氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)力學(xué)模型的建立與分析

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1、科研管理水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)2013年第11期氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)力學(xué)模型的建立與分析冀振亞高國(guó)柱孫云峰(水利部長(zhǎng)春機(jī)械研究所吉林長(zhǎng)春130012)【摘要】氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)是在結(jié)合國(guó)際先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型水利設(shè)施，其研發(fā)的首要核心任務(wù)就是閘門系統(tǒng)的受力分析與計(jì)算，其中，閘門系統(tǒng)力學(xué)模型的建立是重中之重。本文具體的闡述了氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)力學(xué)模型的建立過(guò)程，并就力學(xué)模型的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了推導(dǎo)論證?！娟P(guān)鍵詞】水利工程氣動(dòng)盾形閘門力學(xué)模型受力分析【DOI編碼】10．3969／j．issn．1672—2469．2013．11．016【中圖分類號(hào)】TV663【文獻(xiàn)

2、標(biāo)識(shí)碼】B【文章編號(hào)】1672-2469(2013)1卜0050—041引言的設(shè)計(jì)與工程施工提供依據(jù)。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視程度不2閘門系統(tǒng)力學(xué)模型的建立斷加大，中小河流治理和城市生態(tài)水系工程發(fā)展氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)由門體結(jié)構(gòu)、埋件、氣袋、迅速，要求工程的總體布置和設(shè)備的選型不但要?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，圖1為氣動(dòng)盾具有常規(guī)水利工程所要求的使用功能，而且更要形閘門系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)斷面圖。具備與生態(tài)環(huán)境相適應(yīng)的多種功能。而氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)就是結(jié)合國(guó)際先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)鋼閘門、橡膠壩研發(fā)的一種新型、環(huán)保的水利設(shè)施，其技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工期

3、短、環(huán)保性強(qiáng)、故障率低、易于維護(hù)、使用壽命長(zhǎng)，可廣泛應(yīng)用于河道治理、水庫(kù)排污排漂、壩頂加高、?？诜莱?、引水灌溉、防洪排澇、城市景觀等工程。其工作原理是：擋水門體是一排弧形鋼閘門，氣袋支撐在弧形鋼閘門的內(nèi)弧面，通過(guò)氣袋的充氣與排氣，使鋼閘門升起與倒伏，以維持設(shè)定的擋水高度，并可在設(shè)計(jì)水位內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意水位高度的調(diào)節(jié)。當(dāng)弧形鋼閘門全部倒臥在河底時(shí)，可高圖1氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)斷面圖效泄水，不影響景觀和通航，且魚類等水生物還可回游，保護(hù)生態(tài)；閘門全關(guān)閉時(shí)，可以蓄水，從圖1的氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)結(jié)構(gòu)斷面圖中，超過(guò)設(shè)定水位時(shí)，可形成溢流瀑布景觀。我們提取氣袋與閘門部分

4、，建立氣袋支撐閘門的正因?yàn)闅鈩?dòng)盾形閘門有諸多優(yōu)點(diǎn)，所以其在狀態(tài)見圖2。需要說(shuō)明的是，圖2的氣袋形狀是國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用顯得非常必要。因此，關(guān)于閘門最初我們?yōu)榱朔奖阋院蟮姆治鏊傧氲男螤?。系統(tǒng)力學(xué)模型的建立與分析必不可少。本文將著在這里最關(guān)鍵的問(wèn)題是“如何確定氣袋支撐重從氣袋支撐閘門的狀態(tài)入手，確定氣袋與閘門閘門的形狀”，這關(guān)系到整個(gè)力學(xué)模型建立的正接觸后的形狀，消除力學(xué)模型建立過(guò)程中的未知確與否。先提出兩個(gè)假定：因素，最終建立氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)的力學(xué)模型，確定閘門的氣動(dòng)系統(tǒng)壓力，為氣動(dòng)盾形閘門系統(tǒng)作者簡(jiǎn)介：冀振亞(1984年一)，男，助理工程師?！?0·科

5、研管理水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)2013年第11期形AO2B為等腰三角形，根據(jù)力與幾何學(xué)關(guān)系有·=／·，F(xiàn)a=Fb。過(guò)A點(diǎn)做垂直于力的直線，過(guò)B點(diǎn)做垂直于力的直線，N-：-直線交于O1點(diǎn)，且Ol點(diǎn)在力·P上，根據(jù)相似三角形原理，兩條線段必定A01=B01。為了方便研究，把曲線AB從圖3中移出，建立圖4模型。在曲線AB上任取一點(diǎn)c，過(guò)c圖2氣袋支撐閘門的假想形狀點(diǎn)、()1點(diǎn)做連線，取AO1C段做受力分析如圖5所示，同理，可證明Fa=Fc，兩條線段AO1=CO1，假定1：氣袋的重量不予考慮；且、作用力方向分別與直線AO1、CO1垂直。假定2：氣袋為絕對(duì)柔性體。因c點(diǎn)

6、是曲線AB上任意一點(diǎn)，所以曲線根據(jù)已知?dú)獯囊?guī)格，做氣袋對(duì)閘門的支撐AB—k任意一點(diǎn)到O1點(diǎn)的連線都與線段AO1、圖。由圖2可知，氣袋的斷截面將形成三段曲線，分別是曲線OB、曲線AB以及曲線OA。根據(jù)假定1，氣袋在充氣壓力作用下，接觸閘門的部分就會(huì)緊貼閘門內(nèi)弧面，形成連續(xù)的一段曲線OB，由此，我們就可以確定曲線OB為半徑等于鋼閘c門內(nèi)徑尺的一段圓弧，則圓弧OB的形狀就可以確定?！猯—-毫}一——一同理，將支撐氣袋的地基認(rèn)為是絕對(duì)平面，則曲線OA便會(huì)成為一段直線OA，其形狀也就-、確定。而曲線AB為沒有約束的一段自由弧，所圖4曲線AB受力分析二以其形狀

7、無(wú)法直接確定。為了確定曲線AB的形狀，取圖2氣袋斷面的單位寬度，對(duì)曲線AB進(jìn)行受力分析。連接A、B兩點(diǎn)做線段AB，則線段AB的長(zhǎng)度表示氣袋單位寬度所受氣壓的面積，如圖3所示。圖5曲線AC受力分析、BO1相等，即(如圖6所示)在曲線AB上仁_aA任取一點(diǎn)(，都有：_、r—_：——圖3曲線AB受力分析一、／x+Y：P=A0=B0圖3中，線段AB面受均勻壓力P，為解根據(jù)圓的定義：平面上到定點(diǎn)的距離等于定除約束后氣袋AB段A點(diǎn)單位寬度張力，為解長(zhǎng)的所有點(diǎn)的集合叫做圓。所以曲線AB為一段除約束后氣袋AB段B點(diǎn)單位寬度張力，·P為半：陘為P的圓弧。AB直線面解除

8、約束后氣袋內(nèi)壓尸的合力，作用至此，氣袋支撐閘門后所形成的三段曲線的點(diǎn)為線段AB的中點(diǎn)C。根據(jù)平面力系三力平衡