝后式电站年发电量 7 3 o 8万 k w h 。 金盆水利枢纽由陕西省水利 电力勘测设计院设计、监理，该项工程荣获全国水利水 电勘测设 i 计优秀设计银奖、全国水利工程优质奖大禹奖、国家建设工程鲁班奖、陕西省优秀工程设计一等 奖等多项荣誉。 ； 陕西省水利 电力勘测设计研究院是国家 甲级综合勘测设计单位，先后荣获 “ 全国精神文明建 设先进单位” 、“ 陕西省先进集体” 、“ 全国优秀水利企业” 、全 国水利水电勘测设计行业 A A A 级信 用单位 、西安市 5 A级信用等级单位等荣誉称号，是一个技术规范、信誉可靠、质量保证、服务周 ； 到的勘测设计单位。 陕西省水利 电力勘测设计研究院 阎玉坤供稿 i 53