水利水電工程閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)探究

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摘要：傳統(tǒng)閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)選型方法存在適用性低、啟閉耗時(shí)高的問題，針對(duì)此種問題，提出一種面向水利水電工程的閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)選型方法，通過分析閘門啟閉機(jī)的種類劃分方式，布設(shè)閘門啟閉機(jī)機(jī)械參數(shù)，采用油泵閘門自動(dòng)啟動(dòng)的方式，控制活塞桿的沉降。同時(shí)，設(shè)計(jì)閘門啟閉機(jī)節(jié)流孔，控制閘門下降速度。最后采用閘門啟閉機(jī)機(jī)型選擇的方式，選擇與水利水電工程相適用的機(jī)型，以此完成對(duì)閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)選型。此外，設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將設(shè)計(jì)選型方法與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的方法在應(yīng)用中可縮短啟閉耗時(shí)，運(yùn)行效率更高，滿足水利水電工程需求。

關(guān)鍵詞：水利水電工程；選型設(shè)計(jì)；閘門啟閉機(jī)；方法

閘門啟閉機(jī)又被稱之為啟動(dòng)（關(guān)閉）機(jī)開關(guān)，屬于應(yīng)用于水利工程中的大型機(jī)械設(shè)備，此設(shè)備的正常運(yùn)行可直接影響到水利工程中相關(guān)水利建筑或水利生產(chǎn)的過程。在設(shè)計(jì)閘門啟閉機(jī)過程中，除了要滿足常規(guī)大型設(shè)備的運(yùn)行需求，同時(shí)也要滿足起重類設(shè)備運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)要求。在設(shè)計(jì)閘門啟閉機(jī)中，不僅應(yīng)保持設(shè)備啟動(dòng)關(guān)閉運(yùn)行工程的可靠性，同時(shí)也要遵循經(jīng)濟(jì)合理性設(shè)計(jì)原則，在條件允許的情況下，甚至需要閘門啟閉機(jī)在運(yùn)行中兼具多項(xiàng)功能?；诖?，本文將綜合我國水利水電工程實(shí)施現(xiàn)狀，對(duì)工程中的支撐性設(shè)備閘門啟閉機(jī)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。

1閘門啟閉機(jī)種類劃分

結(jié)合水利水電工程對(duì)閘門啟閉機(jī)的需求，按照使用中不同的行為與特征對(duì)其進(jìn)行分類。如表1所示。除上述表1中提出的對(duì)閘門啟閉機(jī)類型劃分方式，人工也常采用其設(shè)備的綜合功能對(duì)其命名，包括卷揚(yáng)式閘門啟閉機(jī)、門式閘門起重機(jī)等。

2水利水電工程閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)選型

2.1閘門啟閉機(jī)機(jī)械參數(shù)布設(shè)

為了滿足水利水電工程運(yùn)行中閘門啟閉機(jī)對(duì)其起到的支撐作用，本章將對(duì)閘門啟閉機(jī)機(jī)械相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與布設(shè)。在此過程中，應(yīng)根據(jù)水利水電工程內(nèi)大壩區(qū)段的進(jìn)水口供電數(shù)量，在每個(gè)進(jìn)水孔洞位置處布設(shè)一扇6.5×10.0-60.0（長度×寬度-水頭高度，下述設(shè)計(jì)同上）膠木材質(zhì)的滑輪通道對(duì)其進(jìn)行支撐，并利用局部水流下落的時(shí)間，進(jìn)行閘門平面參數(shù)設(shè)計(jì)。為了滿足水利水電工程的安全與穩(wěn)定運(yùn)行需求，避免閘門運(yùn)行機(jī)組出現(xiàn)飛逸或轉(zhuǎn)速事故的現(xiàn)象發(fā)生，要求每個(gè)滑輪機(jī)組可在最長1.0～2.0min內(nèi)完成下降封閉閘門口的行為，此過程可在每個(gè)閘門啟閉機(jī)的進(jìn)水口安裝一個(gè)液壓啟閉機(jī)的方式實(shí)施。在60.0m以下的水頭高度（閘門啟閉的最終樞紐）時(shí)，要求供電動(dòng)力開關(guān)可制成最少300.0t的水壓；在5.0～10.0m以下的水頭高度時(shí)，要求供電動(dòng)力開關(guān)可制成最少150.0t的水壓。當(dāng)閘門啟閉機(jī)的行程為250.0mm（包括平行閘門的運(yùn)行行程）時(shí)，閘門啟閉機(jī)中液壓泵的容量至少為150.0～300.0L，輸油量的速度最低為100.0kg/min，可承受壓力最低為135.0kg/cm3。上述設(shè)計(jì)過程中考慮到閘門啟閉機(jī)的活塞桿狀態(tài)，采用油泵閘門自動(dòng)啟動(dòng)的方式，控制活塞桿的沉降，以此完成對(duì)閘門啟閉機(jī)機(jī)械參數(shù)的布設(shè)。

2.2閘門啟閉機(jī)節(jié)流孔設(shè)計(jì)

在完成上述參數(shù)布設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)水利水電工程的運(yùn)行需求對(duì)閘門啟閉機(jī)的節(jié)流孔洞進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中考慮到工程節(jié)流需求，可根據(jù)油蓋下節(jié)墊氣圈的差動(dòng)閥門運(yùn)行，通過對(duì)節(jié)流孔面積的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)閘門啟閉機(jī)油量的控制。在對(duì)進(jìn)油孔進(jìn)行內(nèi)孔面積設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到原設(shè)計(jì)孔洞φ18.0mm過低，無法滿足1.0～2.0min內(nèi)完成下降封閉閘門口行為的需求，因此對(duì)其節(jié)流孔面積進(jìn)行了改進(jìn)。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，對(duì)閘門啟閉機(jī)節(jié)流孔在單位時(shí)間內(nèi)通過油量進(jìn)行核算。計(jì)算公式如下。2gp2gpQffrrF=µ=µ（1）式中，Q表示為閘門啟閉機(jī)節(jié)流孔在單位時(shí)間內(nèi)通過的油量，計(jì)算單位為cm3/s；μ表示為液壓油流量系數(shù)，通常情況下表示為常數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)孔系數(shù)約為0.60～0.63；f表示為節(jié)流孔的單位面積，計(jì)算單位表示為cm3；g表示為常規(guī)重力加速度（9.81cm/s）；p表示為閘門啟閉機(jī)內(nèi)單位油壓，計(jì)算單位為kg/cm3；r表示為礦物油比重，計(jì)算單位為0.7～0.9×10-3kg/cm3；F表示為閘門啟閉機(jī)內(nèi)油缸的單位油壓，計(jì)算單位為kg/cm3。根據(jù)單位對(duì)閘門啟閉機(jī)節(jié)流孔在單位時(shí)間內(nèi)通過的油量，對(duì)閘門下降速度進(jìn)行控制。計(jì)算公式如下。Qf2Pg/FvFFR==µ−（2）式中，R表示為閘門下降的持住力，對(duì)公式（2）進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可得節(jié)流孔面積，如下公式（3）所示。12/rVFfµgPF⋅=⋅（3）根據(jù)上述公式，在已經(jīng)與閘門啟閉機(jī)節(jié)流孔相關(guān)參數(shù)的條件下，選擇可支撐上述條件的零構(gòu)件，以此完成此環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)。

3對(duì)比實(shí)驗(yàn)

3.1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)以某水利水電工程閘門為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該水利水電工程總庫容為4500m³，正常高水位庫容達(dá)到3850m³，有效庫容為2550m³，工程水庫面積為3.45km²，總裝機(jī)為4.5×1500kW，年利用小時(shí)為5600h，工程整體屬于雙曲拱型，設(shè)有的閘門為弧形閘門，其基本參數(shù)包括孔口尺寸、設(shè)計(jì)水頭、面板曲率半徑、支絞高度等。在實(shí)際運(yùn)行中，該水利水電工程閘門啟閉機(jī)與工作橋經(jīng)常發(fā)生干擾，為此實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該水利水電工程閘門啟閉機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，設(shè)計(jì)一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩種水利水電工程閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)選型方法進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)根據(jù)該水利水電工程閘門對(duì)啟閉作業(yè)的實(shí)際需求，選用了一臺(tái)650kN的單點(diǎn)卷揚(yáng)式平面閘門啟閉機(jī)，傳統(tǒng)閘門啟閉機(jī)為450kN單點(diǎn)卷揚(yáng)式平面閘門啟閉機(jī)；并在每個(gè)閘門的進(jìn)水口安裝一個(gè)HKH型號(hào)液壓啟閉機(jī)，閘門啟閉機(jī)中液壓泵的容量參數(shù)設(shè)置為185.0L，輸油量的最低速度設(shè)計(jì)為100.0kg/min，閘門啟閉機(jī)可承受壓力最低值設(shè)計(jì)為135.0kg/cm3；利用公式（1）對(duì)閘門啟閉機(jī)的流孔在單位時(shí)間內(nèi)通過油量進(jìn)行核算，核算值為4.52cm3/s，并利用公式（2）計(jì)算出閘門下降速度控制區(qū)間為0.025～0.055m/s；該水利水電工程閘門啟閉機(jī)按照單側(cè)后拉式布置方式布置，安裝在水利水電工程閘墩上，當(dāng)閘門孔口的寬度大于15m時(shí)，架設(shè)鋼絲繩托架。實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)如下：實(shí)驗(yàn)記錄當(dāng)水利水電工程閘門孔口的寬度在17m、19m、21m、23m、25m時(shí)，閘口水壓達(dá)到最大時(shí)，啟動(dòng)兩種方法設(shè)計(jì)的啟閉機(jī)對(duì)閘門進(jìn)行開啟閉合，每次開啟閉合次數(shù)為3次，計(jì)算出閘門啟閉平均時(shí)間，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比指標(biāo)，對(duì)兩種水利水電工程閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)選型方法進(jìn)行對(duì)比。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照上述實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)，記錄了兩種方法下，水利水電工程閘門啟閉耗時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，此次設(shè)計(jì)水利水電工程閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)選型方法應(yīng)用下，閘門啟閉耗時(shí)時(shí)間比較短，基本可以控制在20s以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法，因此實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)方法更適用于水利水電工程閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)選型。

4結(jié)語

為了確保我國水利水電工程的穩(wěn)定實(shí)施，本文開展了水利水電工程中，支撐設(shè)備閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)選型研究。并采用設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，證明了本文提出的設(shè)計(jì)選型方法在實(shí)際應(yīng)用中，相對(duì)價(jià)值更高，可滿足水利水電工程的運(yùn)行需求，具有實(shí)際應(yīng)用意義。

作者:申林 徐丹 王肇優(yōu) 王志強(qiáng) 王喆 單位:江蘇省江都水利工程管理處