所属栏目：工业设计论文范文发布时间：2011-02-25浏览量:325
摘要：以合肥市塘西河河口闸站枢纽工程为实例，介绍了一种全新形式的闸门——立轴式双向旋转钢闸门，该闸门独特的结构和运行方式突破了传统闸门的设计思路，结构设计具有独创性，在国内外尚属首次采用，为闸门设计的创新提供了有价值的参考。
关键词：创新 立轴 双向旋转 闸门设计
塘西河河口闸站枢纽位于合肥市滨湖新区巢湖入口一开敞式河道，是建设合肥滨湖新区的重点市政工程。该枢纽由拦洪节制闸和排涝泵站两个主体建筑物组成。拦洪节制闸的功能是：巢湖水位低时拦蓄河水，保持湿地生态水位;巢湖水位高于内河防洪水位时，关闸挡洪。排涝泵站的功能是：巢湖水位高于内河防洪水位时，河水不能自排，关闸排洪，防止内涝。
在节制闸建设方面，由于传统的节制闸闸门需由启闭机启闭，从而需在其上部设专门的启闭机房，难以与本工程的周边环境和城市建筑风格相协调，也不能在排洪期及关闸期形成飞瀑或活水景观功能。因此，设计了一种全新形式的闸门——立轴式双向旋转闸门，闸门独特的结构和运行方式既能满足防洪排涝要求，又能满足城市景观效果的要求，突破了传统闸门的设计模式，扩宽了闸门设计思路。
1闸门设计依据
根据塘西河防洪排涝工程布局及特征水位分析，塘西河河口闸站枢纽工程节制闸设计条件见表1。闸门根据规划和水位条件进行设计，从而实现节制闸的功能要求。
2闸门结构设计
闸门整体结构如图1所示，主要由上、下两扇弧形门体和浮箱结构组成，中心立柱装有支铰，通过支臂与门体相连，闸门可绕中心支铰旋转，从而实现挡水和泄流要求。闸门外观呈圆柱桶体，外径为R25m，内径为R21m，闸室内径为R25.9m，上、下门体中心角度为70°，上下游河道宽30m。平时蓄水，闸门关闭，上下门体正对河道挡水，同时上游门体在高程12.0m设有四个溢流孔，保持上游水位高程为12.0m，小流量可通过溢流孔自动溢流。泄流时闸门旋转90°，门体旋转到闸室内，浮箱结构正对河道。由于浮箱下部没有挡水结构，如图2所示，因此，水可以从浮箱下方顺畅流过，实现泄流要求。闸门检修时，闸门旋转回到关闭位置，上、下门体互为检修门，可进行抽水检修。
当闸门开启泄流时，出水的地方会形成射流，直接冲击门体、支臂和支铰，并在闸室内形成“S”型水流，水流流态较差，下游出水对河道有较大冲击作用。如消能防冲时，上游水位为12.0m，下游水位为8.0m，这时旋转闸门过流是非常不利的。因为水头差较大，射流的水流流速较大，受到冲击的支臂可能会产生振动，从而有可能引起闸门的整体振动，作为景观建筑这是不允许的。考虑到可能出现这样的情况，因此在上、下游门体下部各开了12个潜流孔，并设置调节闸门进行控制。经水工模型验证，孔口尺寸为1.5m×1.89m时满足100m3/s过流要求。因此设置小门既满足了消能防冲过流的要求，又避免了射流和水流流态较差问题，从而避过了闸门可能振动的工况。校核排洪时闸上水位13.0m，这时只开小门不能满足240m3/s的过流要求，但是此时上下游水位差很小，旋转闸门不会有射流和引发振动的问题。由此看来，小门的设置不仅能解决小流量过流问题，还保证了闸门结构的稳定与安全。在运行调度时，小流量不旋转闸门，通过设置的小门过流;大流量时旋转闸门达到预期的过流要求。
3闸门止水设计
闸门侧止水采用新型液压顶升式止水结构，如图3所示。由于闸门上部被建筑结构覆盖，若采用插拔式止水则无法进行更换。经过方案比较，设计了液压顶升式止水结构。挡水时，液压油缸伸出，止水橡皮与止水座面贴紧，达到密封止水的效果;当需要旋转闸门时，液压油缸收回，止水橡皮与止水座面脱离，从而可旋转闸门。止水座面结构与埋件采用螺栓连接，可以进行拆卸。当需要更换止水时，可先将止水座面#p#副标题#e#结构拆卸下来，然后液压油缸伸出将止水橡皮顶出进行更换。该止水结构新颖，更换方便，也可在其他门型中运用。底止水采用“八”字型止水橡皮，侧止水与底止水通过方形橡皮块过渡。
4闸门支承和运行方式设计
闸门支承考虑了三种结构方式：滚珠对滑槽，滑块，偏心滚轮。首先考虑的是滚珠在滑槽内作圆周运动，从而实现转动。与相关单位联系并做了实验，滚珠与滑槽为点接触，对滑槽的抗压要求非常高，滑槽的制作成本高，不经济，而且存在风险。滚珠很可能在滑槽内滑动而不是滚动，不仅磨损滑槽，还会增加启闭机容量。对滑块和偏心滚轮而言，考虑到闸门总重近2000吨，如果采用滑块，那么滑块要分段加工成圆弧形，加工成本比较高，滑块材料也要选用价格较贵的高性能材料，而且滑动摩擦系数始终比滚动摩擦系数要大，相应启闭机容量较大。综合比较，采用偏心滚轮最佳，因为转动闸门时滚动的运行方式更灵活，摩擦系数最小，可以最大限度的减小启闭机容量。另外浮箱产生的浮力也可以抵消一部分重力，也能减小启闭机的容量。考虑到滚轮轨道铺设的误差，滚轮外圈包覆有高强度的工程塑料合金，从而能更好地适应轨道的不平整度，同时提高滚轮的抗压性能。
转动闸门可以考虑齿轮齿条啮合的运动方式。在闸门外部焊接一圈齿条，然后布置2-4个齿轮，通过齿轮齿条的啮合来使闸门转动起来。但是闸门外径为φ50m，齿条的分段加工和组装精度要求较高，实际操作难度大，加工成本高;同时对齿轮齿条啮合的同步性要求很高，万一啮合不同步很容易造成破坏，风险很高。因此，设计了一种新的启闭方式。采用直拉式卷扬启闭机，通过拉动固定在闸门门体上的钢丝绳从而使闸门转动起来，如图4所示。这种方式突破了传统卷扬启闭机的启闭方式，同时最大的特点是运行安全。考虑到成本的因素启闭机采用闭式传动，节约了空间，降低了成本。
5结束语
立轴式双向旋转钢闸门是结合城市景观要求而提出的一种全新的闸门结构形式，据查证，该结构目前在国内外还未出现过，属于创新型闸门。闸门止水也采用了新型液压顶升式止水，同时采用新型直拉式卷扬启闭机来实现闸门的转动，突破了传统的闸门结构设计思路和闸门运行方式。闸门结构设计合理新颖，运行可靠，对闸门设计的创新有一定的参考价值。