CN106087852A - 用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门 - Google Patents

Abstract

本发明属于水力学实验模型设施，具体涉及一种用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，包括龙门式支架以及位于其下方的闸门门板、闸门门板升降控制装置，其中闸门门板升降控制装置包括与固定连接于龙门式支架上的竖直导轨相配合的第一重物块以及控制第一重物块升降的升降电机，闸门门板通过钢缆组绕接于设置在龙门式支架上的滑轮组后与第一重物块相连，龙门式支架上固定设有带有导槽的固定板，导槽与设置在闸门门板上的竖直导条配合上下滑动。闸门门板两侧边缘和底端均设置有密封缓冲条。通过升降电机控制器控制第一重物块升降，从而控制闸门门板的升降。本发明可自动开启和复位，适用于多种尺寸的水槽，省时省力，且可有效减少误差。

Description

用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门

技术领域

本发明属于水力学实验模型设施，具体涉及一种用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门。

背景技术

在矩形水槽内以闸门瞬间打开方式来获取瞬间溃坝水体的方法，被用于各种流固耦合实验，其得到的瞬间溃坝水体与其下游结构物的相互作用常被用于模拟海啸上岸、甲板上浪等自然现象。此外，溃坝水体在干床和湿床下表面中的运动实验研究数据常常被用于各种流固耦合数值模型准确性的检验。2000年左右欧盟启动了一系列关于溃坝方面的研究(The Concerted Action on Dam-Break Modeling (CADAM) )，大量运用矩形水槽并以闸门瞬间打开方式来获得溃坝水体，得到了许多珍贵的实验数据。2004年为了验证溃坝水体在湿床下表面运动形态研究的SPH数值模型，Janosi等采用竖直抽取的方式开启闸门以获得瞬间溃坝水体。2004年Soares-Frazão等同样利用闸门瞬间开启以获得溃坝水体开展流体冲击结构物的实验研究。目前所开展的此类实验都必须针对不同实验分别建造造价昂贵的溃坝实验水槽，而不能利用实验室现有普通实验水槽开展实验。另外，目前现有的溃坝水槽瞬间开启闸门还存在以下缺陷：（1）开闸门处水槽侧面及水槽底需开凹槽以卡住闸门密封水体，不仅损坏了水槽，而且流体流过凹槽时还会发生流态的变化，闸门只能设置在水槽中凹槽所在位置；（2）为了达到闸门瞬间开启目的，一般采用重物下落牵引闸门开启，然而作为水槽闸门开启动力来源的下落重物一般靠人力搬运，费时费力，闸门开启后须靠人力将其重新卡回水槽才能开始下组实验，且人工开启闸门使实验重复性较差，误差较大，不利于实验顺利快捷的进行；（3）闸门与水槽连为一体，一个闸门只能适用于单一水槽。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，其可自动开启和复位，稳定性强，且可适用于多种尺寸的矩形水槽。

为解决上述技术问题，本发明包括龙门式支架以及位于其下方的闸门门板，还包括闸门门板升降控制装置，所述闸门门板升降控制装置包括与固定连接于龙门式支架上的竖直导轨相配合的第一重物块以及控制第一重物块升降的升降电机，所述闸门门板通过钢缆组绕接于设置在龙门式支架上的滑轮组后与第一重物块相连，所述龙门式支架上固定设有带有导槽的固定板，所述导槽与设置在闸门门板上的竖直导条配合上下滑动。

进一步的，所述闸门门板两侧边缘和底端均设置有密封缓冲条。

进一步的，所述闸门门板两侧面与底端面上均开设有U形凹槽，所述密封缓冲条为设有与U形凹槽相配合的凸楞的T形橡胶条。

进一步的，所述密封缓冲条为包含一对对称卡条块的卡扣型橡胶条，所述闸门门板开设有与对称卡条块相配合的卡槽。

进一步的，所述滑轮组包括定滑轮和变速转轮，所述变速转轮包括同轴安装的相互配合的大滑轮和小滑轮。

进一步的，所述龙门式支架包括第一竖直支撑杆、第二竖直支撑杆和第三竖直支撑杆，以及两端分别与第一竖直支撑杆和第二竖直支撑杆固定连接的第一龙门横梁，两端分别与第二竖直支撑杆和第三竖直支撑杆固定连接的第二龙门横梁，所述固定板两侧端分别与第一竖直支撑杆和第二竖直支撑杆可拆卸固定连接；所述闸门门板顶端与第一钢缆的一端相连接，第一钢缆的另一端绕过定滑轮后绕接于大滑轮上；所述小滑轮与第二钢缆的一端绕接，第二钢缆的另一端与第一重物块相连接；所述第一重物块与第三钢缆的一端相连，第三钢缆的另一端绕接于升降电机的转盘上。

进一步的，所述导槽为T型槽，所述竖直导条的左右侧壁各设有一组滚轮，所述滚轮配合嵌入导槽内的一对对称竖直凹槽中。

进一步的，所述导槽为燕尾槽，所述竖直导条呈与该导槽相配合的燕尾形结构。

进一步的，所述第一竖直支撑杆、第二竖直支撑杆和第三竖直支撑杆底端均螺纹固定连接有固定铅块，所述第一竖直支撑杆、第二竖直支撑杆和第三竖直支撑杆均分别铰接连接有一对斜向支撑杆。

进一步的，所述竖直导轨底端设有重物缓冲垫。

本发明的有益效果如下：

1.本发明闸门门板升降的控制装置，包括定滑轮、变速转轮和升降机，第一重物下落所产生的牵引速度被变速转轮放大后传送到闸门门板，从而得到更加快速的闸门门板开启速度。相对于人工开启闸门，本发明闸门的提升速度更快，便于更加有效地模拟溃坝水体，误差较小，且实验的可重复性大大得到提高，有效节省劳力和时间，便于实验顺利快捷的进行。

2.本发明所述闸门门板两侧边缘和底端均设置有密封缓冲条，不必在水槽底部开设凹槽便可有效实现闸门门板与水槽内壁之间的密封，从而有效避免因凹槽的存在而导致流体流态改变的情况，大大减少实验误差。

3. 本发明所述闸门门板两侧面与底端面均开设有U形凹槽，且密封缓冲条包含与U形凹槽相配合的凸楞，凸楞嵌入U形凹槽后由紧固螺钉固定。或者在密封缓冲条上开设有可供闸门门板两侧或底端卡入的空腔，闸门门板上对称开设有与密封缓冲条上的对称卡条块相配合的卡槽。从而使得密封缓冲条可以更加牢固地固定在闸门门板上，有效避免闸门门板快速的升降过程中密封缓冲条的脱落与错位，保证实验的顺利进行。

4. 本发明所述闸门门板设置有可与导槽配合上下滑动的竖直导条，所述导槽为T型槽或者燕尾槽，因而闸门门板升降过程中均沿导槽上下运动，有效避免了快速升降过程中闸门门板的左右及前后摆动，保证闸门门板稳定、准确地卡入水槽，无需人工辅助，省时省力。

5. 本发明所述固定板的安装高度可调，因而可根据水槽的深度调整固定板的安装位置，使得本发明适用范围更广。

6.本发明所述闸门门板与密封缓冲条之间可拆卸连接，可根据实验水槽的宽度及深度更换闸门门板、设置密封缓冲条，因而本发明可适用于多种不同尺寸的水槽。

7. 本发明所述第一竖直支撑杆、第二竖直支撑杆和第三竖直支撑杆均分别铰接连接有一对斜向支撑杆，使得龙门式支架主要支撑杆呈三角形结构，更加稳定。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的侧视图；

图3是本发明中T形橡胶条的结构示意图；

图4是本发明中与T形橡胶条相配合的闸门门板的结构示意图；

图5是本发明中T形橡胶条与闸门门板的结合示意图；

图6是本发明中卡扣型橡胶条的结构示意图；

图7是本发明中与卡扣型橡胶条相配合的闸门门板的结构示意图；

图8是本发明闸门门板竖直导条与固定板导槽第1种配合方式示意图；

图9是本发明闸门门板竖直导条与固定板导槽第2种配合方式示意图；

图10是本发明闸门门板竖直导条与固定板导槽第3种配合方式示意图；

图11是本发明闸门门板竖直导条与固定板导槽第4种配合方式示意图；

图12是本发明变速转轮的结构示意图。

其中，1是第一竖直支撑杆；2是闸门缓冲垫；3是第一龙门横梁；4是定滑轮；5是第一钢缆；6是第二竖直支撑杆；7是第二龙门横梁；8是变速转轮；9是大滑轮；10是小滑轮；11是升降电机；12是第二钢缆；13是固定板；14是导槽；15是滚轮；16是闸门门板；17是第二重物块；18是竖直导条；19是固定铅块；20是第三钢缆；21是第一重物块；22是第三竖直支撑杆；23是升降电机控制器；24是水槽；25是密封缓冲条；251是T形橡胶条；252是卡扣型橡胶条；26是重物缓冲垫；27是竖直导轨；28是U形凹槽；29是凸楞；30是紧固螺钉；31是斜向支撑杆；32是连接轴；33是卡条块；34是卡槽；35是竖直凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本发明主要包括龙门式支架、闸门门板16以及闸门门板升降控制装置。其中龙门式支架可根据需要设置竖直支撑杆的数量，本发明中龙门式支架包括第一竖直支撑杆1、第二竖直支撑杆6、第三竖直支撑杆22、第一龙门横梁3和第二龙门横梁7。第一龙门横梁3和第二龙门横梁7为一体成型结构或者采用焊接、螺纹连接等方式固定连接，第一龙门横梁3的两端分别与第一竖直支撑杆1和第二竖直支撑杆6的顶端螺纹连接或者焊接，第二龙门横梁7的两端分别与第二竖直支撑杆6和第三竖直支撑杆22的顶端螺纹连接或者焊接。如图2所示，第一竖直支撑杆1、第二竖直支撑杆6和第三竖直支撑杆22的前后均铰接连接有一对斜向支撑杆31，且第一竖直支撑杆1、第二竖直支撑杆6和第三竖直支撑杆22底部均螺纹固定连接有固定铅块19，从而使得该龙门式支架更加稳固。为增加闸门门板16的下落速度，在闸门门板16上设置一组第二重物块17。

如图1所示，本发明第一竖直支撑杆1和第二竖直支撑杆6上均开设有一组安装孔，安装孔的开设位置及间距大小根据固定板13的高度及水槽的高度而定。根据需要将固定板13通过螺纹连接或者销接等连接方式固定安装在第一竖直支撑杆1和第二竖直支撑杆6之间。固定板13上端设有与闸门门板16相配合的闸门缓冲垫2，固定板13上螺纹连接或者焊接有导槽14，闸门门板16上螺纹固定连接有一根可与导槽14配合上下滑动的竖直导条18。安装时，竖直导条18从固定板13的上端卡入与之相配合的导槽14中。本发明导槽14和竖直导条18的配合方式优选采用以下4种：

第1种配合方式如图8所示：固定板13为一块具有一定厚度的矩形板，导槽14开设在另外一块矩形条块上并通过螺纹连接或焊接固定在固定板13表面上。导槽14为T型槽，其内部两侧对称开设有一对竖直凹槽35，竖直导条18的左右侧壁上各设有一组滚轮15，滚轮15可配合嵌入竖直凹槽35中，滚轮的数量根据需要设置。

第2种配合方式如图9所示：第2种配合方式与第1种配合方式的不同点仅在于固定板13采用厚度更大一些的矩形板，导槽14直接开设在固定板13的中央位置，固定板13和导槽14为一体成型结构。

第3种配合方式如图10所示：固定板13为一块具有一定厚度的矩形板，导槽14开设在另外一块矩形条块上并通过螺纹连接或焊接固定在固定板13表面上。导槽14为燕尾槽，竖直导条18也呈燕尾形结构，与导槽14相配合，可恰好牢固卡入导槽14中。

第4种配合方式如图11所示：第4种配合方式与第3种配合方式的不同点仅在于固定板13采用厚度更大一些的矩形板，导槽14直接开设在固定板13的中央位置，固定板13和导槽14为一体成型结构。

本发明导槽14和竖直导条18第1种和第3种配合方式的优点在于，导槽14在固定板13上的安装位置可以根据需要进行调整，为了达到更加稳定的效果，可以设置多组相互配合的导槽和竖直导条。同时，该设计方式使得固定板13和闸门门板16之间存在一定距离，可有效避免闸门门板16升降过程中与固定板13产生摩擦从而影响升降速度的问题。本发明导槽14和竖直导条18第2种和第4种配合方式的优点在于，导槽14为开设在固定板13上的凹槽，整个装置安装过程省略了导槽14的安装步骤，节省时间。同时，这种设计方式使得固定板13和闸门门板16之间的距离不至于过大而引起闸门门板16升降过程中的晃动，有效增强稳定性。另外，本发明导槽14和竖直导条18第1种和第2种配合方式中滚轮15的设计，可有效减少竖直导条18在导槽14中上下滑动时的摩擦力。

现有的溃坝水槽瞬间开启闸门往往需要在开闸门处水槽侧面及水槽底开设凹槽以卡住闸门，达到密封水体的效果，这种方式不仅损坏了水槽，而且会使流体流过凹槽时发生流态的变化，影响实验效果。另外，闸门门板还只能设置在水槽中凹槽所在位置。为解决该问题，本发明采用不在水槽内开设凹槽，而是在闸门门体16的两侧边缘和底端均设置密封缓冲条25，密封缓冲条25可以是U型整体，也可以是分开结构。使得本发明在水槽24底部不设置凹槽的情况下，依旧可使闸门门板16与水槽24的内壁密封连接。本发明中密封缓冲条25和闸门门板16的配合方式优选为以下两种：

本发明中密封缓冲条25和闸门门板16的第1种配合方式如图3、图4和图5所示，密封缓冲条25为T形橡胶条251，包含有与U形凹槽28相配合的凸楞29结构，凸楞29嵌入U形凹槽28后由紧固螺钉30固定。T形橡胶条251在闸门门板16侧壁上的设置高度以略高于水槽高度为宜。

本发明中密封缓冲条25和闸门门板16的第2种配合方式如图6和图7所示，密封缓冲条25为卡扣型橡胶条252，卡扣型橡胶条252上开设有可供闸门门板16两侧或底端卡入的空腔，闸门门板16上对称开设有与密封缓冲条252上的对称卡条块33相配合的卡槽34。安装时，将卡扣型橡胶条252开口处撑开卡入闸门门板16，使得卡条块33卡入卡槽34即可将卡扣型橡胶条252固定，有效防止闸门门板16升降过程中卡扣型橡胶条252滑脱。

如图1所示，本发明第二竖直支撑杆6和第三竖直支撑杆22之间设有顶端螺纹连接或者焊接固定在第二龙门横梁7上的竖直导轨27，竖直导轨27底端设有重物缓冲垫26，竖直导轨27上设置有可相对其上下滑动的第一重物块21。控制闸门门板16升降的控制装置包括设置在第一龙门横梁3上的定滑轮4、设置在第二龙门横梁7上的变速转轮8和升降电机11以及设置在第三竖直支撑杆22上的升降电机控制器23。如图12所示，第二龙门横梁7上开设有可供变速转轮8安装放置的空腔，变速转轮8主要由大滑轮9、小滑轮10和连接轴32组成，变速转轮8通过连接轴32固定在第二龙门横梁7的空腔内。闸门门板16上端部呈等腰三角形结构，第一钢缆5的一端与该等腰三角形的顶点相连接，另一端绕过定滑轮4后缠绕于大滑轮9上。第二钢缆12的一端缠绕于小滑轮10上，另一端与第一重物块21相连接。第三钢缆20的一端与第一重物块21相连接，另一端绕接于升降电机11的转盘上，升降电机11通过电线与升降电机控制器23相连接。升降电机11控制着转盘的转动速度及方向，当按下升降电机控制器23的上升按钮时，升降电机11带动转盘转动，第三钢缆20缠绕于转盘上，使得第一重物块21上升，随后锁定转盘，使其不再转动。当需要快速开启闸门门板16时，按下升降电机控制器23的下降按钮，解除转盘的锁定，缠绕于转盘上的第三钢缆20脱离转盘，使得第一重物块21开始迅速下落。第一重物块21下落牵引第二钢缆12产生的速度将被变速转轮8放大后传送到闸门门板16，从而有效增加了闸门门板16的上升速度。

实验开始前，闸门门板16稳定在水槽24上方与闸门缓冲垫2下方的某一高度，第一重物块21处于重物缓冲垫26上。第一钢缆5和第二钢缆12皆处于紧绷状态，第一重物块21与升降电机11之间的第三钢缆20处于松弛状态。

实验开始时，通过升降电机控制器23控制升降电机11将第一重物块21缓慢升到实验所需要的闸门开启速度所对应的高度并锁死。由于第一重物块21下落时接近自由落体运动，因此再结合变速转轮8的速度放大倍率，可大致计算得出相应的闸门开启速度。从而根据实验所需要的闸门开启速度可计算得出其所对应的第一重物块21的高度位置。在第一重物块21的上升初期，第一钢缆5和第二钢缆12依旧处于紧绷状态，闸门门板16在其上第二重物块17的重力作用下竖直缓慢插入水槽24中，将水槽24一侧水体闸住。第一重物块21继续上升，此后第一钢缆5和第二钢缆12将处于松弛状态。需要打开闸门门板16时，通过升降电机控制器23打开升降电机11中的锁死装置，第一重物块21在重力作用下沿竖直导轨27竖直下落。第一重物块21下落初期，第一钢缆5和第二钢缆12将处于松弛状态，第一重物块21处于自由下落状态。当第一重物块21下落到一定高度时，第二钢缆12瞬间绷紧并通过变速转轮8带动第一钢缆5瞬间绷紧，从而使得闸门门板16从水槽24中瞬间抽出。闸门门板16抽出瞬间，第一重物块21在重物缓冲垫26的缓冲下落地，闸门门板16在重力作用下减速沿导槽14继续上升并在闸门缓冲垫2的作用下停止。由于重力作用，闸门门板16又将下落并最终稳定在水槽24与闸门缓冲垫2之间的某一位置。

本发明还可应用于不同尺寸的水槽24中，只需要更换相应尺寸的闸门门板16即可。此外如果要适应不同高度的水槽24，只将固定板13沿第一竖直支撑杆1和第二竖直支撑杆6上移或下移一个或多个安装孔间隔的位移，再调整第一钢缆5和第二钢缆12的长度到其均处于紧绷状态下且第一重物块21位于重物缓冲垫26上时闸门门板16正好悬于水槽24和闸门缓冲垫2之间即可。

Claims (10)

1.用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，包括龙门式支架以及位于其下方的闸门门板（16），其特征在于还包括闸门门板升降控制装置，所述闸门门板升降控制装置包括与固定连接于龙门式支架上的竖直导轨（27）相配合的第一重物块（21）以及控制第一重物块（21）升降的升降电机（11），所述闸门门板（16）通过钢缆组绕接于设置在龙门式支架上的滑轮组后与第一重物块（21）相连，所述龙门式支架上固定设有带有导槽（14）的固定板（13），所述导槽（14）与设置在闸门门板（16）上的竖直导条（18）配合上下滑动。

2.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，其特征在于所述闸门门板（16）两侧边缘和底端均设置有密封缓冲条（25）。

3.根据权利要求1或2所述的用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，其特征在于所述闸门门板（16）两侧面与底端面上均开设有U形凹槽（28），所述密封缓冲条（25）为设有与U形凹槽（28）相配合的凸楞（29）的T形橡胶条（251）。

4.根据权利要求1或2所述的用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，其特征在于所述密封缓冲条（25）为包含一对对称卡条块（33）的卡扣型橡胶条（252），所述闸门门板（16）开设有与对称卡条块（33）相配合的卡槽（34）。

5.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，其特征在于所述滑轮组包括定滑轮（4）和变速转轮（8），所述变速转轮（8）包括同轴安装的相互配合的大滑轮（9）和小滑轮（10）。

6.根据权利要求1或5所述的用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，其特征在于所述龙门式支架包括第一竖直支撑杆（1）、第二竖直支撑杆（6）和第三竖直支撑杆（22），以及两端分别与第一竖直支撑杆（1）和第二竖直支撑杆（6）固定连接的第一龙门横梁（3），两端分别与第二竖直支撑杆（6）和第三竖直支撑杆（22）固定连接的第二龙门横梁（7），所述固定板（13）两侧端分别与第一竖直支撑杆（1）和第二竖直支撑杆（6）可拆卸固定连接；所述闸门门板（16）顶端与第一钢缆（5）的一端相连接，第一钢缆（5）的另一端绕过定滑轮（4）后绕接于大滑轮（9）上；所述小滑轮（10）与第二钢缆（12）的一端绕接，第二钢缆（12）的另一端与第一重物块（21）相连接；所述第一重物块（21）与第三钢缆（20）的一端相连，第三钢缆（20）的另一端绕接于升降电机（11）的转盘上。

7.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，其特征在于所述导槽（14）为T型槽，所述竖直导条（18）的左右侧壁各设有一组滚轮（15），所述滚轮（15）配合嵌入导槽（14）内的一对对称竖直凹槽（35）中。

8.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，其特征在于所述导槽（14）为燕尾槽，所述竖直导条（18）呈与该导槽（14）相配合的燕尾形结构。

9.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，其特征在于所述第一竖直支撑杆（1）、第二竖直支撑杆（6）和第三竖直支撑杆（22）底端均螺纹固定连接有固定铅块（19），所述第一竖直支撑杆（1）、第二竖直支撑杆（6）和第三竖直支撑杆（22）均分别铰接连接有一对斜向支撑杆（31）。

10.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的自动龙门式闸门，其特征在于所述竖直导轨（27）底端设有重物缓冲垫（26）。