液压驱动拐臂式翻板闸门的设计

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摘要：本文比较了新型翻板门与传统翻板门的优缺点，介绍了新型翻板闸门的设计构想，技术难点以及解决方案。

传统翻板门的主要工作是泄洪，闸门采用水力控制，在闸门中下部设置转动轴，当转动轴上部闸门的水压大于下部的水压时，闸门便可在水压力作用下自行打开进行泄洪；受到结构的限制，闸门只能全开或全关。同时，由于闸门采用水力控制，没有启闭设备，多年使用后闸门转动轴处会产生锈蚀，从而影响翻板门的运行。

笔者对翻板门进行了分析研究，从结构上对翻板闸门进行了改进，并配置了启闭机使得新型翻板闸门更灵活，更好操作，适用性更广，不但可以用于泄洪，还可用于排漂和排冰。为此撰文介绍新型翻板闸门的设计思路和技术难点，请广大设计同行批评指正。

新型翻板闸门的结构是在平板钢闸门底部设置转动支铰，闸门的开启、关闭是门体绕转动支铰旋转，闸门可在0o～90o 范围操作。新型翻板闸门设置了启闭机，在泄洪时，泄洪流量可以得到准确的控制，同时也避免了传统平板闸门局部开启引发的撞击；在排漂时可以小开度打开闸门，用较少的水量将漂浮物冲走。

以下以设计实例说明新型翻板闸门的设计过程：某电站在溢流堰顶设置1孔排漂孔，排漂孔用于泄洪、排漂和排冰，排漂孔采用此种新型闸门，闸门孔口尺寸为8×3.6m（宽×高），堰顶水头3m，设计过程如下：

初步确定方案

根据以往闸门设计经验，初步假定闸门门体厚度0.8m，闸门重量10t。为便于顺利排漂，在溢流堰做闸门槽，闸门开启后门体处于闸门槽内，闸门面板设置在上游侧，便于排漂物从门体上流过。在侧墙上开转动轴孔，转动轴一端与拐臂连接，拐臂与液压启闭机连接。转动轴另一端通过键连接与闸门连接。拐臂安装在拐臂铰座上与基础连接，液压启闭机安装在启闭机铰座上与基础连接。侧水封采用方头P型橡皮安装在闸门上，底水封采用圆头P型橡皮安装在底坎埋件上。（方案图见 图1、图2）

结构设计计算（为节省篇幅，论文计算中略去了计算过程）

2.1 初算闸门启闭力：

通过计算可知闸门从水平位置开始闭门时，需要的闭门力最大，Fw = 92 t， 液压启闭机的容量由闭门力确定，选择1台100t液压启闭机。

2.2 转动轴计算

根据启门力计算转动轴的扭矩，从而计算出转动轴的轴径。为减轻转动轴的重量，转动轴设计成空心轴，取转动轴外径35cm，内径20cm。

传动键计算

根据转动轴的扭矩计算传动键，在本方案中单键或双键不能满足要求，故将传动键设计成6键的花键，单键宽度8cm，键的长度55cm。

至此，翻板闸门的设计基本结束，其余的为平板闸门的设计计算，不再缀述。

三、闸门设计中遇到的问题

3.1 水封结构的选择

3.2.1 底水封的选择

通常闸门设计中，水封装置安装在闸门上，本方案中，对底水封的安放进行了比较（见图 3）

方案1中，将底水封设置在闸门底部，底水封始终和底坎埋件接触，闸门底部不会过水，当闸门打开时也不会有排漂物从闸门背部通过，不会产生卡阻；但将底水封设置在闸门底部，多年运行需要更换橡皮时需将闸门整体拆开，运行维护十分不便。

方案2中，将底水封设置在闸门左侧，当闸门打开时水封脱离埋件，会有排漂物从闸门背部通过，容易产生卡阻，但更换水封橡皮方便。

方案3中，将底水封设置在底坎埋件上，底水封始终和闸门接触，闸门底部不会过水，当闸门打开时也不会有排漂物从闸门背部通过，不会产生卡阻；更换水封橡皮方便；但该方案需要闸门提供一个封水平面，这就需要侧水封橡皮采用方头“P” 型水封。

3.2.2 侧水封的选择

虽然圆头“P” 型水封的3mm压缩力（3.65Kg/cm）远小于方头“P” 型水封的3mm压缩力（23.2 Kg/cm）。但从启闭力计算可知，控制启闭机容量的不是水封摩阻力，而是闸门卧倒时的水压力。故决定闸门底水封采用方案3，侧水封采用方头“P” 型水封。

3.3 转动轴轴径的确定

在计算转动轴轴径时需要考虑到轴的强度、刚度及键的强度，通常需要经过反复计算才能确定，这一点设计者在设计过程中需要注意。

3.4 闸门支铰和拐臂支铰设计中需要注意的问题

转动轴一端与拐臂连接，拐臂安装在拐臂支铰上。转动轴另一端通过花键与闸门连接，闸门安装在闸门支铰上。这样就要求闸门支铰、拐臂支铰有很好的同心度，这对制造单位和安装单位的要求很高。

3.5 液压启闭机的选择

根据启闭机的容量和水工建筑物的布置，启闭机可以选择双油缸或单油缸，两个方案都有各自的优缺点，单油缸驱动的问题在于闸门由于单点驱动，会造成启闭力不均匀，闸门可能发生扭曲，但这个问题可以通过加大闸门刚度来解决。双油缸液压启闭机可以降低单缸的启闭容量，降低造价，但双油缸不同步的问题目前业内仍无较好的解决办法。在本方案中，闸门尺寸相对较小，设计者采用了单油缸。

3.6 液压油缸的布置

液压油缸的布置影响到油缸的容量和行程，本方案中，油缸容量为100t，行程为3m，拐臂长度为2.12m。若增加拐臂长度，则可减小油缸的容量增大油缸的行程；若减小拐臂长度，则会增大油缸的容量减小油缸的行程。这一点需要设计者根据工程的具体情况作出比较。

小结

新型翻板闸门由于采用了启闭机操作，操作范围0o～90o ,可以更准确的控制泄洪流量；也适用于需要春季排冰的水利水电工程；同时由于闸门和启闭机都在闸墩下，闸墩上无任何设备，简洁美观，也适用于城市景观工程。

参考文献：

1陈文伟 "上海市苏州河河口水闸"“水工金属结构论文集”20052水电站机电设计手册编写组“水电站机电设计手册 金属结构”水利电力出版社，1988

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。