新型液压传动自动控制节能水闸

摘 要：传统的闸门需人工启闭以控制水位，门侧导轨易被泥沙淤堵，以致闸门难以正常启闭，对下游的人身、财产安全构成了极大的潜在威胁。农村、山区有大量闸门设计在荒僻地带，人工监管难度大、成本高，亟需一套无人看管完全自动化的水闸系统。本文通过液压传动提供能量，实现门叶启闭，通过下游水位的变化所引起的液压变化，控制压力阀的开闭，从而实现自动控制水闸开度，汛期自动蓄水、枯水期自动泄水，使下游水位稳定在安全水位与需求水位之间。

关键词：液压传动；自动控制；无人监管；节能

1 研究背景

传统的水利闸门需要启闭机控制闸门启闭以调节水位，启闭机功率大，以启门力为400KN的QPQ启闭机为例，其配套电机额定功率大约在11KW，水电站或水泵站闸门较多，启闭机工作时间长，耗电量大，且普通闸门侧导轨易被泥沙淤堵，以致闸门启闭非常困难。大量闸门设计在荒僻地带，其管理运行困难，以致于许多闸门刚刚建好就如同被废弃一般，成为了河道中的摆设。2010年10月11日，海口强降雨引发涝灾，导致市区32条道路严重积水，涝灾所造成的直接经济损失过亿。从表面上看，涝灾是由强降雨引起，然而，究其根源，很大程度上正是由于雨水口和排污口等排水出口闸门被卡住，或是开启不及时，引发了这样一场严重的涝灾。闸门启闭的顺利与及时，关系到小到几块农田，大到一座城市的安全，而现行的闸门设计，恰恰是水系统中最大的安全隐患。

2 液压传动闸门的设计

鉴于以上问题，作者设计了这种液压传动自动控制节能闸。考虑到目前的平面闸门需要上提开闸，需要启闭机提供很大的功率，要消耗较多的能量，并且时有开闭闸困难的问题，故决定通过液压千斤顶原理提供动力，就地取水作为启闭闸门的能源，通过对水量的调节来自动控制闸门的升降，无需能耗，不仅可以节约能源，为环境保护作出巨大的贡献，而且从原理上可以解决闸门开闭困难的问题。考虑到大多数水闸需要人工监管，成本高，为此通过液压调控，实现了通过水位的变化，来自动控制水闸启闭，使下游水位稳定在安全水位和需求水位之间。

水闸设计为两部分：（1）液压动力系统：利用液压传动，采用矩阵阀门组，利用水道中的水压将水能转换成机械能；（2）闸室系统：通过液压传动的能量，推动水闸基座起降，基座上设计有闸门支撑柱，由支撑住支撑闸门起降；水道中水流蕴含了巨大的能量，而液压传动所基于的最基本原理——帕斯卡原理，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以扩大水压力。

液压动力系统图

2.1 构件组成。如上图所示：1-低压进水阀—临界压力值对应水位为下游需求水位，下游水位高于需求水位时关闭，低于需求水位时开启；2-单向导流阀—只允许水由管A流向管B；3-高压排水阀—临界压力值对应水位为下游安全水位，下游水位低于安全水位关闭，高于安全水位时开启；4-闸门底座—控制上下游的水位差。管道A—进水管道，管道B —闸室底部管道，管道C—侧向出水管道。虚线表示压力阀与下游水位连通的水位传感管道。

2.2 传动杆介绍。传动杆是与闸门底座左右两端相连的杆，通过此杆件设计，在闸门需要打开时将门叶提起允许水流通过，当闸门需要关闭时拉动门叶自由落下。杆外设混凝土砌套筒，让杆可以在其中自由升降并起到保护作用。作用：（1）当下游水位低于需求水位时，低压进水阀1开启，高压排水阀关闭，水流由引水管道进入管道A，通过单向导流阀2流入管道B且不可回流，底座在水压力作用下向上，闸门升起，下游水量得到补充；（2）当下游水位处于安全水位与需求水位之间时，低压进水阀1关闭，高压排水阀3关闭，管道A、B水内水量不变，闸门停止升起。（3）当下游水位高于安全水位时，低压进水阀1关闭，高压排水阀3开启，在闸门门身和底座重力的作用下，管道B内水流向管道C，闸门底座向下，闸门下降挡水。

3 传动部分受力分析

以宁夏兴庆区某水电站的引水渠水闸为例，它的全年平均流速为3.0m/s，断面面积约为20m2，断面宽度5m，闸前水头为4m，闸后需水水位为1m，安全水位2.5m。假如采用本系统，闸门下地基开挖2m，H=6m。

3.1 水流在1闸门底部处形成的水压强为：p1=γw*H=9.8*6= 58.8kPa水流在水流在闸门底座处形成的水压力为：Fmax=p1*s*b= 441kN，Fmin=γw（H-h）*s*b=368kN，其中，H为闸门底部距水面的高度，γw为水的容重，s为闸门底座厚度，b 为闸门底座沿河流断面的宽度，h为闸门底座做大上升高度。

3.2 水闸自重G与闸门上升过程中的水流阻力F阻。G= V*ρ*g=（c*s+δ*ht）*b*ρ*g=334KN，F阻=μ*A*=16 KN，ρ为钢材密度，μ为水流动力黏度（20度水温时μ取值为1.002），A为水流与闸门接触面积，为流速梯度。

综上所述，Fmin>G+F阻，所以该方案具有可行性。

4 结语

我国水利发展已经进入“水联网”时代，我国江河众多，有几十万座水利工程，水闸分布更是星罗棋布，数目庞大。而目前的水闸系统，存在耗能过大、人工监管难度大、存在安全隐患。且目前采用的直降式水闸起降，浪费了水面上方大量空间，阻碍了水道通航。本闸门可以自动调控水闸开度，采用矩阵阀门组，实现可以通过水位变化来调节水闸开度，保障下游通流量恒定。在汛期，实现水闸关闭，蓄水；洪峰过后，开启阀门，泄洪排水。通过调节，可以使下游水位稳定在安全水位和需求水位之间。无人工监管，本水闸无需外界供能，系统完全独立，无需人工控制，节省大量成本，提高了安全系数。闸室稳定性好，液压动力装置设于河床底部，相当于进行了地基的桩基础处理，起到了防渗帷幕的作用，有利于闸室的稳定。水闸运行能耗低，采用的液压传动装置的动力来源于上游河道，无需配置卷扬机等启闭设施，只需设置管控电路，节能环保。

参考文献

[1] 刘细龙，陈福荣.闸门与启闭设备[M].中国水利水电出版社，2003.

[2] 安徽省水利局勘测设计院.水工钢闸门设计[M].水利电力出版社， 1983.

[3] 陈德亮，夏富洲.水工建筑物[M].中国水利水电出版社，2011.

作者简介：高雷（1991.07- ），男，山东潍坊人，郑州大学水利与环境学院，水利水电工程专业。

摘 要：传统的闸门需人工启闭以控制水位，门侧导轨易被泥沙淤堵，以致闸门难以正常启闭，对下游的人身、财产安全构成了极大的潜在威胁。农村、山区有大量闸门设计在荒僻地带，人工监管难度大、成本高，亟需一套无人看管完全自动化的水闸系统。本文通过液压传动提供能量，实现门叶启闭，通过下游水位的变化所引起的液压变化，控制压力阀的开闭，从而实现自动控制水闸开度，汛期自动蓄水、枯水期自动泄水，使下游水位稳定在安全水位与需求水位之间。

关键词：液压传动；自动控制；无人监管；节能

1 研究背景

传统的水利闸门需要启闭机控制闸门启闭以调节水位，启闭机功率大，以启门力为400KN的QPQ启闭机为例，其配套电机额定功率大约在11KW，水电站或水泵站闸门较多，启闭机工作时间长，耗电量大，且普通闸门侧导轨易被泥沙淤堵，以致闸门启闭非常困难。大量闸门设计在荒僻地带，其管理运行困难，以致于许多闸门刚刚建好就如同被废弃一般，成为了河道中的摆设。2010年10月11日，海口强降雨引发涝灾，导致市区32条道路严重积水，涝灾所造成的直接经济损失过亿。从表面上看，涝灾是由强降雨引起，然而，究其根源，很大程度上正是由于雨水口和排污口等排水出口闸门被卡住，或是开启不及时，引发了这样一场严重的涝灾。闸门启闭的顺利与及时，关系到小到几块农田，大到一座城市的安全，而现行的闸门设计，恰恰是水系统中最大的安全隐患。

2 液压传动闸门的设计

鉴于以上问题，作者设计了这种液压传动自动控制节能闸。考虑到目前的平面闸门需要上提开闸，需要启闭机提供很大的功率，要消耗较多的能量，并且时有开闭闸困难的问题，故决定通过液压千斤顶原理提供动力，就地取水作为启闭闸门的能源，通过对水量的调节来自动控制闸门的升降，无需能耗，不仅可以节约能源，为环境保护作出巨大的贡献，而且从原理上可以解决闸门开闭困难的问题。考虑到大多数水闸需要人工监管，成本高，为此通过液压调控，实现了通过水位的变化，来自动控制水闸启闭，使下游水位稳定在安全水位和需求水位之间。

水闸设计为两部分：（1）液压动力系统：利用液压传动，采用矩阵阀门组，利用水道中的水压将水能转换成机械能；（2）闸室系统：通过液压传动的能量，推动水闸基座起降，基座上设计有闸门支撑柱，由支撑住支撑闸门起降；水道中水流蕴含了巨大的能量，而液压传动所基于的最基本原理——帕斯卡原理，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以扩大水压力。

液压动力系统图

2.1 构件组成。如上图所示：1-低压进水阀—临界压力值对应水位为下游需求水位，下游水位高于需求水位时关闭，低于需求水位时开启；2-单向导流阀—只允许水由管A流向管B；3-高压排水阀—临界压力值对应水位为下游安全水位，下游水位低于安全水位关闭，高于安全水位时开启；4-闸门底座—控制上下游的水位差。管道A—进水管道，管道B —闸室底部管道，管道C—侧向出水管道。虚线表示压力阀与下游水位连通的水位传感管道。

2.2 传动杆介绍。传动杆是与闸门底座左右两端相连的杆，通过此杆件设计，在闸门需要打开时将门叶提起允许水流通过，当闸门需要关闭时拉动门叶自由落下。杆外设混凝土砌套筒，让杆可以在其中自由升降并起到保护作用。作用：（1）当下游水位低于需求水位时，低压进水阀1开启，高压排水阀关闭，水流由引水管道进入管道A，通过单向导流阀2流入管道B且不可回流，底座在水压力作用下向上，闸门升起，下游水量得到补充；（2）当下游水位处于安全水位与需求水位之间时，低压进水阀1关闭，高压排水阀3关闭，管道A、B水内水量不变，闸门停止升起。（3）当下游水位高于安全水位时，低压进水阀1关闭，高压排水阀3开启，在闸门门身和底座重力的作用下，管道B内水流向管道C，闸门底座向下，闸门下降挡水。

3 传动部分受力分析

以宁夏兴庆区某水电站的引水渠水闸为例，它的全年平均流速为3.0m/s，断面面积约为20m2，断面宽度5m，闸前水头为4m，闸后需水水位为1m，安全水位2.5m。假如采用本系统，闸门下地基开挖2m，H=6m。

3.1 水流在1闸门底部处形成的水压强为：p1=γw*H=9.8*6= 58.8kPa水流在水流在闸门底座处形成的水压力为：Fmax=p1*s*b= 441kN，Fmin=γw（H-h）*s*b=368kN，其中，H为闸门底部距水面的高度，γw为水的容重，s为闸门底座厚度，b 为闸门底座沿河流断面的宽度，h为闸门底座做大上升高度。

3.2 水闸自重G与闸门上升过程中的水流阻力F阻。G= V*ρ*g=（c*s+δ*ht）*b*ρ*g=334KN，F阻=μ*A*=16 KN，ρ为钢材密度，μ为水流动力黏度（20度水温时μ取值为1.002），A为水流与闸门接触面积，为流速梯度。

综上所述，Fmin>G+F阻，所以该方案具有可行性。

4 结语

我国水利发展已经进入“水联网”时代，我国江河众多，有几十万座水利工程，水闸分布更是星罗棋布，数目庞大。而目前的水闸系统，存在耗能过大、人工监管难度大、存在安全隐患。且目前采用的直降式水闸起降，浪费了水面上方大量空间，阻碍了水道通航。本闸门可以自动调控水闸开度，采用矩阵阀门组，实现可以通过水位变化来调节水闸开度，保障下游通流量恒定。在汛期，实现水闸关闭，蓄水；洪峰过后，开启阀门，泄洪排水。通过调节，可以使下游水位稳定在安全水位和需求水位之间。无人工监管，本水闸无需外界供能，系统完全独立，无需人工控制，节省大量成本，提高了安全系数。闸室稳定性好，液压动力装置设于河床底部，相当于进行了地基的桩基础处理，起到了防渗帷幕的作用，有利于闸室的稳定。水闸运行能耗低，采用的液压传动装置的动力来源于上游河道，无需配置卷扬机等启闭设施，只需设置管控电路，节能环保。

参考文献

[1] 刘细龙，陈福荣.闸门与启闭设备[M].中国水利水电出版社，2003.

[2] 安徽省水利局勘测设计院.水工钢闸门设计[M].水利电力出版社， 1983.

[3] 陈德亮，夏富洲.水工建筑物[M].中国水利水电出版社，2011.

作者简介：高雷（1991.07- ），男，山东潍坊人，郑州大学水利与环境学院，水利水电工程专业。

摘 要：传统的闸门需人工启闭以控制水位，门侧导轨易被泥沙淤堵，以致闸门难以正常启闭，对下游的人身、财产安全构成了极大的潜在威胁。农村、山区有大量闸门设计在荒僻地带，人工监管难度大、成本高，亟需一套无人看管完全自动化的水闸系统。本文通过液压传动提供能量，实现门叶启闭，通过下游水位的变化所引起的液压变化，控制压力阀的开闭，从而实现自动控制水闸开度，汛期自动蓄水、枯水期自动泄水，使下游水位稳定在安全水位与需求水位之间。

关键词：液压传动；自动控制；无人监管；节能

1 研究背景

传统的水利闸门需要启闭机控制闸门启闭以调节水位，启闭机功率大，以启门力为400KN的QPQ启闭机为例，其配套电机额定功率大约在11KW，水电站或水泵站闸门较多，启闭机工作时间长，耗电量大，且普通闸门侧导轨易被泥沙淤堵，以致闸门启闭非常困难。大量闸门设计在荒僻地带，其管理运行困难，以致于许多闸门刚刚建好就如同被废弃一般，成为了河道中的摆设。2010年10月11日，海口强降雨引发涝灾，导致市区32条道路严重积水，涝灾所造成的直接经济损失过亿。从表面上看，涝灾是由强降雨引起，然而，究其根源，很大程度上正是由于雨水口和排污口等排水出口闸门被卡住，或是开启不及时，引发了这样一场严重的涝灾。闸门启闭的顺利与及时，关系到小到几块农田，大到一座城市的安全，而现行的闸门设计，恰恰是水系统中最大的安全隐患。

2 液压传动闸门的设计

鉴于以上问题，作者设计了这种液压传动自动控制节能闸。考虑到目前的平面闸门需要上提开闸，需要启闭机提供很大的功率，要消耗较多的能量，并且时有开闭闸困难的问题，故决定通过液压千斤顶原理提供动力，就地取水作为启闭闸门的能源，通过对水量的调节来自动控制闸门的升降，无需能耗，不仅可以节约能源，为环境保护作出巨大的贡献，而且从原理上可以解决闸门开闭困难的问题。考虑到大多数水闸需要人工监管，成本高，为此通过液压调控，实现了通过水位的变化，来自动控制水闸启闭，使下游水位稳定在安全水位和需求水位之间。

水闸设计为两部分：（1）液压动力系统：利用液压传动，采用矩阵阀门组，利用水道中的水压将水能转换成机械能；（2）闸室系统：通过液压传动的能量，推动水闸基座起降，基座上设计有闸门支撑柱，由支撑住支撑闸门起降；水道中水流蕴含了巨大的能量，而液压传动所基于的最基本原理——帕斯卡原理，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。所以通过液体的传递，可以扩大水压力。

液压动力系统图

2.1 构件组成。如上图所示：1-低压进水阀—临界压力值对应水位为下游需求水位，下游水位高于需求水位时关闭，低于需求水位时开启；2-单向导流阀—只允许水由管A流向管B；3-高压排水阀—临界压力值对应水位为下游安全水位，下游水位低于安全水位关闭，高于安全水位时开启；4-闸门底座—控制上下游的水位差。管道A—进水管道，管道B —闸室底部管道，管道C—侧向出水管道。虚线表示压力阀与下游水位连通的水位传感管道。

2.2 传动杆介绍。传动杆是与闸门底座左右两端相连的杆，通过此杆件设计，在闸门需要打开时将门叶提起允许水流通过，当闸门需要关闭时拉动门叶自由落下。杆外设混凝土砌套筒，让杆可以在其中自由升降并起到保护作用。作用：（1）当下游水位低于需求水位时，低压进水阀1开启，高压排水阀关闭，水流由引水管道进入管道A，通过单向导流阀2流入管道B且不可回流，底座在水压力作用下向上，闸门升起，下游水量得到补充；（2）当下游水位处于安全水位与需求水位之间时，低压进水阀1关闭，高压排水阀3关闭，管道A、B水内水量不变，闸门停止升起。（3）当下游水位高于安全水位时，低压进水阀1关闭，高压排水阀3开启，在闸门门身和底座重力的作用下，管道B内水流向管道C，闸门底座向下，闸门下降挡水。

3 传动部分受力分析

以宁夏兴庆区某水电站的引水渠水闸为例，它的全年平均流速为3.0m/s，断面面积约为20m2，断面宽度5m，闸前水头为4m，闸后需水水位为1m，安全水位2.5m。假如采用本系统，闸门下地基开挖2m，H=6m。

3.1 水流在1闸门底部处形成的水压强为：p1=γw*H=9.8*6= 58.8kPa水流在水流在闸门底座处形成的水压力为：Fmax=p1*s*b= 441kN，Fmin=γw（H-h）*s*b=368kN，其中，H为闸门底部距水面的高度，γw为水的容重，s为闸门底座厚度，b 为闸门底座沿河流断面的宽度，h为闸门底座做大上升高度。

3.2 水闸自重G与闸门上升过程中的水流阻力F阻。G= V*ρ*g=（c*s+δ*ht）*b*ρ*g=334KN，F阻=μ*A*=16 KN，ρ为钢材密度，μ为水流动力黏度（20度水温时μ取值为1.002），A为水流与闸门接触面积，为流速梯度。

综上所述，Fmin>G+F阻，所以该方案具有可行性。

4 结语

我国水利发展已经进入“水联网”时代，我国江河众多，有几十万座水利工程，水闸分布更是星罗棋布，数目庞大。而目前的水闸系统，存在耗能过大、人工监管难度大、存在安全隐患。且目前采用的直降式水闸起降，浪费了水面上方大量空间，阻碍了水道通航。本闸门可以自动调控水闸开度，采用矩阵阀门组，实现可以通过水位变化来调节水闸开度，保障下游通流量恒定。在汛期，实现水闸关闭，蓄水；洪峰过后，开启阀门，泄洪排水。通过调节，可以使下游水位稳定在安全水位和需求水位之间。无人工监管，本水闸无需外界供能，系统完全独立，无需人工控制，节省大量成本，提高了安全系数。闸室稳定性好，液压动力装置设于河床底部，相当于进行了地基的桩基础处理，起到了防渗帷幕的作用，有利于闸室的稳定。水闸运行能耗低，采用的液压传动装置的动力来源于上游河道，无需配置卷扬机等启闭设施，只需设置管控电路，节能环保。

参考文献

[1] 刘细龙，陈福荣.闸门与启闭设备[M].中国水利水电出版社，2003.

[2] 安徽省水利局勘测设计院.水工钢闸门设计[M].水利电力出版社， 1983.

[3] 陈德亮，夏富洲.水工建筑物[M].中国水利水电出版社，2011.

作者简介：高雷（1991.07- ），男，山东潍坊人，郑州大学水利与环境学院，水利水电工程专业。