基于Adams连杆翻转式弧形闸门启闭的对比分析

熊胜 张建

【摘 要】 为了提大跨距闸门运行的平稳性和可靠性，简化启闭机的实验过程，本文运用ADAMS软件对翻转式弧形闸门在静水环境下启闭过程进行仿真，直观地观察了翻转式弧形闸门启闭机的整个过程，对比分析了四连杆启闭机和六连杆启闭机两种方法下閘门在静水环境下闭合过程中运行特性。结果表明：其它参数相同的情况下，四连杆启闭机在闸门运行的起始阶段冲击和振动比较显著；其它参数相同的情况下，六连杆启闭机构在闸门运行结束阶段前的冲击和振动比较显著；合理的减小启闭机的驱动速度，能够减小对闸门的冲击和振动；优化启闭机的结构参数及合理的布局，同样能够减小对闸门的冲击和振动，因此，合理的选择启闭机能实现大跨距翻转式弧形闸门在闭合过程平稳运行。

【关键词】 Adams；连杆；弧形闸门；启闭机

[Abstract] In order to raise the running stability and reliability of the large span sluice， simplify the gate hoist process of the experiment， flip-gate hoist of the radial sluice simulation using the ADAMS software in this paper under the static water environment， visually observed the whole process of radial sluice of the flip-gate hoist， comparative analysis the sluice lifting of the four linkage flip-gate hoist and six linkage flip-gate hoist under static water environment. The simulation results showed that the sluice lifting shock and vibration in the initial of the four linkage flip-gate hoist was more significant with the other parameters were same， the sluice lifting shock and vibration before the end of operation of the six linkage flip-gate hoist was more significant with the other parameters were same， the flip-gate hoist driving velocity was decreased reasonably， the sluice lifting shock and vibration can reduce， the flip-gate hoist parameters were optimized and reasonable layout， can also reduce the impact and vibration of sluice lifting， therefore， sluice lifting can run smoothly with the reasonable choice of the large span flip-gate hoist .

[Key words] Adams； linkage； radial sluice； gate hoist

水利水电工程是一项民生工程，长期以来，国外专家对水工闸门及其启闭机构进行了大量且深入的研究，积累了丰富的理论知识和经验，研制出了一批性能突出、可靠性高的闸门启闭机构。然而目前我国闸门启闭机构的技术发展比较缓慢。目前，尤其针对跨距水工闸门及启闭机构的研究文件甚少。随着国内外一些水工闸门在开启闭合过程中出现启闭超载、卡死，甚至闸门破坏等事故，闸门的运行安全越来越被重视[1-3]。

水工闸门在水利水电工程建筑物中起着泄水或蓄水的作用，通过闸门的启闭能够实调节水位、控制流量、排涝、灌溉、发电及通航等功能。为了保证闸门在启闭过程中平稳安全运行，针对跨距为60米的翻转式闸门的启闭机构，为了提高启闭机构的在运行过程中的平稳性能，本文运用ADAMS软件对启闭机构的四连杆机构和六连杆机构进行仿真，讨论了2种机构的对闸门启闭过程的影响，为改善翻转闸门启闭过程的平稳性能提供了理论依据[2-5]。

1 翻转式闸门启闭机构的工作原理

翻转式闸门启闭机构主要由弧形闸门、连接杆AB、连杆臂BC、吊臂CD、吊臂DE、活塞连杆EF及液压缸F等组成，翻转式闸门启闭机构的工作原理如图1所示。启闭机构工作时，通过液压缸F匀速驱活塞连杆EF，吊臂DE和吊臂CD固连在一起绕D点翻转，在吊臂CD翻转的情况下带动连杆臂BC运动，同理连杆臂BC翻转的情况下带动连接杆AB绕A点翻转，连接杆AB和弧形闸门以翻转副连接，最终实现闸门的启闭过程[2]。

2 启闭机构的建模

Solidworks和ADAMS的系统默认坐标系都是笛卡尔坐标系，因此建立的模型导入时视图方向不发生变化。本文采用Solidworks软件建立1：1实体启闭机构模型，该模型由连接杆AB、连杆臂BC、吊臂CD、吊臂DE、活塞连杆EF及液压缸F，本模型以闸门翻转中心A点为圆心建立坐标系，建模的参数如图2所示，四杆机构的建模参数与六连杆机构的参数相同，四杆机构以吊臂DE为驱动件。将建好的模型以parasold（x_t）格式导入ADAMS中定义材料属性，本模型的材料为Q620，施加约束和力，六连杆机构中，连接杆AB与大地之间为翻转副，连接杆AB和连杆臂BC之间为翻转副，连杆臂BC和吊臂CD之间为翻转副，吊臂CD和吊臂DE之间为固定副同时与大地之间为翻转副，吊臂DE和活塞连杆EF之间为翻转副，活塞连杆EF和液压缸F之间为翻转副，液压缸F与大地之间为滑移副，液压缸F为驱动件，驱动速度为0.0025m/s，同理，四连杆与六连杆约束一致，以吊臂DE为驱动件，驱动速度为0.04778d/s，重力加速度方向沿Y轴负方向，单位为MKS制。为了便于描述，定义四连杆机构为方法1，六连杆机构为方法2，分别如图3和图4所示。

3 结果分析

设置仿真时间为1800s，得到闸门在匀速驱动下的闭合仿真过程，仿真过程可分为三个阶段，第一阶段：起始阶段，第二阶段：运行阶段，第三阶段：结束阶段。由于闸门与约束joint1和连接杆AB（part2）同步运动，在闭合角度相同的情况下，两种方法下启闭角度如图5和图6所示，翻转式闸门质心的角速度和角加速度如图7和图8所示，从图7中可以看出，方法1仿真下闸门质心的初始角速度为0.12d/s，闸门经历加速、减速、停止、加速的历程，从图8中可以看出，方法1仿真下闸门质心的初始角速度为0.066 d/s，闸门经历加速、减速、加速、减速的历程，在起始阶段和运行阶段，方法2的冲击和振动比较平缓，方法2的优于方法1，但在结束阶段，即接近闸门关闭工位时，方法1和方法2的闸门速度和角速度都会急剧变化，同样会出现冲击和振动显著现象，但方法2的冲击和振动程度高于方法1。

4 结论

大跨距闸门启闭过程是人们所关心的热点问题，运用ADAMS软件对大跨距翻转式弧形闸门的仿真报道甚少。本文运用ADAMS软件对翻转式弧形闸门闭合进行仿真，直观地观察了翻转式弧形闸门闭合的整个过程，同时对比分析了四连杆启闭机构和六连杆启闭机构两种方法下闸门闭合过程中运行特性，得到以下结论：

（1）其它参数相同的情况下，四连杆启闭机构在闸门运行的起始阶段冲击和振动比较显著。

（2）其它参数相同的情况下，六连杆启闭机构在闸门停止运行前的结束阶段的冲击和振动比较显著。

（3）合理的减小启闭机构在閘门运行的起始阶段和停止前的结束阶段的驱动速度，减小对闸门的冲击和振动。

（4）优化启闭机构的机构参数及合理的布局，减小对闸门的冲击和振动。

本仿真有助于深入了大跨距翻转式弧形闸门不同的启闭机构对闸门启闭过程的影响，通过优化机构参数及机构布局，降低制造成本；有助于了解闸门冲击和振动产生和存在的规律；有利于提高闸门质量和使用性能，减少因冲击和振动引起的破坏性事故；简化启闭机构的实验过程，为探索大跨距翻转式弧形闸门启闭过程提供了一种新方法。有必要进行深入研究合理地选择机构参数、合理布局、驱动速度等[6-10]，本仿真还有待进一步的试验验证。

参考文献：

[1] 王正中，张雪才，刘计良.大型水工钢闸门的研究进展及发 展趋势[J].水利水电学报，2017，36（10）：1-18.

[2] 黄岳泉.大跨距翻转闸连杆启闭机构优化与仿真分析[D]. 华中科技大学（水电与数字化工程学院），2015.

[3] 高仕赵. 泥沙淤积对闸门启门力的影响及行走支承和水 封摩阻的研究[D].天津大学（建筑工程学院），2013.

[4] 杨超.底横轴翻转闸门静力学与动力学特性分析[D].安徽 建筑大学（土木工程学院），2017.

[5] 胡荣金，沈安磊，胡友安. 国内水利工程新型大跨度闸门应 用综述[J].人民长江， 2016，47增刊（2）：83-87.

[6] 胡木生，杨志泽，张兵， 等. 蜀河水电站弧形闸门原型观测 试验研究[J].水利发电学报，2016，35（2）：90-100.

[7] 张凡，巫世晶，孟凡刚等. 基于CEL理论的弧形闸门流固耦 合的数值模拟[J]. 水电能源科学，2016， 34（3）：189-191+27.

[8] 李昊，张园，文恒. 水力自动滚筒闸门振动特性的数值模拟 及试验研究[J].水利学报， 2015，46（11）：1360-1370.

[9] 陈琼，李云，刘本芹，等. 高水头船闸一字闸门水动力特性数 值模拟[J]. 水利水运工程学报，2017， （1）：87-94.

[10] 方致远，向衍. 弧形钢闸门三维有限元优化分析[J].水电 能源科学， 2015，35（7）：182-185.