弧门启门高度与油缸行程的关系研究

(四川蜀禹水利水电工程设计有限公司，成都，610072)

1 研究背景

目前，弧形闸门在水利水电工程中的应用非常广泛，弧形闸门作为水道的工作闸门，用于泄洪、冲砂和局部开启调流，然而要精确计算弧门的泄流量，需精确测量弧门的启门高度。在有些水利水电工程中发现，编码器在测量弧形闸门开度时误差较大。主要原因是编码器的转角与平板闸门开度之间为简单的线性关系，而与弧门开度之间的关系则较为复杂。在实际闸门控制PLC编程调试中，调试人员常常将弧门的整个开度分段线性化，这样其量测精度与开度分段的多少有很大关系，且只有每一段的起点和结束点是准确的，而中间的各点都不准确。整个开度分段少，开度级差大，测量精度误差大；若整个开度分段较多，则现场测量、数据输入、调试及调整等工作繁琐，非常不方便。不管开度分段疏密，均不能满足开度无极准确调整的要求，均不能精确测量弧门的开度。

最近，在涪江柳树电航工程泄洪冲砂闸弧门液压启闭机的调试中，又遇到同样的问题。业主要求工程设计单位提供弧门启门高度与液压启闭机油缸行程的关系公式。为此，笔者对其变化规律进行了分析，推导出了弧门启门高度与油缸行程的通用关系公式。

2 公式推导过程

弧门启门的典型布置详见图1所示。

图1 弧门启门的典型布置

弧门绕支铰中心转动，支铰中心、油缸上支点和弧门吊耳中心这三点相互连线可组成三角形。在弧门启门过程中这三点始终组成三角形，支铰中心和油缸上支点为固定点，弧门吊耳中心为动点，可建立三角形余弦定理。

c2=a2+b2-2abcosθ

(1)

式中：c——油缸上支点到弧门吊耳中心的长度(油缸长度)，mm；

a——油缸上支点到弧门支铰中心的长度，mm；

b——弧门支铰中心到弧门吊耳中心的长度，mm；

θ——a、b、c构成的三角形中a与b的夹角。

在启门过程中，弧门开启高度H是指面板底缘至闸门底槛的竖直高度。闸门面板底缘同吊耳中心一样绕支铰中心转动，弧门旋转角度即为三角形abc中a与b夹角的变化量。

(2)

θ=θ0-θh

(3)

式中：H——弧门开启面板底缘至闸门底槛的竖直高度，mm；

hz——弧门支铰中心至闸门底槛的竖直高度，mm；

R——弧门面板曲率半径，mm；

θ0——弧门处于全关时，abc三角形中a与b的夹角；

θh——在启门过程中，弧门旋转角度；

θ——同式(1)。

油缸行程，即为油缸在弧门启门过程中的收缩行程，弧门全关时设定为零。

L=L0-c

(4)

式中：L——油缸行程，在弧门全关时设定为零，mm；

L0——弧门全关时，油缸上支点到弧门吊耳中心的长度(即全关时油缸长度)，mm；

c——同式(1)。

综合以上(1)-(4)式，可推导出弧门启门高度与油缸行程的关系公式。

由上式可知，弧门启门高度变化与液压启闭机油缸行程变化并不相等，采用编码器测量出油缸行程后，须在油缸行程与弧门启门高度之间建立起相应的函数关系，并将其转换为闸门的实际启门高度值，这样测量出来的启门高度值才是准确的。

3 工程实例

涪江柳树电航工程泄洪冲砂闸弧门孔口尺寸为12m×13.5m(宽×高)，24孔。根据布置可知参数a=7845mm，b=15360mm，θ0=103.4259°，hz=10700mm，R=16000mm，代入弧门启门高度与油缸行程的关系公式，可得如下公式并画出其关系曲线图(图2)，通过该公式，便可以精确测量弧门启门高度，以达到精准操控闸门的目的。

式中：L——油缸行程，在弧门全关时设定为零，mm；

H——弧门开启面板底缘至闸门底槛的竖直高度，mm。

图2 柳树泄洪冲砂闸弧门开启高度与油缸行程关系曲线

4 结语

目前，采用分段法近似按线性测量开度，其测量精度只局限在个别点上，在多数点上不准确，且其工作繁琐。

本文推导出了弧门启门高度与油缸行程的通用关系公式，对精确测量弧门的启门高度有所帮助，适用于所有弧形闸门液压启闭机的场合。在弧门控制系统PLC中，用户可通过此通用公式编程自动操作和检测弧门启门高度。此通用关系公式测量精确，适用范围广，实用性强，避免了采用分段法近似按线性测量开度的缺点。