水利水電工程閘門啟閉機設(shè)計探究

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摘要：傳統(tǒng)閘門啟閉機的設(shè)計選型方法存在適用性低、啟閉耗時高的問題，針對此種問題，提出一種面向水利水電工程的閘門啟閉機設(shè)計選型方法，通過分析閘門啟閉機的種類劃分方式，布設(shè)閘門啟閉機機械參數(shù)，采用油泵閘門自動啟動的方式，控制活塞桿的沉降。同時，設(shè)計閘門啟閉機節(jié)流孔，控制閘門下降速度。最后采用閘門啟閉機機型選擇的方式，選擇與水利水電工程相適用的機型，以此完成對閘門啟閉機的設(shè)計選型。此外，設(shè)計對比實驗，將設(shè)計選型方法與傳統(tǒng)方法進行對比，驗證設(shè)計的方法在應(yīng)用中可縮短啟閉耗時，運行效率更高，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；閘門啟閉機；方法

閘門啟閉機又被稱之為啟動（關(guān)閉）機開關(guān)，屬于應(yīng)用于水利工程中的大型機械設(shè)備，此設(shè)備的正常運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)計閘門啟閉機過程中，除了要滿足常規(guī)大型設(shè)備的運行需求，同時也要滿足起重類設(shè)備運行的相關(guān)參數(shù)要求。在設(shè)計閘門啟閉機中，不僅應(yīng)保持設(shè)備啟動關(guān)閉運行工程的可靠性，同時也要遵循經(jīng)濟合理性設(shè)計原則，在條件允許的情況下，甚至需要閘門啟閉機在運行中兼具多項功能?；诖耍疚膶⒕C合我國水利水電工程實施現(xiàn)狀，對工程中的支撐性設(shè)備閘門啟閉機進行選型設(shè)計。

1閘門啟閉機種類劃分

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

2水利水電工程閘門啟閉機的設(shè)計選型

2.1閘門啟閉機機械參數(shù)布設(shè)

為了滿足水利水電工程運行中閘門啟閉機對其起到的支撐作用，本章將對閘門啟閉機機械相關(guān)參數(shù)進行設(shè)計與布設(shè)。在此過程中，應(yīng)根據(jù)水利水電工程內(nèi)大壩區(qū)段的進水口供電數(shù)量，在每個進水孔洞位置處布設(shè)一扇6.5×10.0-60.0（長度×寬度-水頭高度，下述設(shè)計同上）膠木材質(zhì)的滑輪通道對其進行支撐，并利用局部水流下落的時間，進行閘門平面參數(shù)設(shè)計。為了滿足水利水電工程的安全與穩(wěn)定運行需求，避免閘門運行機組出現(xiàn)飛逸或轉(zhuǎn)速事故的現(xiàn)象發(fā)生，要求每個滑輪機組可在最長1.0～2.0min內(nèi)完成下降封閉閘門口的行為，此過程可在每個閘門啟閉機的進水口安裝一個液壓啟閉機的方式實施。在60.0m以下的水頭高度（閘門啟閉的最終樞紐）時，要求供電動力開關(guān)可制成最少300.0t的水壓；在5.0～10.0m以下的水頭高度時，要求供電動力開關(guān)可制成最少150.0t的水壓。當(dāng)閘門啟閉機的行程為250.0mm（包括平行閘門的運行行程）時，閘門啟閉機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)計過程中考慮到閘門啟閉機的活塞桿狀態(tài)，采用油泵閘門自動啟動的方式，控制活塞桿的沉降，以此完成對閘門啟閉機機械參數(shù)的布設(shè)。

2.2閘門啟閉機節(jié)流孔設(shè)計

在完成上述參數(shù)布設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)水利水電工程的運行需求對閘門啟閉機的節(jié)流孔洞進行設(shè)計。設(shè)計過程中考慮到工程節(jié)流需求，可根據(jù)油蓋下節(jié)墊氣圈的差動閥門運行，通過對節(jié)流孔面積的改進，實現(xiàn)對閘門啟閉機油量的控制。在對進油孔進行內(nèi)孔面積設(shè)計時，考慮到原設(shè)計孔洞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，因此對其節(jié)流孔面積進行了改進。根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，對閘門啟閉機節(jié)流孔在單位時間內(nèi)通過油量進行核算。計算公式如下。2gp2gpQffrrF=µ=µ（1）式中，Q表示為閘門啟閉機節(jié)流孔在單位時間內(nèi)通過的油量，計算單位為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表示為閘門啟閉機內(nèi)單位油壓，計算單位為kg/cm3；r表示為礦物油比重，計算單位為0.7～0.9×10-3kg/cm3；F表示為閘門啟閉機內(nèi)油缸的單位油壓，計算單位為kg/cm3。根據(jù)單位對閘門啟閉機節(jié)流孔在單位時間內(nèi)通過的油量，對閘門下降速度進行控制。計算公式如下。Qf2Pg/FvFFR==µ−（2）式中，R表示為閘門下降的持住力，對公式（2）進行轉(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。

3對比實驗

3.1實驗準(zhǔn)備

實驗以某水利水電工程閘門為實驗對象，該水利水電工程總庫容為4500m³，正常高水位庫容達到3850m³，有效庫容為2550m³，工程水庫面積為3.45km²，總裝機為4.5×1500kW，年利用小時為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)計水頭、面板曲率半徑、支絞高度等。在實際運行中，該水利水電工程閘門啟閉機與工作橋經(jīng)常發(fā)生干擾，為此實驗利用此次設(shè)計方法與傳統(tǒng)方法對該水利水電工程閘門啟閉機進行設(shè)計選型，設(shè)計一組對比實驗，對兩種水利水電工程閘門啟閉機設(shè)計選型方法進行對比分析。實驗根據(jù)該水利水電工程閘門對啟閉作業(yè)的實際需求，選用了一臺650kN的單點卷揚式平面閘門啟閉機，傳統(tǒng)閘門啟閉機為450kN單點卷揚式平面閘門啟閉機；并在每個閘門的進水口安裝一個HKH型號液壓啟閉機，閘門啟閉機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)計為100.0kg/min，閘門啟閉機可承受壓力最低值設(shè)計為135.0kg/cm3；利用公式（1）對閘門啟閉機的流孔在單位時間內(nèi)通過油量進行核算，核算值為4.52cm3/s，并利用公式（2）計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，架設(shè)鋼絲繩托架。實驗環(huán)境設(shè)計如下：實驗記錄當(dāng)水利水電工程閘門孔口的寬度在17m、19m、21m、23m、25m時，閘口水壓達到最大時，啟動兩種方法設(shè)計的啟閉機對閘門進行開啟閉合，每次開啟閉合次數(shù)為3次，計算出閘門啟閉平均時間，將其作為實驗結(jié)果對比指標(biāo)，對兩種水利水電工程閘門啟閉機設(shè)計選型方法進行對比。

3.2實驗結(jié)果分析

按照上述實驗過程設(shè)計，記錄了兩種方法下，水利水電工程閘門啟閉耗時數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，此次設(shè)計水利水電工程閘門啟閉機設(shè)計選型方法應(yīng)用下，閘門啟閉耗時時間比較短，基本可以控制在20s以內(nèi)，遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)方法，因此實驗證明了設(shè)計方法更適用于水利水電工程閘門啟閉機的設(shè)計選型。

4結(jié)語

為了確保我國水利水電工程的穩(wěn)定實施，本文開展了水利水電工程中，支撐設(shè)備閘門啟閉機的設(shè)計選型研究。并采用設(shè)計對比實驗的方式，證明了本文提出的設(shè)計選型方法在實際應(yīng)用中，相對價值更高，可滿足水利水電工程的運行需求，具有實際應(yīng)用意義。

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