自由側(cè)翻式拍門無水閉門運(yùn)動特性研究

何志堅(jiān)，葉 鋒

（1.湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410200；2.湖南搏浪沙水工機(jī)械有限公司，湖南 長沙410200）

拍門作為一種泵站常見斷流裝置，已有相關(guān)資料針對傳統(tǒng)懸掛式拍門進(jìn)行了分析和計算[1~2]，自由側(cè)翻式拍門由于其創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)形式，在同樣工況下，具有較大的開啟角度，拍門作動水頭和水頭損失更小，因而相比于傳統(tǒng)的懸掛式拍門以及其它管道斷流方式，結(jié)構(gòu)更簡單、造價更低廉、維修更方便、更節(jié)能環(huán)保，為目前應(yīng)用最為廣泛的單向止回裝置[3~5]，但目前針對自由側(cè)翻式拍門的閉門運(yùn)動分析較少。

本文對自由側(cè)翻式拍門閉門運(yùn)動與撞擊力進(jìn)行了分析和計算，并與其它形式的拍門進(jìn)行了對比研究，為泵站拍門的正確選用和設(shè)計提供一定理論依據(jù)。無水空拍往往對門座造成較大的沖擊，本文將拍門非淹沒出流工況運(yùn)行等同于無水閉門運(yùn)動進(jìn)行分析。

1 自由側(cè)翻式拍門工作原理

圖1所示為管涵出口自由側(cè)翻式拍門的布置圖，門軸傾角為δ，管口所在平面與豎直平面的夾角為γ，則門軸與豎直線存在夾角β，門軸所在豎直面與管道出口斷面存在二面角θ，則它們之間的關(guān)系為：

當(dāng)自由側(cè)翻式拍門的開啟角度為α?xí)r，垂直于門板的重力分力為f：

力f即提供自由側(cè)翻式拍門自動關(guān)閉的動力，當(dāng)拍門完全閉合時，此時f=mg·sinβ·sinθ，即為施加于止水橡皮的正壓力，此時止水橡皮會產(chǎn)生一定的預(yù)壓縮量，從而使得自由側(cè)翻式拍門逆向止水更為可靠。

2 自由側(cè)翻式拍門無水條件下閉門運(yùn)動方程及撞擊力分析

如圖2所示，假定δ和γ均不為零，則在拍門開啟角度為α的t時刻，由動量矩定理可得：

圖2 圓形流道出口自由側(cè)翻式拍門布置簡圖

式中，

J0為拍門對門軸的轉(zhuǎn)動慣量；

R為拍門重心到鉸軸的距離。

假設(shè)拍門初始開啟角度為α0，解方程（4）得碰撞前（α=0）門體角速度ωm：

任意角α?xí)r角速度為ω：

在碰撞過程中，對于材料確定的物體，碰撞后與碰撞前的速度絕對值比值保持不變[6]，以門軸為起點(diǎn)，拍們上離軸x處的碰撞前線速度為ν（x）=ωqx，設(shè)碰撞后線速度為u（x），恢復(fù)系數(shù)為K，則

對拍門上離軸x處微元運(yùn)用動量定理可得

式中，m'為單位面積的質(zhì)量，S'（x）為拍門門體x處所受到的門座對其的碰撞沖量集度。

采用極坐標(biāo)算法，得門座對門體的碰撞沖量為：

式中，

r0為近似為出水流（管）道半徑；

t為碰撞時間。

則門座對門體的碰撞力為：

式中，

μ為為沖擊系數(shù)（由實(shí)驗(yàn)確定）；

r0為近似為出水流（管）道半徑。

在閉門瞬間，門鉸受到的沖擊也不容忽視，同樣利用動量定理可以求得閉門瞬間門鉸處所受到的沖擊力Fcj：

3 各類拍門無水條件下閉門撞擊力對比分析

由以上針對一般拍門結(jié)構(gòu)的運(yùn)動特性分析可以得出，在無水條件下，自由側(cè)翻式拍門閉門瞬間所受到的撞擊力和門鉸所受到的沖擊力與碰撞前的角速度和垂直于門板的重力分力有關(guān)，而拍門的設(shè)計安裝角δ和γ，則決定了拍門碰撞前的角速度和閉門過程中垂直門板的重力。

對δ和γ取不同的值，分別可以計算得到目前常見的幾種拍門無水條件下閉門運(yùn)動方程，為了方便對比分析各種類型拍門撞擊力，文中假定初始開啟角度α0=90°，門體結(jié)構(gòu)及流道參數(shù)一致。

（1）自由側(cè)翻式拍門（δ=10°，γ=10°）由前面公式（5）、（10）（11）得

（2）懸掛式拍門（δ=90°，γ=10°）

根據(jù)動量定理及前面分析，得

（3）井蓋式拍門（γ=90°）

根據(jù)動量定理及前面分析，得

根據(jù)式（12）～（20）的計算結(jié)果，可以看出，在拍門結(jié)構(gòu)尺寸一定的條件下，自由側(cè)翻式拍門與懸掛式拍門、井蓋式拍門相比，其在無水條件下，拍門門體關(guān)閉瞬間線速度最小，碰撞力和對門鉸的沖擊力最小。針對具體工況，可以通過選取適當(dāng)δ和γ大小，在滿足可靠閉門要求的情況下，把拍門運(yùn)行的撞擊力降低到最小，本文進(jìn)一步從理論上分析了自由側(cè)翻式拍門在結(jié)構(gòu)設(shè)計上的先進(jìn)性。

4 結(jié)束語

根據(jù)上述分析，得出以下結(jié)論：

（1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，自由側(cè)翻式拍門與傳統(tǒng)的懸掛式拍門、井蓋式拍門相比具有明顯的先進(jìn)性，自由側(cè)翻式拍門在無水條件下對門座的撞擊力，相對于傳統(tǒng)的懸掛式拍門要小很多，工作更安全。

（2）在自由側(cè)翻式拍門的結(jié)構(gòu)設(shè)計上。通過設(shè)計合理的安裝角δ和γ，可以使自由側(cè)翻式拍門取得理想的自動閉門效果。

（3）對自由側(cè)翻式拍門來說，門體自重并不是引起閉門撞擊大小的關(guān)鍵因素，但對于大型的拍門，有必要根據(jù)具體情況，調(diào)整設(shè)計安裝角δ和γ，以減小拍門閉門時的撞擊力。

[1]嚴(yán)登豐.泵站工程[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

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