CN107724344A - 一种用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门，包括框架，所述框架套装在溃坝实验水槽外；框架的上部横梁固定有电动机，转轮套接在电动机的转轴上；还包括左、右竖直轨道支架，分别连接在溃坝实验水槽的两侧；闸门门板的左、右两端分别置于左、右竖直轨道支架的凹槽内，闸门门板的上方还设置有闸门门板把手；连接钢缆一端连接到转轮，另一端连接到闸门门板把手；还包括闸门开启位置开关，设置在左竖直轨道支架和/或右竖直轨道支架的上部。本发明的有益效果在于，实现自动开启和复位，在提高闸门开启速度的同时有效地大幅度降低机械震荡，同时降低整个闸门系统的占地面积。
Description
技术领域
本发明涉及水动力学模型实验装置技术领域，特别是一种用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门。
背景技术
就目前而言，关于海啸的研究中主要利用模拟瞬间溃坝得到的溃坝波来模拟海啸波上岸，而在模拟瞬间溃坝实验中主要采用竖直闸门的瞬间开启方式。在溃坝实验的研究过程中，Ritter(1892)基于浅水长波假定，通过求解圣维南方程(浅水方程)对理想流体溃坝波在平直无摩擦干水槽中的二维运动进行了理论分析；Stoker(1957)将Ritter(1892)解进行扩展，推导了平直无摩擦水槽下游初始有水时的溃坝波运动的理论解。同时Stansbyet al.(1998),LaRocque et al.(2012),Kocaman&Ozmen-Cagatay(2015)等做了一系列通过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的溃坝实验，并且得到了许多珍贵实验数据。
在模拟瞬间溃坝实验的宽水槽中，与一般水动力实验中的闸门相比，其对于闸门门板刚度的要求更大以保证在上游蓄水的过程中闸门门板不会出现横向变形而造成闸门漏水的情况；与宽度较小的闸门相比，宽水槽瞬间溃坝实验的闸门门板在开启的过程中必须注意保证闸门门板两侧同步开启而不可倾斜以避免在闸门瞬间提起的过程中产生过大的摩擦力而造成闸门的震动。此外现有的瞬间溃坝实验水槽在闸门开启方面还存在以下的不足之处：
1.为了达到闸门瞬间开启的效果，在实验过程中一般采用重物下落并通过杠杆或定滑轮牵引闸门开启，在重物下落至地面时会造成地面震动进而引起实验水槽的震动甚至影响到实验数据采集的准确性；即使在地面采用一定的减震措施，如在重物下落处设置减震弹簧，其能达到一定的减震效果，但是下落后的重物仍需要依靠人工搬运，其效率低下且费时费力。此外，传统的杠杆式闸门开启方式需要在水槽侧面布置支架以及升降控制装置，大大的增加了实验设施的占地面积，且侧面升降存在一定的危险性
2.目前的改进实验闸门采用电磁铁吸附上部铁块的方式来替代传统的重物下落，其能够有效的提高实验的效率，但是电磁铁吸附上部铁块时必然造成较大震动和噪声，同时以电磁块作为闸门开启的动力装置，其开启过程中可能会对实验室中的各种精密的电子仪器产生不同程度的影响，甚至影响实验数据采集和传输的准确性。
3.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，部分实验中增加了缓冲块，但仍然会造成不同程度的机械震荡，从而增加了实验数据处理的工作量。
4.闸门开启后往往需要人工复位，这不仅效率低下而且存在一定的安全隐患。
总之，目前的一般水动力实验中的闸门系统不能完全满足宽水槽的功能和效果需求，主要是不能满足模拟瞬间溃坝实验的宽水槽中的闸门对于开启速度和密闭性的要求，我们迫切的需要一种专门为模拟溃坝实验的宽水槽设计的新型闸门。
发明内容
针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明的目的是提供一种适用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门，以实现自动开启和复位，在提高闸门开启速度的同时有效地大幅度降低机械震荡，同时降低整个闸门系统的占地面积。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门，包括框架，所述框架套装在溃坝实验水槽外；框架的上部横梁固定有电动机，转轮套接在电动机的转轴上；还包括左、右竖直轨道支架，分别连接在溃坝实验水槽的两侧；闸门门板的左、右两端分别置于左、右竖直轨道支架的凹槽内，闸门门板的上方还设置有闸门门板把手；连接钢缆一端连接到转轮，另一端连接到闸门门板把手；还包括闸门开启位置开关，设置在左竖直轨道支架和/或右竖直轨道支架的上部。
进一步地，闸门门板的两端分别通过竖直滑块连接构件连接有竖直滑块；左、右竖直轨道支架的凹槽中还设置有与竖直滑块配合的竖直滑动轨道。
进一步地，左、右竖直轨道支架的凹槽的内边缘还填充有竖直密封橡胶条。
进一步地，溃坝实验水槽底部还设置有垂直于水流方向的凹形槽，位于闸门门板下方对应位置，凹形槽内填充密封橡胶条，密封橡胶条的上表面与溃坝实验水槽底部的上表面平齐。
进一步地，闸门门板为铝板。
本发明的有益效果在于，
1.电控升降控制系统包括电动机，连接于电动机上的转轮，连接钢缆以及竖直滑动轨道；电动机启动后带动转轮高速转动，直接通过连接钢缆牵引闸门门板迅速上升，从而达到闸门瞬间开启的效果。相对与传统的杠杆式闸门开启装置，以电动机代替重物下落，从而避免了重物下落后与地面接触所造成的震动对实验的影响，可以更加稳定有效地模拟溃坝水体，误差更小，且实验的重复周期短，大大提高了重复实验的效率，有效节省了时间和劳动力，同时便于实验数据的精确测量，有利于实验顺利高效的进行。
2.采用铝板作为闸门门板的主要材料，闸门门板具有足够的自身重量，在闸门开启过程中闸门门板能够通过自身的重量实现平稳制动；在闸门复位过程中闸门门板能通过自身的重量轻微压入水槽密封橡胶条内而实现闸门门板的较好的密闭性；同时闸门门板具有足够的刚度，在上游蓄水的过程中不会发生明显的横向变形而导致的闸门门板的漏水。
3.采用闸门开启位置开关配合总开关控制电动机，在闸门开启过程中，当闸门通过两侧的闸门开启位置开关装置时，由闸门开启位置开关自动控制电动机断电，闸门门板由于惯性力减速上升一段距离后在自身重力作用下平稳的停在方形框架的横梁下面，与传统闸门开启方式相比，极大地减少了闸门制动过程中的震动。在闸门复位过程中，通过工程计算机控制电动机电磁开关部分开启，闸门门板在自身足够的重量作用下沿着竖直滑动轨道准确而平稳的压在底面橡胶密封条上而不需要进行人工复位，极大的减小了重复实验的准备时间。
4.竖直滑动轨道支架中布置有侧面橡胶密封条，所述侧面橡胶密封条沿垂直水流流动方向嵌入竖直滑动轨道底座后面以达到更好的闸门密闭性。
5.方形框架式电控闸门，框架结构简洁而稳定，与传统的杠杆式闸门相比，闸门开启的动力源即电动机直接设置在框架上面而不必在侧面设计用于重物下落的龙门框架，减少了闸门系统的占地面积，具有较明显的经济效益。
附图说明
图1是整体示意图。
图2是闸门门板示意图。
图3是竖直滑动轨道示意图。
图4是闸门两侧连接及密封橡胶条布置示意图。
图5是闸门下部T形密封橡胶条示意图。
图6是闸门下部水槽中凹槽示意图。
图7是闸门复位及下部密封橡胶条布置示意图。
图8是闸门开启位置开关示意图。
其中，1是转轮；2是电动机；3是第一竖直支撑杆；4是电动机垫块；5是上部横梁；6是闸门开启位置开关；7是上部连接杆；8是连接钢缆；9是第二竖直支撑杆；10是第三竖直支撑杆；11是闸门门板把手；12是第四竖直支撑杆；13是支撑杆固定盘；14是闸门门板；15是闸门下密封橡胶条；16是实验水槽底面玻璃；17是竖直轨道支架；18是下部连接杆；19是下部横梁；20是水槽支架；21是竖直滑块连接构件；22是竖直滑块；23是竖直滑动轨道；24是竖直密封橡胶条；25是闸门下密封橡胶条；26是水槽底面玻璃凹槽。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施方式作进一步详细说明。
在如图1～图8所示的适用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门的实施例中，钢框架独立于水槽，其4根竖直支撑杆通过支撑杆固定盘13直接固定于地面上；第一竖直支撑杆与第二竖直支撑杆之间，第三竖直支撑杆与第四支撑杆之间，在上部和下部分别设置有上部横梁5和下部横梁19；第一竖直支撑杆3与第四竖直支撑杆12之间，第二竖直支撑杆9与第四竖直支撑杆10之间，分设置有上部连接杆7和底部连接杆18。
电动机的垫块4通过螺栓连接在钢框架的两根上部横梁5上，电动机2布置于垫块上；所述电动机连接轴上连接有转轮1；所述转轮1通过连接钢缆8与闸门门板把手11连接。在闸门门板14两侧的水槽壁中设置有一组竖直滑动轨道支架17，闸门门板14左右两侧均焊接或螺栓连接有竖直滑块22，在实验过程中闸门门板14能够沿竖直滑动轨道23以较小的摩擦力平稳迅速的竖直升降。同时，在两根竖直滑动轨道的侧面分别设置有闸门开启的闸门开启位置开关6，电动机的控制线路连接入工程计算机，闸门开启位置开关配合工程计算机共同控制电动机。
模拟瞬间溃坝的实验需要闸门在极短的时间内开启，闸门开启速度的优化方案如下：
通过增大电动机的输出功率以及增大转轮的直径可以有效提高闸门门板的开启速度，此外在闸门开启前使连接钢缆7处于松弛状态也能在一定程度提高闸门门板的开启速度。
闸门两侧的密封布置方式如图4所示，在竖直滑动轨道23上游一侧布置有竖直密封橡胶条24，所述竖直橡胶密封条24沿垂直水流流动方向嵌入竖直滑动轨道底座后面以达到更好的闸门密闭性。
闸门底部的密封布置方式如图6，图7所示，闸门门板的正下方的实验水槽底面玻璃16设置有凹槽，该凹槽中布置有具有高弹性的闸门下密封橡胶条15，在闸门门板开启时密封橡胶条表面与水槽底面的上表面平齐，在闸门门板复位时，闸门门板在自重作用下能够沿着竖直滑动轨道轻微压入到密封橡胶条内从而提高闸门的密闭性。
闸门的开启的实验过程如下：
实验开始前，闸门门板14轻微地压入到水槽底面密封橡胶条15内，通过循环水泵使实验水槽上游水位和下游水位到达实验设计要求位置，转轮1与闸门门板14之间的连接钢缆8处于松弛状态。
实验开始时，通过工程计算机控制电动机2开始工作，电动机2连接轴上的转轮1开始转动，带动连接钢缆8加速收缩，松弛状态的连接钢缆8经过一段时间加速变为紧绷状态并通过闸门门板把手11带动闸门门板14沿着竖直滑动轨道23平稳迅速上升，闸门门板上升通过闸门开启位置开关6后，由闸门开启位置开关自动控制电动机2断电，闸门门板14在自身的重量作用下减速进入竖直滑动轨道的上部减速区段，所述闸门门板14在上部减速区段再上升一小段距离后平稳的静止于水槽上部一定高度处，整个闸门开启过程中闸门门板通过竖直滑动轨道4进行竖直升降，摩擦力强度低，结构的震动小；在闸门复位过程中，通过工程计算机控制电动机1的电磁开关部分开启，使闸门门板14在自重的作用下准确平稳的沿竖直滑动轨道轻微压入到闸门下密封橡胶条15中而不需要进行人工复位，极大的减小了重复实验的准备时间。
Claims (5)
1.一种用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门，其特征在于，包括框架，所述框架套装在溃坝实验水槽外；框架的上部横梁(5)固定有电动机(2)，转轮(1)套接在电动机(2)的转轴上；还包括左、右竖直轨道支架(17)，分别连接在溃坝实验水槽的两侧；闸门门板(14)的左、右两端分别置于左、右竖直轨道支架(17)的凹槽内，闸门门板(14)的上方还设置有闸门门板把手(11)；连接钢缆(8)一端连接到转轮(1)，另一端连接到闸门门板把手(11)；还包括闸门开启位置开关(6)，设置在左竖直轨道支架和/或右竖直轨道支架(17)的上部。
2.如权利要求1所述的一种用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门，其特征在于，闸门门板(14)的两端分别通过竖直滑块连接构件(21)连接有竖直滑块(22)；左、右竖直轨道支架(17)的凹槽中还设置有与竖直滑块(22)配合的竖直滑动轨道(23)。
3.如权利要求1或2所述的一种用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门，其特征在于，左、右竖直轨道支架(17)的凹槽的内边缘还填充有竖直密封橡胶条(24)。
4.如权利要求1所述的一种用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门，其特征在于，溃坝实验水槽底部还设置有垂直于水流方向的凹形槽(26)，位于闸门门板(14)下方对应位置，凹形槽(26)内填充密封橡胶条(25)，密封橡胶条(25)的上表面与溃坝实验水槽底部的上表面平齐。
5.如权利要求1所述的一种用于宽水槽瞬间溃坝实验的电控闸门，其特征在于，闸门门板(14)为铝板。
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