弧形闸门开度测量尺

席清海　唐靖壹　吴福生

摘 要：某调水工程节制闸和控制闸大多为竖向液压启闭机开关形式的弧形闸门，闸门开度均由液压缸行程间接得到。结合该类机构工作特点和当前调水与工程运行需求，设计安装一套人工直接测读闸门开度的“圆弧形反余弦函数比例闸门开度测量尺”，通过视频监控系统或由闸站值守人员从弧形尺刻度上直接读数得到闸门开度，便于人工校核闸门开度及与闸控电脑显示的闸门开度进行比对。

关键词：弧形闸门；开度计算；开度尺

中图分类号：TV663 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）35-0084-02

Abstract： Most of the regulating gates and controlling gates of a water transfer project are arc gates in the form of vertical hydraulic hoist switches， and the opening degrees of the gates are obtained indirectly by the stroke of the hydraulic cylinder. According to the working characteristics of this kind of mechanism and the current demand of water transfer and engineering operation， a set of "arc inverse cosine function proportional gate opening measuring ruler" is designed and installed， which is used to measure the gate opening degree manually， and the gate opening degree can be obtained by reading directly from the arc ruler scale through the video monitoring system or by the personnel on duty at the gate station. It is convenient to check the opening degree of the gate manually and compare it with the opening degree of the gate displayed by the gate control computer.

Keywords： radial gate； opening calculation； opening scale

1 概述

1.1 閘门开度测量

闸门开启高度（简称闸门开度）指闸门底部止水至闸门底槛的垂直距离。

某调水工程节制闸和控制闸为数众多，大多为竖向液压启闭机开关形式的弧形闸门。目前，中线干线弧形闸门采用自动化系统进行开闭控制。该套设备中，通常是先由某种传感器测得启闭机卷筒的“旋转角度”或液压启闭机工作油缸活塞的“行程”值，自动代入已编好的“旋转角”或“行程”与开度的函数解析式软件，计算得出闸门开度值后即时传递至总调中心与各闸控电脑。

结合该类机构工作特点和当前调水与工程运行需求，设计安装一套可人工直接测读的弧形闸门开度尺，通过视频监控系统或由闸站值守人员从弧形尺刻度上直接读得，便于特殊情况下及时上报闸门实际开度与日常人工校核闸门开度。

1.2 弧形闸门开度测量方案选择

就弧形闸门开度测量来看，测量其开度可以采用几种方法。

方案1：设计制作专用角度刻度盘，安装于弧形闸门转动支铰，通过刻度盘角度换算闸门开度。但该方法需要制作高精度刻度盘，现场观测和安装困难，之后需根据角度换算，使用较为麻烦。

方案2：制作刻度钢丝，下支点安装于边墙处闸门下沿，在闸室边墙定制作支架系统，人工直接读取钢丝刻度。但该方法精度不高，在钢丝始终保持竖直的情况下可以直接读数，非竖直时需换算；同时支架系统对闸门转动互相干扰，不便于使用。

方案3：设计制作弧形开度尺，安装于闸室侧墙水上，闸门上制作安装刻度指针，在闸墙顶人工观测。该方法仅针对安装位置设计制作刻度尺，另安装刻度指针，不需在水下安装，读数方便。

经比较后确定采用方案3。

2 弧形闸门开度与转动角度、弧尺安装半径的关系

2.1 基本参数

弧形闸门在闸室的纵剖面形式如图1所示。

O点为弧形闸门转动铰心；O1为弧形闸门转动铰心在闸底板平面上的竖向投影点；？驻OAB为弧形闸门， 为闸门迎水弧面线；R为弧形闸门弧面线曲率半径；AO1为闸室底板；KO2为闸室侧墙顶平面；O2为弧形闸门转动铰心在闸室侧墙顶平面上的竖向投影点；K为安装就位的弧形尺与闸室墙顶面交点；？驻OA1B1为弧形闸门转动某个角度？兹后的位置，P为闸门开度指针，P'为闸门在开度为x时指针位置（此时指向刻度F点），l为弧形闸门转动某个角度？兹后弧形尺的弧长（即 ）， 为弧形尺；R'为弧形尺（弧形尺所在的圆弧与闸门弧面同心）中心线曲率半径（即弧尺基准线）；图中，h0为弧门铰心距闸底板的高度，h1为闸门完全关闭时弧门顶距离闸底板的高度，h2为闸墙顶与闸底板的高度差。

？兹'为闸门开度为x时闸门开度（此时闸门转动角度为？兹）指针绕O点转动的角度，显然？兹'=？兹；？琢为闸门全关时OA与OO1的夹角，？琢=arccos（8÷11）（rad）；Hx为闸门开度为x时A1在OO1上的垂足点。

2.2 原理

2.3 结论

从原理推导过程和计算结果来看，建议采用闸门临侧墙水封处安装弧尺指针，弧形刻度尺安装于闸室侧墙，弧形尺中心线所在圆与闸门转动铰心同心，弧形尺半径可根据弧门水封等限制條件选择，比如选择R'=11150（mm）的弧形尺。

弧形尺刻度非一般直线等间距刻度尺，而是其间距呈反余弦函数关系，制作过程中其刻度分布还需根据安装位置等具体情况确定，如R'=10000（mm）等。

2.4 误差

弧形尺、闸门本身，闸室侧墙和底板，其施工、制作原本即存在误差，安装过程也产生误差，外在的环境及温度因素对弧尺测量闸门开度均有误差影响。经查阅监理验收资料及有关混凝土、304不锈钢等材料受温度影响变形量等技术资料，该类误差累积量在预估范围内，可忽略不计，因而开度计算中所用到的弧门半径误差与弧门转动铰心高至关重要。

3 闸门开度与弧尺测量开度对比

弧形开度尺安装施工需根据节制闸的现场条件和安装时的工况，选择合理的安装方法。安装后试验对比结果见表1。

从表1的闸控系统显示的实际开度与弧尺测量的开度差来看，最大差值的绝对值14mm、最小1mm，基本满足功能要求。

4 结束语

安装阶段因渠内有水，无法直接测量闸门开度并与弧尺测量、闸控系统所示开度进行比较，需待无水检修期可考虑进行直接测量闸门开度，再行比较，并校核、调整弧尺与指针。

目前，该套弧形闸门开度测量尺已在某调水工程全线推广应用，经过跟踪观察，误差在50mm以内，基本满足实际需求。

对于弧形闸门，目前自动化控制并不能由人工直接观测了解闸门开度，无法确认其开度值，本文提出的弧形闸门开度测量尺也是一种间接的测量方法，该方法虽不能接入自动化，但提出的闸门开度弧形测量尺为人工校核闸门开度提供了较为简洁直观的解决办法，尤其是在闸控系统出现故障时能及时测量闸门开度，且方便直观，全天候观测，校准检修方便，构件易加工制作。

参考文献：

[1]孙鲁安.弧门开度与启闭机行程的函数关系推导[J].水利电力机械，2016，11（28）：41-45.

[2]代威.弧形闸门开度计算[J].山西水利科技，2015，5（2）：18-21.