CN106205347B - 用于模拟瞬间溃坝的电磁杠杆式水槽闸门装置 - 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电磁杠杆式水槽闸门装置，包括龙门式支架、闸门门板以及电磁式升降控制装置。龙门式支架上设置有固定板，该固定板上固定有与闸门门板上的竖直导条相配合的导槽。电磁式升降控制装置包括电磁吸附盘、电磁铁块以及与固定在龙门横梁上的铰接头铰接连接的杠杆。杠杆的两端分别通过钢缆与闸门门板和电磁吸附盘相连接，通过电磁铁块对电磁吸附盘的吸附作用，利用杠杆实现对闸门门板瞬间开启与闸入。本发明可自动开启和复位，适用于多种尺寸的水槽，极大减少了闸门开启过程中的机械震荡，省时省力，电磁控制更加高效便捷，且可有效减少误差。

Description

用于模拟瞬间溃坝的电磁杠杆式水槽闸门装置

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电磁杠杆式水槽闸门装置。

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，闸门开启后须靠人为将其重新卡回水槽才能开始下组实验，且重物难以稳定下落，往往导致整个装置严重摇晃，影响流态，人工开启闸门往往也使实验重复性较差，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；（4）闸门被瞬间打开后高速向上运动，目前一般采用刚性结构强行阻止，容易造成强烈的机械震荡，严重危害整个结构的稳定性。

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，可有效减少机械震荡，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、电磁式升降控制装置，所述电磁式升降控制装置包括设置在龙门式支架的龙门横梁上的杠杆，所述杠杆的两端通过钢缆组分别与闸门门板和电磁吸附盘相连，与所述电磁吸附盘相配合的电磁铁块与电磁控制器相连接。

进一步的，所述闸门门板与第一钢缆的一端相连，第一钢缆的另一端绕接于定滑轮后与设置在杠杆端部的第一钢缆连接销相连，设置于杠杆上的第二钢缆连接销与第二钢缆的一端相连，第二钢缆的另一端与电磁吸附盘相连。

进一步的，所述龙门横梁开设有与杠杆相配合的通腔，所述第一钢缆连接销与作为杠杆支点的铰接头之间设有缓冲块。

进一步的，所述龙门式支架间可拆卸固定连接有固定板，所述固定板上设有与闸门门板相配合的一对闸门缓冲垫组，所述闸门缓冲垫组由竖直缓冲条及固定在其上的若干倾角为10~45^o的缓冲片组成。

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，所述闸门门板上螺纹固定连接有一根可与导槽配合上下滑动的竖直导条，所述导槽内置于固定板或者通过螺纹连接或焊接固定在固定板表面，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。

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。

本发明的有益效果如下：

1.本发明闸门门板升降的电磁式升降控制装置，包括电磁吸附盘、电磁铁块以及固定在龙门横梁上的杠杆，在电磁铁块的吸附下电磁吸附盘拉动杠杆的一端迅速下降，杠杆的另一端拉动闸门门板迅速上升，从而达到闸门瞬间开启的效果，电磁式升降控制装置中的杠杆可以将电磁力进一步放大，大大提高了闸门门板的开启速度。相对于人工开启闸门或者机械方式开启，本发明闸门的提升更加快速，大大降低摩擦力及机械震荡，可更加稳定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存在而导致流体流态的改变的情况，大大减少实验误差。密封缓冲条可使得闸门门板稳定缓慢闸入水槽，有效减少机械震荡，减少实验等待时间，提高效率。

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。

8. 本发明所述闸门缓冲垫组由竖直缓冲条及固定在其上的若干倾角为10~45^o的缓冲片组成，可以极大减小阻止闸门进一步上升时引起的机械震荡，使整个实验装置更加稳定。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明龙门横梁结构俯视图；

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是本发明的侧视图；

其中，1是第一钢缆；2是定滑轮；3是第一钢缆连接销；4是缓冲块；5是铰接头；6是杠杆；7是第二钢缆连接销；8是第二钢缆；9是龙门横梁；10是闸门缓冲垫组；11是缓冲片；12是竖直缓冲条；13是固定板；14是导槽；15是第一竖直支撑杆；16是闸门门板；17是滚轮；18是固定铅块；19是电磁吸附盘；20是第三竖直支撑杆；21是电磁铁块；22是三角支架台；23是电磁控制器；24是重物块；25是密封缓冲条；26是竖直导条；27是水槽；28是第二竖直支撑杆；29是凸楞；30是U形凹槽；31是紧固螺钉；32是斜向支撑杆；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，本发明包括龙门式支架、闸门门板16以及电磁式升降控制装置。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分别与龙门横梁9焊接或者螺纹固定连接的第一竖直支撑杆15、第二竖直支撑杆28和第三竖直支撑杆20。如图12所示，第一竖直支撑杆15、第二竖直支撑杆28和第三竖直支撑杆20的前后均铰接连接有一对斜向支撑杆32，且第一竖直支撑杆15、第二竖直支撑杆28和第三竖直支撑杆20底部均螺纹连接有固定铅块18，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上对称设置一组重物块24。

如图1所示，本发明第一竖直支撑杆15和第二竖直支撑杆28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的高度及一般水槽的高度而定。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15和第二竖直支撑杆28之间。固定板13上端螺纹固定连接有与闸门门板16相配合的闸门缓冲垫组10，该闸门缓冲垫组10由竖直缓冲条12及采用螺纹等连接方式固定在其上的若干倾角为10~45^o的缓冲片11组成，闸门缓冲垫组10也可以是一体成型结构。固定板13上设置有导槽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26。安装时，竖直导条26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26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26的左右侧壁上各设有一组滚轮17，滚轮17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26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26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26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，整个装置安装过程可省略导槽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26第1种和第2种配合方式中滚轮17的设计，可有效减少竖直导条26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27底部不设置凹槽的情况下，依旧可使闸门门板16与水槽27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30相配合的凸楞29结构，凸楞29嵌入U形凹槽30后由紧固螺钉31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2所示，本发明龙门横梁9上设置有一铰接头5作为杠杆6的支点，杠杆6与铰接头5铰接连接，铰接头5的支架座焊接在龙门横梁9上。龙门横梁9靠近第一钢缆连接销3的位置设置有与杠杆6相配合的缓冲块4，龙门横梁9上铰接头5右侧开设有与杠杆6相配合的通腔，缓冲块4左侧开设有与杠杆6相配合的通腔。定滑轮2斜向焊接固定于龙门横梁9，当杠杆6绕支点转动时第一钢缆1在定滑轮2的作用下沿竖直方向上下拉动闸门门板16。缓冲块4可有效防止闸门门板16快速下落时杠杆6与龙门横梁9之间的碰撞。 如图1所示，杠杆6两端分别设有第一钢缆连接销3和第二钢缆连接销7。第一钢缆1的一端与闸门门板16相连，另一端绕过固定设置在龙门横梁9上的定滑轮2后与第一钢缆连接销1相连。第二钢缆8的一端与第二钢缆连接销7相连，另一端与电磁吸附盘19相连。电磁吸附盘19的正下方相应放置有电磁铁块21，电磁铁块21与电磁控制器23相连接，电磁铁块21通电后显示磁性，断电后失去磁性。电磁铁块21放置在焊接于第三竖直支撑杆20内侧的三角支架台22上。

实验开始前，闸门门板16在其上闸门复位重物块24的作用下将水槽27闸死，连接闸门门板16与杠杆6的第一钢缆1和连接电磁吸附盘19与杠杆6之间的第二钢缆8在电磁吸附盘19的作用下均处于紧绷状态。

实验开始时，通过电磁控制器23控制电磁铁块21开始工作，电磁铁块21通电后显示磁性，对电磁吸附盘19显示出强大的吸附力，于是电磁吸附盘19被瞬间吸附到电磁铁块21上。电磁吸附盘19通过第二钢缆8拉动杠杆6的第二钢缆连接销7端瞬间下移，使得杠杆6第一钢缆连接销3一端瞬间翘起，从而拉动闸门门板16沿固定板13竖直向上瞬间开启。高速向上运动的闸门门板16在遇到闸门缓冲垫组10时开始被柔性减速，最终停止向上运动，并在重力和闸门缓冲垫组10的作用下缓慢下降，最终悬挂于水槽27和闸门缓冲垫组10之间。

当溃坝实验完成后，关闭电磁控制器23，电磁铁块21停止工作，电磁吸附盘19回弹向上运动，重新悬空。此时，闸门门板16在其自身和其上复位重物块24的重力作用下向下运动并重新闸住水体。由于闸门门板16外延设置有橡胶密封条25，因此闸门门板16可稳定缓慢闸住水槽27中的水体，有效减少机械震荡。至此，整个装置恢复到实验前状态，随即便可开始下组实验。

本发明还可应用于不同尺寸的水槽27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27，只将固定板13沿第一竖直支撑杆15和第二竖直支撑杆28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1和第二钢缆8的长度到其均处于紧绷状态下，且电磁吸附盘19被电磁铁块21吸附时，闸门门板16正好悬于水槽27和闸门缓冲垫组10之间即可。

Claims (6)

1.用于模拟瞬间溃坝的电磁杠杆式水槽闸门装置，包括龙门式支架以及位于其下方的闸门门板（16）, 其特征在于还包括电磁式升降控制装置，所述电磁式升降控制装置包括设置在龙门式支架的龙门横梁（9）上的杠杆（6），所述杠杆（6）的两端通过钢缆组分别与闸门门板（16）和电磁吸附盘（19）相连，与所述电磁吸附盘（19）相配合的电磁铁块（21）与电磁控制器（23）相连接；

所述龙门式支架间可拆卸固定连接有固定板（13），所述固定板（13）上设有与闸门门板（16）相配合的一对闸门缓冲垫组（10），所述闸门缓冲垫组（10）由竖直缓冲条（12）及固定在其上的若干倾角为10~45^o的缓冲片（11）组成；

所述闸门门板（16）两侧边缘和底端均设置有密封缓冲条（25）；

所述闸门门板（16）两侧面与底端面上均开设有U形凹槽（30），所述密封缓冲条（25）为设有与U形凹槽（30）相配合的凸楞（29）的T形橡胶条（251）；

所述闸门门板（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（26），所述导槽（14）内置于固定板（13）或者通过螺纹连接或焊接固定在固定板（13）表面，所述固定板（13）两侧端分别与第一竖直支撑杆（15）和第二竖直支撑杆（28）可拆卸固定连接。

2.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的电磁杠杆式水槽闸门装置，其特征在于所述闸门门板（16）与第一钢缆（1）的一端相连，第一钢缆（1）的另一端绕接于定滑轮（2）后与设置在杠杆（6）端部的第一钢缆连接销（3）相连，设置于杠杆（6）上的第二钢缆连接销（7）与第二钢缆（8）的一端相连，第二钢缆（8）的另一端与电磁吸附盘（19）相连。

3.根据权利要求2所述的用于模拟瞬间溃坝的电磁杠杆式水槽闸门装置，其特征在于所述龙门横梁（9）开设有与杠杆（6）相配合的通腔，所述第一钢缆连接销（3）与作为杠杆（6）支点的铰接头（5）之间设有缓冲块（4）。

4.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的电磁杠杆式水槽闸门装置，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电磁杠杆式水槽闸门装置，其特征在于所述导槽（14）为T型槽，所述竖直导条（26）的左右侧壁各设有一组滚轮（17），所述滚轮（17）配合嵌入导槽（14）内的一对对称竖直凹槽（35）中。

6.根据权利要求1所述的用于模拟瞬间溃坝的电磁杠杆式水槽闸门装置，其特征在于所述导槽（14）为燕尾槽，所述竖直导条（26）呈与该导槽（14）相配合的燕尾形结构。

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