CN105178262B - 连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门，包括闸墩和闸室，还包括双层对开式闸门、空间斜轴和减振牵引装置；两侧闸墩上对称地布置有上、下两段空间斜轴；在闸门背水面与闸墩之间设置有减振牵引装置；减振牵引装置包括连杆、滑块、滑轨和牵引弹簧；所述的连杆一端固定在靠近每个闸门内侧边缘的中间处，连杆的另一端通过万向铰与滑块连接；所述的滑轨，布设在闸门下游一侧的闸墩上；滑块可活动的安装在滑轨内；牵引弹簧一端通过弹簧座固定在闸墩上，另一端与滑块连接；本发明能更好地随水位下降而及时减小闸门开度，更好地实现了自动完成蓄水及泄水目的。

Description

连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门

一、所属领域

本发明涉及一种连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门。

二、背景技术

水力自动翻板闸门是一种节能、环保型闸门，在我国已经有很广泛地应用，但存在着：水力特性较复杂、闸板及其支承结构产生了巨大水流阻力、受到水流的巨大压力作用、运行中会出现“拍打”破坏现象、启闭不灵活等问题。为此，研发了斜轴式水力自控闸门等。

斜轴式水力自控闸门，能很好地自动完成蓄、泄水对闸门工作的要求，可替代水力自动翻板闸门、常规闸门、浆砌石拦河坝、橡胶坝等设施进行蓄泄水工作，能随着上游水位高低自动调整闸门的开度，自动完成蓄水、泄水工作，同时，自身受力小，使闸墩等建筑物受力减小，工作条件更加完善，解决了水力自动翻板闸门、常规闸门、浆砌石拦河坝、橡胶坝等蓄水建筑物受力大，结构稳定性差，漏水淤积，改变了河道自然状态，闸门工作需要外力控制等不足。但斜轴式水力自控闸门，由于斜轴式水力自控闸门只设计有一扇闸门，由于下泄水流不对称，流态较为复杂，所以，研发了对开斜立轴式水力自控闸门(申请号：2015203210641)，解决了水流状态不对称的问题。再者，斜轴式水力自控闸门及对开斜立轴式水力自控闸门由于斜轴只在垂直面内倾斜，即斜轴为平面斜轴，当闸门开度较大时，闸门自重产生的使闸门关闭的力矩减小，不利于闸门的关闭。为了使闸门水流状态理稳定，闸门受力更小，结构更加稳定安全，使用更加灵巧，发明人在上述研究基础上进行了改进，研发了连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门。

三、发明内容

本发明提供了一种连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门，无需外动力，即可由上游来水情况实现闸门的自动启闭，闸门渐开性好，开启与关闭更加省力，同时，闸门蓄水性能好，泄流能力强，水流流动对称，状态稳定，不会产生“拍打”失稳的现象，同时，当闸门达到较大开度后，能更好地随水位下降而及时减小闸门开度，更好地实现了自动完成蓄水及泄水目的。

一种连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门，包括由闸墩与闸底板浇筑为一个整体构成的闸室；闸墩对称地垂直布设在闸底板的两侧；还包括双层对开式闸门、空间斜轴和减振牵引装置。

两侧闸墩上对称地布置有上、下两段空间斜轴，空间斜轴是指不仅在水流方向的铅直面上向上游倾斜，同时还在垂直于水流方向的铅直面上向闸室内(即两侧闸墩之间)倾斜，即空间斜轴上端同时向水流上游方向和闸室中心线方向倾斜；两段空间斜轴上下紧邻安装，且上、下两段空间斜轴位于同一条直线上；下层对开闸门的空间斜轴下端固定在闸墩与闸底板连接处；空间斜轴与闸底板形成α夹角，与平行于上、下游方向的铅直面形成β夹角，α、β的大小根据闸门材料、重量、上游水位以及闸门要求的开度等参数综合分析计算确定；闸室内侧的闸墩面设计成上、下两段，即闸室内侧安装空间斜轴位置的上游段闸墩面和下游段闸墩面分别设计成扭面；所述的双层对开式闸门由上、下两层闸门构成，每层闸门均由两个大小一样的、对称布置的闸门组成；每层闸门的左右两扇闸门的宽度之和略大于两侧闸墩之间净距；上、下两层闸门分别固定在两侧闸墩相应的上、下两段空间斜轴上；当上、下双层对开式闸门同时完全关闭时：上、下双层对开式闸门在立面上的投影高度与闸墩高度相等或稍低，且下层闸门的下端面支撑在闸底板上，上层闸门的下端面与下层闸门的上端面相接触，并且上下两层闸门的接触缝分别对齐；每层对开式闸门的两扇闸门可分别绕着各自的空间斜轴向下游方向在0°到90°左右的范围内转动(闸门的最大开度可根据当地情况，由设计条件确定)，但不能沿着空间斜轴的轴线方向上下移动；

在闸门背面(即闸门的背水面)与闸墩之间设置有减振牵引装置；减振牵引装置包括连杆、滑块、滑轨和牵引弹簧；所述的连杆一端通过万向铰固定在靠近每个闸门内侧边缘的中间处，连杆的另一端通过万向铰与滑块连接；所述的滑轨，布设在闸门下游一侧的闸墩上；每个闸墩内侧壁上沿水流方向水平设有滑轨；滑块可活动的安装在滑轨内，即滑块可在滑轨内前后滑动，但不能滑出滑轨；所述的牵引弹簧，一端通过弹簧座固定在闸门背面(即闸门背水面)靠近空间斜轴的闸墩上，牵引弹簧另一端与滑块连接，牵引弹簧与滑轨在同一直线上，牵引弹簧的移动方向和滑轨的方向相同；弹簧常数由闸门所受力情况，分析确定，以能保证上游水位上升到一定高度时，闸门能全部打开为准。

当上游水位由较高水位开始下降时，闸门在弹簧的牵引力作用下，通过连杆传递到闸门上，能更好地及时减小闸门开度，更好地控制下泄流量大小。连杆和牵引弹簧所产生的弹簧牵引力，再加上闸门受到的水压力及自重，它们之间的相互作用，使闸门处在一个受力平衡状态，能很好地起到减轻闸门振动的作用。

所以，减振牵引装置的主要作用是：第一，可以有效地控制闸门工作过程中的振动。第二，解决当闸门开度较大、使闸门自重产生的绕空间斜轴转动的力矩较小、不能更好地及时随水位下降而自动减小开度的问题。

本发明工作时，当上游来水量变化后，使水位发生改变，这样作用在闸门上的水压力也会随之变化，闸门在水压力、闸门自重及弹簧牵引力共同作用下，可自动完成闸门的开启和关闭过程：

首先将两侧的空间斜轴分别对称地装置在两侧闸墩上，并通过锚固结构与闸墩之间刚性连接，再将上、下双层对开式闸门通过轴承或铰分别对称地固定在两侧的空间斜轴上，当上游来水量增大，闸门前水位升高到一定高度时，上游来水作用在闸门上的力矩(绕空间斜轴的力矩)大于闸门自重及弹簧牵引力通过连杆所产生的绕空间斜轴的力矩，在克服了转动摩擦力作用后，会首先使下层两扇对开闸门分别绕着各自的空间斜轴向水流下游方向转动，下层对开闸门自动打开，并通过闸门与闸门之间、闸门与闸底板之间的过水断面向下游泄水；此时，上层对开闸门保持不动；当上游来水量维持一定量不再变化时，下层对开闸门下泄流量与上游来水量相等，闸门前水位保持稳定，闸门开度保持稳定；如果上游来水量进一步增加，闸门前水位升高到一定高度时，水压力作用在下层对开闸门的力矩进一步大于闸门自重及弹簧牵引力通过连杆所产生的绕空间斜轴的力矩，下层对开闸门向水流下游方向的开度会进一步增大，使下泄流量进一步增大，同时，上层对开闸门在水压力作用下，水压力产生的力矩(绕空间斜轴的力矩)大于上层对开闸门自重及弹簧牵引力通过连杆所产生的绕空间斜轴的力矩，克服了转动摩擦后，也会自动绕着各自的空间斜轴向水流下游方向转动，上层对开闸门也会自动打开，设计时，上层对开闸门自动开启的水位，应通过当地水流特性及工作要求，合理确定(可以是下层对开闸门打开到某一开度时，随着上游水位的升高上层对开闸门即自动开启，也可以是下层对开闸门全部开启后，上层对开闸门再随着水位上升而自动开启，即上、下两层闸门的开启时间，可根据当地的实际情况合理确定)。若当上游来水量增大到一定量不再变化时，闸门前水位保持稳定，闸门下泄流量与上游来水量相等，上、下内层对开闸门的开度保持稳定；当上游来水量增大到一定程度、闸门前水位上升到一定高度后，下层对开闸门会全部打开，可使下层对开闸门绕空间斜轴向水流下游方向旋转90°左右，此时，下层对开闸门与闸墩靠近，下层对开闸门开度达到最大；当上游来水量再进一步增大到一定程度、闸门前水位上升到一定高度后，上层对开闸门也会全部自动打开，可使上层对开闸门亦绕各自的空间斜轴向水流下游方向旋转90°左右，此时，上层对开闸门与闸墩靠近，上层对开闸门开度达到最大，这样，上、下两层对开闸门全部开启，开度达到最大，使下泄能力达到最大，以很好地完成泄洪的需要。

空间斜轴的设计保证了闸门在不同开度时，闸门重量及弹簧的作用力产生的关门力矩能足以将闸门关闭，解决了斜轴式水力自控闸门开度较大时，闸门自重产生的使闸门关闭的力矩减小，不利于闸门的关闭的问题；闸墩面扭面的设计使闸室内水流状态稳定；当闸门关闭时，由于双层对开式闸门的每层对开闸门之间产生的挤压力，可以使闸门更加稳定；闸门可采用平面闸门，并有适当的重量，闸门的重量视上游水深大小而定，以保证在上游水压力作用下，能自由开启、关闭，并保证安全运行为原则；两扇闸门之间、闸门与两侧闸墩及闸门与闸底板之间均设置有止水，以防止闸门关闭时产生漏水；

为防止闸门在工作过程中产生振动，在上、下两层对开闸门与闸墩之间，设置有减振牵引装置，当闸门有一定的开度，由于连杆的作用，使滑块在滑轨内，沿着向下游的方向滑动，牵引弹簧受到一定的拉力，牵引弹簧被拉紧一定的程度，起到了减振作用，并完成了储能的过程；当上游来水量维持一定量不再变化时，下泄流量与上游来水量相等，闸门前水位保持稳定，闸门开度保持稳定；如果上游来水量进一步增加，则闸门前水位进一步升高，闸门向水流下游方向的开度会进一步增大，使下泄流量进一步增大，牵引弹簧被进一步拉紧，当闸门开度达到最大时，牵引弹簧储能达到最大；闸门在水压力、闸门自重及弹簧弹力共同作用下，可以很好地减轻闸门的振动，使闸门工作更加平稳。

当上游来水量减小时，闸门前水位会随之下降，使得上游水压力作用在上层对开闸门上的力矩小于闸门自重及弹簧牵引力通过连杆所产生的绕空间斜轴的力矩，在克服了转动摩擦之后，上层对开闸门会自动向着水流上游的方向转动，则闸门的开度会自动减小，从而减小下泄流量；若当上游来水量减小到一定量不再变化时，则闸门前水位保持稳定，闸门下泄流量与上游来水量相等，并保持不变，上层对开闸门开度保持稳定；当上游来水量进一步减小时，水位进一步下降，上游水压力作用在闸门上的绕空间斜轴的力矩，进一步小于闸门自重及弹簧牵引力通过连杆所产生的绕空间斜轴的力矩，使得闸门进一步自动向着关闭的方向转动，则闸门的开度会进一步自动减小，同时，下层对开闸门的开度也会自动减小，从而使下泄流量进一步减小；当上游来水量减小到一定程度时，闸门前水位下降到一定高度时，上层对开闸门会自动关闭；当上游来水再进一步减小，闸门前水位下降到一定高度时，下层对开闸门会自动关闭，以保持蓄水状态。

当闸门关闭后，由于各扇闸门之间、闸门与两侧闸墩之间、闸门与闸底板之间均设置有止水，可保持闸门不漏水，完成蓄水任务，以便于兴利使用。

所以，闸门的工作完全是由上游水位的高低来自动调控的。随着上游来水量的变化，闸门自动开启并保持一定开度，以自动完成泄水需要，实现了闸门由上游来水的自动控制，实现了无人值守工作制度，非常方便实践中推广应用。同时，由于设置有上、下两层对开式闸门，开启、关闭更加方便灵活，闸门受力条件更加完善，水流下泄条件更加合理，水流状态更加稳定。

四、附图说明

图1连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门示意图

1-闸底板；2-闸墩；3-万向铰；4-连杆；5-闸门；6-止水；7-弹簧座；

8-牵引弹簧；9-滑块；10-滑轨；11-空间斜轴

五、具体实施方式

如图1所示，闸墩为两侧对称布置的混凝土结构，或钢筋混凝土结构，或浆砌石结构等，视上游水深大小而定，以保证安全稳定为依据，闸墩高度应大于上游水深，以保证安全运行为依据；闸底板为钢筋混凝土结构，或混凝土结构，或浆砌石结构等，亦视上游水深大小而定，以保证安全稳定为依据；两侧闸墩与闸底板现场浇筑，并浇筑成一个完整的整体结构，以增加其稳定性；闸门的自重视水深大小确定，以保证在上游水压力、牵引弹簧的牵引力作用下，能自由启闭并保证安全运行为原则；空间斜轴采用铸钢、合金等金属材料，并通过锚固结构固定在闸墩上，同时要做好防锈工作；对开式闸门为预制钢筋混凝土结构或具有一定重量及刚性、强度的其它材料，要求闸门质地均匀，其质量大小应满足在一定水位时，闸门能自动关闭为依据。闸门通过轴承固定在空间斜轴上，轴承可视受力大小采用滚动轴承或滑动轴承或采用铰支承，使闸门可自由地绕着空间斜轴转动；在各扇闸门之间、闸门与两侧闸墩以及闸门与闸底板之间均设置有止水，防止闸门关闭时产生漏水现象，保证正常蓄水；

连杆由金属材料制成，要求有足够的强度和刚度，以在闸门工作过程中不产生任何变形为依据，如图1所示，连杆一端通过万向铰固定在闸门上，万向铰的位置可设计在靠近闸门边缘的中间处，连杆的另一端通过万向铰与滑块连接，滑块在连杆的作用下，可以沿着滑轨滑动；滑轨固定在闸门下游的闸墩边壁上，其方向可设置为水平或向上倾斜，使得滑块可在滑轨内滑动；牵引弹簧，一端通过弹簧座固定空间斜轴稍下游的闸墩上，另一端与滑块连接，弹簧的方向要与滑轨的方向相同，且在同一直线上；弹簧常数由闸门所受力情况，分析确定，以能保证上游水位上升到一定高度时，闸门能全部打开为准，这样，当上游水位由最高水位开始下降时，闸门在弹簧的牵引力作用下，通过连杆传递到闸门上，能更好地及时减小闸门开度，更好地控制下泄流量大小。闸门在工作过程中，连杆弹簧机构所产生的弹簧牵引力、闸门自重，再加上闸门受到的水压力，在它们的相互作用，闸门处在一个受力平衡状态，能很好地起到减轻闸门振动的作用，且闸门受力较小。当上游水位由较高水位开始下降时，弹簧产生的牵引力，通过连杆作用在闸门上，能更好地及时减小闸门开度，更好地控制下泄流量大小。这样既减缓闸门在工作中产生强烈振动问题，又解决了闸门开度较大时，能更好地随着水位而自动改变开度的问题，闸门工作更加平稳。

连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门，依靠上游水位高低自动控制其开度大小，具有以下优点：

(1)结构更轻巧，无需外动力控制，不需要专人操作控制，它完全由上游来水情况自动调控，具有节省人力、物力，运行更加灵活等特点，实现了无人值守运行。

(2)能准确、及时地随着上游水位的升降，而即时地自动调节闸门开度，自动分层开启和关闭闸门，自动完成泄水和蓄水过程，使下泄流量与闸前来流量维持动态平衡，蓄水、泄水、防洪安全可靠。

(3)泄水能力更强，水流对称，流态稳定。由于设置有上、下两层的对开闸门，在上游来水作用下，可以对称地开启或关闭，使下泄水流状态对称，过水净宽大，水流阻力小，能使漂浮物顺利过闸，还兼有冲沙闸的作用，更便于冲沙冲淤，更接近河流天然状态，确保泄洪安全及河流环境安全。

(4)连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门，工作过程一直处于受力平衡状态，闸门受力小，稳定性更强。

(5)连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门由于增加了牵引弹簧，使闸门在达到较大开度后而水位开始降低时，能很好地控制、减小闸门的开度，减小下泄流量，很好地协调上游水位与闸门之间的相关关系，解决了斜轴式水力自控闸门关闭闸门较难的问题，使运行更加完善。

Claims (1)

1.一种连杆弹簧牵引式双层对开空间斜轴水力自控闸门，包括由闸墩与闸底板浇筑为一个整体构成的闸室；闸墩对称地垂直布设在闸底板的两侧；其特征在于还包括双层对开式闸门、空间斜轴和减振牵引装置；

两侧闸墩上对称地布置有上、下两段空间斜轴，空间斜轴是指不仅在水流方向的铅直面上向上游倾斜，同时还在垂直于水流方向的铅直面上向两侧闸墩之间的闸室内部倾斜，即空间斜轴上端同时向水流上游方向和闸室中心线方向倾斜；两段空间斜轴上下紧邻安装，且上、下两段空间斜轴位于同一条直线上；下层对开闸门的空间斜轴下端固定在闸墩与闸底板连接处；空间斜轴与闸底板形成α夹角，与平行于上、下游方向的铅直面形成β夹角，α、β的大小根据闸门材料、重量、上游水位以及闸门要求的开度综合分析计算确定；闸室内侧的闸墩面设计成上、下两段，即闸室内侧安装空间斜轴位置的上游段闸墩面和下游段闸墩面分别设计成扭面；所述的双层对开式闸门由上、下两层闸门构成，每层闸门均由两个大小一样的、对称布置的闸门组成；每层闸门的左右两扇闸门的宽度之和略大于两侧闸墩之间净距；上、下两层闸门分别固定在两侧闸墩相应的上、下两段空间斜轴上；当上、下双层对开式闸门同时完全关闭时：上、下双层对开式闸门在立面上的投影高度与闸墩高度相等或稍低，且下层闸门的下端面支撑在闸底板上，上层闸门的下端面与下层闸门的上端面相接触，并且上下两层闸门的接触缝分别对齐；每层对开式闸门的两扇闸门可分别绕着各自的空间斜轴向下游方向在0°-90°范围内转动，但不能沿着空间斜轴的轴线方向上下移动；

在闸门的背水面与闸墩之间设置有减振牵引装置；减振牵引装置包括连杆、滑块、滑轨和牵引弹簧；所述的连杆一端通过万向铰固定在靠近每个闸门内侧边缘的中间处，连杆的另一端通过万向铰与滑块连接；所述的滑轨，布设在闸门下游一侧的闸墩上；每个闸墩内侧壁上沿水流方向水平设有滑轨；滑块可活动的安装在滑轨内；所述牵引弹簧的一端通过弹簧座固定在闸门背水面靠近空间斜轴的闸墩上，牵引弹簧另一端与滑块连接，牵引弹簧与滑轨在同一直线上。