气动盾形闸门系统力学模型的建立与分析

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1、科研管理水利规划与设计2013年第11期气动盾形闸门系统力学模型的建立与分析冀振亚高国柱孙云峰(水利部长春机械研究所吉林长春130012)【摘要】气动盾形闸门系统是在结合国际先进技术的基础上研发的一种新型水利设施，其研发的首要核心任务就是闸门系统的受力分析与计算，其中，闸门系统力学模型的建立是重中之重。本文具体的阐述了气动盾形闸门系统力学模型的建立过程，并就力学模型的关键问题进行了推导论证。【关键词】水利工程气动盾形闸门力学模型受力分析【DOI编码】10．3969／j．issn．1672—2469．2013．11．016【中图分类号】TV663【文献

2、标识码】B【文章编号】1672-2469(2013)1卜0050—041引言的设计与工程施工提供依据。近年来，随着国家对环境保护的重视程度不2闸门系统力学模型的建立断加大，中小河流治理和城市生态水系工程发展气动盾形闸门系统由门体结构、埋件、气袋、迅速，要求工程的总体布置和设备的选型不但要气动系统及自动控制系统等组成，图1为气动盾具有常规水利工程所要求的使用功能，而且更要形闸门系统的结构断面图。具备与生态环境相适应的多种功能。而气动盾形闸门系统就是结合国际先进技术与传统钢闸门、橡胶坝研发的一种新型、环保的水利设施，其技术先进、安全可靠、构造简单、施工期

3、短、环保性强、故障率低、易于维护、使用寿命长，可广泛应用于河道治理、水库排污排漂、坝顶加高、海口防潮、引水灌溉、防洪排涝、城市景观等工程。其工作原理是：挡水门体是一排弧形钢闸门，气袋支撑在弧形钢闸门的内弧面，通过气袋的充气与排气，使钢闸门升起与倒伏，以维持设定的挡水高度，并可在设计水位内实现任意水位高度的调节。当弧形钢闸门全部倒卧在河底时，可高图1气动盾形闸门系统结构断面图效泄水，不影响景观和通航，且鱼类等水生物还可回游，保护生态；闸门全关闭时，可以蓄水，从图1的气动盾形闸门系统结构断面图中，超过设定水位时，可形成溢流瀑布景观。我们提取气袋与闸门部分

4、，建立气袋支撑闸门的正因为气动盾形闸门有诸多优点，所以其在状态见图2。需要说明的是，图2的气袋形状是国内的推广应用显得非常必要。因此，关于闸门最初我们为了方便以后的分析所假想的形状。系统力学模型的建立与分析必不可少。本文将着在这里最关键的问题是“如何确定气袋支撑重从气袋支撑闸门的状态入手，确定气袋与闸门闸门的形状”，这关系到整个力学模型建立的正接触后的形状，消除力学模型建立过程中的未知确与否。先提出两个假定：因素，最终建立气动盾形闸门系统的力学模型，确定闸门的气动系统压力，为气动盾形闸门系统作者简介：冀振亚(1984年一)，男，助理工程师。·50·科

5、研管理水利规划与设计2013年第11期形AO2B为等腰三角形，根据力与几何学关系有·=／·，Fa=Fb。过A点做垂直于力的直线，过B点做垂直于力的直线，N-：-直线交于O1点，且Ol点在力·P上，根据相似三角形原理，两条线段必定A01=B01。为了方便研究，把曲线AB从图3中移出，建立图4模型。在曲线AB上任取一点c，过c图2气袋支撑闸门的假想形状点、()1点做连线，取AO1C段做受力分析如图5所示，同理，可证明Fa=Fc，两条线段AO1=CO1，假定1：气袋的重量不予考虑；且、作用力方向分别与直线AO1、CO1垂直。假定2：气袋为绝对柔性体。因c点

6、是曲线AB上任意一点，所以曲线根据已知气袋的规格，做气袋对闸门的支撑AB—k任意一点到O1点的连线都与线段AO1、图。由图2可知，气袋的断截面将形成三段曲线，分别是曲线OB、曲线AB以及曲线OA。根据假定1，气袋在充气压力作用下，接触闸门的部分就会紧贴闸门内弧面，形成连续的一段曲线OB，由此，我们就可以确定曲线OB为半径等于钢闸c门内径尺的一段圆弧，则圆弧OB的形状就可以确定。—l—-毫}一——一同理，将支撑气袋的地基认为是绝对平面，则曲线OA便会成为一段直线OA，其形状也就-、确定。而曲线AB为没有约束的一段自由弧，所图4曲线AB受力分析二以其形状

7、无法直接确定。为了确定曲线AB的形状，取图2气袋断面的单位宽度，对曲线AB进行受力分析。连接A、B两点做线段AB，则线段AB的长度表示气袋单位宽度所受气压的面积，如图3所示。图5曲线AC受力分析、BO1相等，即(如图6所示)在曲线AB上仁_aA任取一点(，都有：_、r—_：——图3曲线AB受力分析一、／x+Y：P=A0=B0图3中，线段AB面受均匀压力P，为解根据圆的定义：平面上到定点的距离等于定除约束后气袋AB段A点单位宽度张力，为解长的所有点的集合叫做圆。所以曲线AB为一段除约束后气袋AB段B点单位宽度张力，·P为半：陉为P的圆弧。AB直线面解除

8、约束后气袋内压尸的合力，作用至此，气袋支撑闸门后所形成的三段曲线的点为线段AB的中点C。根据平面力系三力平衡