CN112459020A - 一种闸门开度的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闸门开度的计算方法，闸门呈弧形；当堰体为WES堰时，在闸门打开或关闭的弧长HD时，结合闸门半径MR、堰顶弧半径YR、堰顶弧的圆心与闸门的旋转中心之间的距离OD、闸门的零点夹角α，计算闸门开度KD：

当堰体为平底堰时，在闸门打开或关闭的弧长HD时，结合闸门半径MR，闸门零点垂直角β，计算闸门开度KD：KD＝MR*cos[(HD/MR)*(180/Pi)+β]‑MR*cosβ。

Description

一种闸门开度的计算方法

技术领域

本发明涉及水利工程闸门，尤其是一种闸门开度的计算方法。

背景技术

弧形闸门应用很广，早期多用于水库溢洪道、船闸通航孔和水闸等露顶式泄水孔口上，此后在水库底孔和船闸输水道等潜孔式泄水道上用得也很普遍。

弧形闸门为由弧形面板、梁格和支臂构成的门叶封闭水道孔口。门叶支承在支臂末端的铰轴上，可绕水平轴旋转而启闭。弧形闸门的面板外形因一般呈圆弧形而得名。弧形闸门的面板一般设在上游承压侧；梁格构造布置有主横梁式和主纵梁式二种，前者较多地用于低水头、宽扁型孔口，后者较多地用于高水头、高窄型孔口；支臂一般通过牛腿传力到闸墩上。

目前弧形闸门启闭机一般有卷扬式启闭机、液压启闭机、螺杆启闭机、链式启闭机等类别。卷扬式启闭机是由起升机构、机架及电气操控系统组成，起升机构主要由钢丝绳、卷筒、减速器、电动机及安全装置等器件组成，其工作原理是：由电动机带动联轴器、减速器，驱动卷筒转动，卷筒收放钢丝绳实现吊联有闸门上升、下降。卷扬式启闭机以其安装方便、使用可靠广受欢迎，大量应用于水库、河道、海塘等闸门。液压启闭机油缸倾斜式布置驱动，两端铰接联接，并在油缸的上下端吊头内均装有自润滑球面滑动轴承，能满足油缸自由摆动，通过油缸内活塞的伸缩实现闸门的开启和关闭。

为便于控制闸门的运动，通常需要在闸门运动时实时计算开度。现有的闸门开度计算方法，如申请号为201910374551.7的中国专利公开的一种弧形闸门开度计算方法，包括如下步骤：步骤S1：以支点为中心，吊绳长度为半径R2作一个圆O2；步骤S2：以支撑铰为中心，支臂长度为半径R1作一个圆O1：步骤S3：以支撑铰为原点，作坐标建立平面直角坐标系Oxy；步骤S4：O1圆心坐标为(0，0)，设O2圆心坐标为(x0，y0)，x0为支点到支撑铰的水平距离，y0为支点到支撑铰的垂直距离；步骤S5：圆O1和O2相交于两点p和q，其中p点所在位置就是吊点；步骤S6：设p点在圆O1上的角度值为α，∠pos的角度值为β；步骤S7：设支撑铰到弧形门叶底部s点的距离为R3；步骤S8：R1、R2、R3、x0、y0可通过皮尺测量得到；步骤S9：求s点坐标值。

上述这种计算方法，仅考虑闸门运动的弧长与开度之间的关系，然而由于闸门开度是指闸门的最低点到堰体的最短距离，因此，上述计算方法并不能如实反映闸门开度，导致无法精准控制闸门。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，提供一种闸门开度的计算方法，计算准确，便于实际精准控制闸门开度。

本发明解决上述技术问题所采用的第一个技术方案为：一种闸门开度的计算方法，所述闸门呈弧形，所述闸门通过支臂与设置在岸边的闸墩转动连接，所述闸门朝向远离闸墩的方向凸起，所述闸门关闭时支撑在水体底部的堰体上，所述堰体为WES堰；其特征在于：

所述计算方法包括如下步骤：

1)测量参数MR、YR、OD和α，其中MR为闸门的半径MR；其他参数的测量方法为：所述闸门关闭时闸门的最低点与堰体顶面相交的为第一点，所述闸门打开最大角度时其最凸出的位置在堰体顶面的投影为第二点，所述闸门打开任意角度时其最凸出的位置在堰体顶面的投影为第三点，以上述三个点作圆弧而得到堰顶弧，该堰顶弧的半径为YR，测量得到堰顶弧的圆心与闸门的旋转中心之间的距离OD，α为零点夹角，测量闸门的旋转中心与堰顶弧圆心的连线以及与闸门关闭时闸门的最低点的半径线之间的夹角，从而得到α；

2)通过上述参数MR、YR、OD和α计算得到闸门开度KD：

其中HD为闸门打开或关闭的弧长。

优选的，为便于以较小的动力驱动闸门打开和关闭，所述闸门通过启闭机室内固定设置的动力装置驱动而打开或关闭，所述动力装置的输出端连接有钢丝绳，所述钢丝绳的末端与闸门连接。

根据本发明的一个方面，所述动力装置为卷扬机并且由电机作为动力输出源输出扭矩，所述弧长通过计算电机的旋转圈数而得到。

为便于精确计算闸门运动的弧长，当动力装置开启时，钢丝绳旋绕或松开，使得闸门上升或下降，通过实时检测动力装置的电流或荷载确定闸门是否到达零点位置，通过实时测量电机旋转圈数得到零点位置时钢丝绳上升或下降的长度D0，零点位置是指闸门在重量由堰体承担和由钢丝绳全部承担的转换临界点；此后动力装置继续运行，得到任意位置的钢丝绳上升或下降的长度D1，并且HD＝D1-D0。

根据本发明的另一个方面，所述弧长通过弧长测量仪得到。

本发明解决上述技术问题所采用的第二个技术方案为：一种闸门开度的计算方法，所述闸门呈弧形，所述闸门通过支臂与设置在岸边的闸墩转动连接，所述闸门朝向远离闸墩的方向凸起，所述闸门关闭时支撑在水体底部的堰体上，所述堰体为平底堰；其特征在于：

所述计算方法包括如下步骤：

1)测量参数MR和β，其中MR为闸门的半径；β为零点垂直角，测量时，闸门在关闭状态下，测量闸门的旋转中心和闸门的最低点之间的连线相对于竖直方向的角度，从而得到β；

2)通过上述参数MR和β计算得到闸门开度KD：

KD＝MR*cos[(HD/MR)*(180/Pi)+β]-MR*cosβ，

其中HD为闸门打开或关闭的弧长。

优选的，为便于以较小的动力驱动闸门打开和关闭，所述闸门通过启闭机室内地面上固定设置的动力装置驱动而打开或关闭，所述动力装置的输出端连接有钢丝绳，所述钢丝绳的末端与闸门连接。

根据本发明的一个方面，所述动力装置为卷扬机并且由电机作为动力输出源输出扭矩，所述弧长通过计算电机的旋转圈数而得到。

为便于精确计算闸门运动的弧长，当动力装置开启时，钢丝绳旋绕或松开，使得闸门上升或下降，通过实时检测动力装置的电流或荷载确定闸门是否到达零点位置，通过实时测量电机旋转圈数得到零点位置时钢丝绳上升或下降的长度D0，零点位置是指闸门在重量由堰体承担和由钢丝绳全部承担的转换临界点；此后动力装置继续运行，得到任意位置的钢丝绳上升或下降的长度D1，并且HD＝D1-D0。

根据本发明的另一个方面，所述弧长通过弧长测量仪得到。

与现有技术相比，本发明的优点在于：通过以闸门的半径、闸门关闭状态的角度等参数、结合实时测量得到的弧长来得到闸门开度，能够较为准确地展现闸门的开度和弧长之间的关系，从而精确控制闸门开度。

附图说明

图1为本发明的闸门开度计算方法第一个实施例的示意图；

图2为本发明的闸门开度计算方法第二个实施例的示意图；

图3为本发明的闸门开度计量装置的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

参见图1，一种用于水库的弧形闸门，包括闸门1、支臂2和闸墩3，闸门1呈弧形而构成弧形闸门，支臂2的一端与闸墩3转动连接、另一端则与闸门1连接固定。闸门1朝向远离闸墩3的方向凸起。闸墩3可设置在岸边，闸门1则位于水体内。

地面的启闭机室42内可固定设置动力装置4，动力装置4优选的为电动卷扬机，即由电机作为动力输出源输出扭矩。动力装置4的输出端连接有钢丝绳5，钢丝绳5的末端与闸门1连接，当动力装置4启动时，可使得钢丝绳5卷绕或放松，从而将闸门1向上拉起而打开或将闸门1放下而关闭。

参见图3，闸门1开度KD是指闸门1打开在任意角度时，其最低点与水体内堰体10顶部之间的最短距离。测量闸门1开度的闸门开度计量装置可包括电机参数测量单元、参数输入单元7、中央处理单元8和闸门开度显示单元9。在本实施例中，电机参数测量单元包括电机旋转圈数测量单元61和电机电流测量单元62。

当动力装置4开启时，钢丝绳5旋绕或松开，使得闸门1上升或下降。以闸门1全关状态开启为例，此时闸门1支撑在水库底部的堰体10上，其重量由堰体10承担。在动力装置4的运行过程中，通过电机电流测量单元62检测实时检测动力装置4的电流，当电流产生突变时，确定突变产生的时刻闸门1处于全关的零点位置，即此时闸门1仅是在最低点与堰体10顶部接触而并不对堰体10施加压力，闸门1的重量完全由钢丝绳5承担，因此在这一转变的临界点电流产生突变，该突变的值大约为原电流的10％；电机旋转圈数测量单元61获取此时电机旋转圈数，中央处理单元8按比例因子C，计算得到钢丝绳5上升的长度D0；此后，动力装置4继续运行，闸门1逐渐打开，通过电机旋转圈数测量单元61实时获取此时电机旋转圈数，并且得到任意位置的钢丝绳5上升的长度D1；由此得到闸门1运动的弧长HD＝D1-D0。

现有技术中也存在弧长测量仪，可以通过检测钢丝绳5卷绕圈数或卷扬机的输出轴旋转角度来获得钢丝绳5上升或下降的距离，由此计算得到闸门1运动的弧长。

当闸门1从打开位置逐渐关闭时，计算弧长HD的方法类似，零点位置为电流产生突变减小的时刻，此时闸门1的重量由钢丝绳5承担的状态达到由堰体10承担的临界点。

可替代的，也可以通过检测动力装置4或用于设置动力装置4的安装支架41(本质还是检测动力装置4的)的荷载(重量)来确定零点位置，例如，当闸门1打开时，到达零点位置，钢丝绳5受力，荷载将会产生突变，以此确定零点位置。

结合参数输入单元7输入的相关参数，按设定的公式，计算出闸门开度KD，在闸门开度显示单元9上显示结果。

或者，弧长HD也可以直接通过弧长测量仪测量得到。或者，零点位置也可以通过测量动力装置4的重量而确定，当钢丝绳5承担闸门1的重量时，重量将会发生突变地增大。

上述设定的公式为：

其中，MR为闸门1的半径，即闸门1的旋转中心D(支臂2与闸墩3的连接处)到闸门1的距离，一般闸门1建造时已确定。而OD、YR这两个参数以下述方式确定。Pi即为圆周率π。上述MR、OD、YR三个参数，在闸门1安装完成后即确定，通过参数输入单元7输入到中央处理单元8。

在本实施例中，水体底部的堰体10为WES堰，其顶面为弧面。由于堰体10制造完成后，通常并不会提供其顶面的参数，为此，如果要准确计算开度，首先需要确定堰体10顶面的圆心和半径。以闸门1关闭时闸门1的最低点与堰体10顶面相交的为第一点，闸门1打开最大角度时其最凸出的位置在堰体10顶面的投影为第二点，闸门1打开任意角度时其最凸出的位置在堰体10顶面的投影为第三点，以上述三个点作圆弧，得到的圆弧称之为堰顶弧L，即堰体10顶面弧面在竖直面上的投影弧线。该堰顶弧L的中心为O、半径为YR，圆心O与闸门1的旋转中心D之间的距离为OD，圆心O与闸门1的旋转中心D的连线、闸门1关闭时闸门1的最低点与闸门1的旋转中心D的连线之间的夹角为α(闸门1零点半径与闸门1、堰顶弧L的两圆心连线夹角)，记为零点夹角α。

上述的计算方法，在闸门1建造完成后即可确定上述参数MR、YR、OD和α，实际安装完成后可进行测量；可将上述参数通过参数输入单元7输入到中央处理单元8中；最后根据实时测量得到的HD代入公式得到KD。

表1示出了一些水库中应用的弧形闸门的开度计算的参数样例。

表1三个水库的弧形闸门的开度计算的参数样例

实施例二

参见图2，在本实施例中，与上述实施例一的不同之处在于，堰体10为平底堰，其顶面为水平面，因此此时无法绘出堰顶弧L。图2中，OG为闸门1的旋转中心D到堰顶的竖直距离，MD为闸门1打开一定角度时、闸门1的旋转中心D和闸门1的最低点之间的竖直距离，上述的KD＝OG-MD。

则开度KD的计算公式为：

KD＝MR*cos[(HD/MR)*(180/Pi)+β]-MR*cosβ (2)

其中β为闸门1在关闭状态时，闸门1的旋转中心D和闸门1的最低点之间的连线相对于竖直方向的角度。

同样的，上述的计算方法，在闸门1建造完成后即可确定上述参数MR和β；实际安装完成后可进行测量；可将上述参数通过参数输入单元7输入到中央处理单元8中；最后根据实时测量得到的HD代入公式得到KD。

计算出闸门1开度KD后，在闸门开度显示单元9上显示结果。

Claims (10)

1.一种闸门开度的计算方法，所述闸门(1)呈弧形，所述闸门(1)通过支臂(2)与设置在岸边的闸墩(3)转动连接，所述闸门(1)朝向远离闸墩(3)的方向凸起，所述闸门(1)关闭时支撑在水体底部的堰体(10)上，所述堰体(10)为WES堰；其特征在于：

所述计算方法包括如下步骤：

1)测量参数MR、YR、OD和α，其中MR为闸门(1)的半径；其他参数的测量方法为：所述闸门(1)关闭时闸门(1)的最低点与堰体(10)顶面相交的为第一点，所述闸门(1)打开最大角度时其最凸出的位置在堰体(10)顶面的投影为第二点，所述闸门(1)打开任意角度时其最凸出的位置在堰体(10)顶面的投影为第三点，以上述三个点作圆弧而得到堰顶弧(L)，该堰顶弧(L)的半径为YR，测量得到堰顶弧(L)的圆心(O)与闸门(1)的旋转中心(D)之间的距离OD，α为零点夹角，测量闸门(1)的旋转中心(D)与圆心(O)的连线以及与闸门(1)关闭时闸门(1)的最低点的连线之间的夹角，从而得到α；

2)通过上述参数MR、YR、OD和α计算得到闸门开度KD：

其中HD为闸门(1)打开或关闭的弧长。

2.根据权利要求1所述的闸门开度的计算方法，其特征在于：所述闸门(1)通过启闭机室(42)内固定设置的动力装置(4)驱动而打开或关闭，所述动力装置(4)的输出端连接有钢丝绳(5)，所述钢丝绳(5)的末端与闸门(1)连接。

3.根据权利要求2所述的闸门开度的计算方法，其特征在于：所述动力装置(4)为卷扬机并且由电机作为动力输出源输出扭矩，所述弧长通过计算电机的旋转圈数而得到。

4.根据权利要求3所述的闸门开度的计算方法，其特征在于：当动力装置(4)开启时，钢丝绳(5)旋绕或松开，使得闸门(1)上升或下降，通过实时检测动力装置(4)的电流或荷载确定闸门(1)是否到达零点位置，通过实时测量电机旋转圈数得到零点位置时钢丝绳(5)上升或下降的长度D0，零点位置是指闸门(1)在重量由堰体(10)承担和由钢丝绳(5)全部承担的转换临界点；此后动力装置(4)继续运行，得到任意位置的钢丝绳(5)上升或下降的长度D1，并且HD＝D1-D0。

5.根据权利要求1所述的闸门开度的计算方法，其特征在于：所述弧长通过弧长测量仪得到。

6.一种闸门开度的计算方法，所述闸门(1)呈弧形，所述闸门(1)呈弧形，所述闸门(1)通过支臂(2)与设置在岸边的闸墩(3)转动连接，所述闸门(1)朝向远离闸墩(3)的方向凸起，所述闸门(1)关闭时支撑在水体底部的堰体(10)上，所述堰体(10)为平底堰；其特征在于：

所述计算方法包括如下步骤：

1)测量参数MR和β，其中MR为闸门(1)的半径MR；β为零点垂直角，测量时，闸门(1)在关闭状态下，测量闸门(1)的旋转中心(D)和闸门(1)的最低点之间的连线相对于竖直方向的角度，从而得到β；

2)通过上述参数MR和β计算得到闸门开度KD：

KD＝MR*cos[(HD/MR)*(180/Pi)+β]-MR*cosβ，

其中HD为闸门(1)打开或关闭的弧长。

7.根据权利要求6所述的闸门开度的计算方法，其特征在于：所述闸门(1)通过启闭机室(42)内固定设置的动力装置(4)驱动而打开或关闭，所述动力装置(4)的输出端连接有钢丝绳(5)，所述钢丝绳(5)的末端与闸门(1)连接。

8.根据权利要求7所述的闸门开度的计算方法，其特征在于：所述动力装置(4)为卷扬机并且由电机作为动力输出源输出扭矩，所述弧长通过计算电机的旋转圈数而得到。

9.根据权利要求8所述的闸门开度的计算方法，其特征在于：当动力装置(4)开启时，钢丝绳(5)旋绕或松开，使得闸门(1)上升或下降，通过实时检测动力装置(4)的电流或荷载确定闸门(1)是否到达零点位置，通过实时测量电机旋转圈数得到零点位置时钢丝绳(5)上升或下降的长度D0，零点位置是指闸门(1)在重量由堰体(10)承担和由钢丝绳(5)全部承担的转换临界点；此后动力装置(4)继续运行，得到任意位置的钢丝绳(5)上升或下降的长度D1，并且HD＝D1-D0。

10.根据权利要求6所述的闸门开度的计算方法，其特征在于：所述弧长通过弧长测量仪得到。

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