浅谈弧形液压升降坝

第1章绪论
  弧形液压升降坝是近年来水利行业发明创造的一种新型闸坝形式,曾入选为水利部2011 年度水利先进实用技术推广产品。目前,我国许多工程已经开始采用弧形升降坝.。弧形液压升降坝运行特性动画仿真设计,对指导弧形液压升降坝工程的决策和设计,确保弧形液压升降坝建设安全、经济、适用、美观,对促进我国弧形液压升降坝技术进步和液压升降坝工程建设具有较大的经济价值和社会意义。
1.1 课题背景
   弧形液压升降坝的组成结构主要是钢筋混凝土坝身、液压杆、支撑杆、液压缸和液压泵控制系统。它采用了自卸汽车力学原理与支墩水工结构型式的新型活动坝,不仅具备了挡水的功能还同时拥有泄水功能.目前对弧形液压升降坝的理论分析和技术措施己相对成熟,但大部分是针对液压升降坝的工作原理和性能特点。对弧形液压升降坝的运行特性的研究还处于进一步探索阶段,对液压升降坝的运行特性动画仿真设计全面系统的研究还未见报道。
   面对弧形液压升降坝工程及其技术性能问题,探索液压升降坝技术特性和运行特性的措施,通过弧形液压升降坝运行特性动画仿真设计,对指导弧形液压升降坝工程的决策和设计,确保弧形液压升降坝建设安全、经济、美观,对促进我国弧形液压升降坝技术进步和弧形液压升降坝工程建设具有重要意义。
1.2 国内外研究现状
  液压升降坝是由我国池州百川公司和河海大学开展产学研合作发明的,在国际上属于最新技术专利,但目前没有进一步具体化和规范化。国外对于液压系统和元件的计算机仿真研究从20世纪70年代就开始了,而我们国家关于这方面的研究从80年代才开始起步.虽然说起步较晚,距离科技发达的国家仍有一些差距,但是最近几十年,我国液压系统和其动画仿真技术也从低精度,速度慢到精度高,速度快这一方面取得了长足的进步。在处理能力上,从处理单输入、单输出的线性系统发展到能处理多输入、多输出的非线性系统;从复杂的编程和输入发展到交互友好的图形用户界面等等。目前,对弧形液压升降坝的理论分析和技术措施己相对成熟,但对弧形液压升降坝的运行特性的研究仍处于进一步探索阶段,对液压升降坝的运行特性动画仿真设计全面系统的研究有待进一步开展。
1.3 本课题研究意义
   在当今社会,城市河道的综合治理已经成为一个城市必须要考虑的重要问题。城市河道涉及很多方面的因素和系统工程。怎样走可持续发展道路,怎样以保护生态为原则,这些新的理念都将会对城市河道的综合治理起到至关重要作用。
 最近几年,由于城市环境的逐步改善,城市河道景观化建设也已经变成提高城市品位工程中的核心,而其中河道水景建设更是城市景观的画龙点睛之笔.然而,若要形成水面景观就必须要在河道内修筑拦河建筑,储蓄水面,由此来打造水面景观.综合城市河道治理的经验,很多工程中均修建橡胶坝,水力自控翻板闸及钢坝闸门来拦蓄尾洪,打造景观水面。根据以往工程所总结出的实践经验,不难看出以上三种拦河建筑模式不论从建筑物形式,力学结构,建设成本使用寿命还是泄洪能力,自动化控制,阻水效果以及景观效应都存在着一定的缺陷.但是弧形液压升降坝的出现却解决了上述三种模式不可避免的缺陷,更是结合了三种坝的优点,成为拦河建筑领域内的一项革命性成果.
   与传统挡挡水型闸坝相比较,弧形液压升降坝具有更加科学的力学结构,更低成本,较长的使用寿命,而且其维护方便,运行可靠,止水效果显著,景观效果好.同时已经有了固定的生产模式,产品质量稳定,安装方便,在全国河道治理中的应用也越来越广泛.工程实践表明,弧形液压升降坝在设计和运行过程中不断的总结经验,不断地对其结构性能和运行特性进行改进和优化,才能够设计出更加优秀的弧形液压升降坝,从而使弧形液压升降坝不仅在景观效应发挥出最用,并且能够城市河道治理方明发挥更重要的作用.
1.4 本课题研究内容
 本文介绍了弧形液压升降坝的工作原理,结构组成及性能特性结合工程设计的实力,并且对其运行特性进行仿真设计,做一些初级阶段的分析.
  主要研究内容如下:在分析弧形液压升降坝控制系统基本要求的基础上,分析弧形液压升降坝的总体设计,并从运行特性分析角度研究工程所在河段的稳定,验证枢纽工程总体布置形式的合理性。对弧形液压升降坝的运行特性进行动画仿真与设计,分析探讨出在控制运用和管理技术方面,适合弧形液压升降坝运行特性的控制运用方案和管理技术措施,从而为类似的工程提供设计参考。
2.3 弧形液压升降坝的性能特点
   比照常用的活动坝型,弧形液压升降坝有以下主要特点:1)液压升降坝的坝体跨度很大、结构相对简单,支撑更可靠、且容易建筑。2)液压升降坝的液压系统操作比较灵活。也可使用浮标开关来控制和操作液压系统,依据洪水涨落来达到活动坝面自动升降的目的,这样便不再需要人工管理。3)液压升降坝的水力条件更优越。这种坝体可以流畅地排泄洪水、上游堆积的泥沙、卵石甚至漂浮物,除此之外,还可任意调节高溢流、控制上游水位以及泄流量。4)液压升降坝的施工比较简单、工期也相对较短,和传统水闸相比较,大大减少了闸墩、金属结构埋件和闸门启闭设备等材料,所需混凝土的工程量也比较少,这些都有利于大大减少建造成本。5)液压升降坝耐久性好。仅需正常维护坝扇面结构和液压系统即可,且其耐久性较橡胶坝长。6)其适用范围比较广泛。液压升降坝是一种低水头挡水建筑物,可将其广泛的应用在水力发电、水利灌溉、城市环境的美化等方面。特别是在开发城市河流梯级这方面,能使水面变的更宽阔,坝体上易形成瀑布景观,拓宽了城市风光带,更有效的改善城市生态环境。
   
第3章 弧形液压升降坝的总体设计
3.1  液压升降坝机械结构形态分析
  
3.1.1 工程概况
  国内某处水利建设工程采用液压升降坝作为拦水坝,根据各坝体部分并结合部位拦水形式的可区别分为A、B坝两种。该工程有A坝两扇B坝三扇,每扇坝宽均为6m,每扇坝面后都布置两根支撑杆、两根液压杆,支撑杆间距2.6m,液压杆间距4.2m,坝体采用钢筋混凝土面板结构。
图3弧形液压升降坝
3.1.2 计算模型及参数
坐标系规定.坝面底端左角点为零点;x轴为坝体垂直轴线,指向上游为正;y轴为坝平行轴线指向右岸为正;z轴为竖直方向,向上为正。
确定计算范围。选取液压升降坝的一个坝体(宽6米)为研究对象。主要研究坝面,两根液压杆、两根支撑杆和钢筋水泥土基座。
边界条件。采用三维有限元模型截取边界,作为位置移动约束边界,即底部边界作为三个方向的约束,两边的边界作为法向约束。
三维有限单元网格。建立液压升降坝其中一段坝的三维有限单元数模型,单元总数为26890个,节点数为33384个。
基本参数。计算所用的相关参数见表。本论文设计按材料力学方法计算得到铁杆两端支点临界压应力用来判断坝体的机械稳定性。
其中长度因素μ=1、杆长L=2.627m、横截面形心主惯性矩截面积
I=4.9×10m、截面积A=0.00785m,使用欧拉公式得Q235铁杆的临界细长比=100。本论文工程中铁杆细长比为:
          =105>=100
   根据以上计算判定该受压铁杆为细长杆,再使用欧拉公式计算的到细长杆的稳定临界应力为:
        ==178.86MPa
        
3.2 弧形液压升降坝的布置
   节制闸所在河段为矩形断面,底宽24m,河底高程117.54m,堤顶高程121.04m。工程的布置顺序为:上游连接段、铺盖段、闸室段、消力池段及下游连接段等。上游铺盖段是以钢筋混凝土做为结构,底板长10m,厚400mm,高程为117.54m。闸室底板为单孔分离式钢筋混凝土结构,闸孔净宽24m,长5m,底板采用二层台阶式,上层台阶与铺盖段连接,高程为117.54m,下层台阶与消力池段连接,高程为116.24m。
   液压升降坝安装在上层台阶,坝面立起挡水时面板与铅垂面呈18°角度。活动坝面放倒后,坝体只高出原坝顶20~30cm,有效保证坝体的泄洪效果。建筑上层台阶时应预留坝体铰支座的二期混凝土孔口尺寸,二期浇筑时,预埋件钢筋必须同一期混凝土预留钢筋焊接牢固。上层台阶与下层台阶衔接处,预留支撑杆二期混凝土尺寸。下层台阶预留液压缸二期混凝土安装尺寸,二期混凝土处理方法同铰支座、支撑杆。建筑底板和边墙时都该预留液压管路槽,底板液压管路槽应该铺上砼盖板,边墙油路预留槽上铺钢板盖面。埋设好液压管路之后需要连接液压缸和液压泵站。液压升降坝由4扇单扇坝板组成,单扇闸门重量约为4500kg,坝板间设橡皮止水。单扇坝板后埋设2 支液压缸,液压缸内径Φ140mm,液压缸设计最大工作压力为16Mpa。液压泵房布置在左岸稍远处,液压升降坝可实现现场控制和集中控制。下游消力池段为钢筋混凝土结构,长10m,底板厚600mm。液压升降坝允许门顶溢流,为避免局部开启运行时门顶溢流及启闭操作时造成门后负压,坝后两侧边墙设置通气孔以起到补气的作用,从而减小坝体振动。
弧形液压升降坝布置图如图4所示。
第4章弧形液压升降坝运行特性动画仿真模型的建立
4.1 用SolidWorks建立弧形液压升降坝模型
4.1.1 建模
液压升降坝由液压杆、支撑杆、液压缸、弧形坝面、液压泵站和油路系统等构造而成。在弧形液压升降坝作图设计的基础上,确定各零件的形状和尺寸。各零件的的定位尺寸精度都必须保留小数到后两位,以避免数据传递过程中出现的仿真失败。在Solid Works2012中,弧形坝面和液压杆的形成比较容易实现,可以通过逐节拉伸形成。坝基的造型相对比较复杂,运用了拉伸、拉伸切除和镜像特征。就可生成整体齿形草图,然后利用拉伸命令完成齿轮的初步建模。如图(5)6)7)
图(5)
上图(6)  下图(7)
4.1.2 机构整体装配
   在装配之前应该先确定合理的弧形液压升降坝的各构件之间的运动副,依据各零件之间的位置,运动等关系完成各种装配连接工作。而在装配时,必须建立各零(部)件之间的约束关系,可以采用由SolidWorks提供的动态仿真模拟功能,让零件或部件在束条件下进行运动模拟。而在液压升降坝运行特性动画仿真设计过程中,要依据构件间的相对运动的具体情况,通过设定多种连接来限制机构的自由度,以此来正确的约束零件装配。具体操作第一步是在组件放置阶段,切换至move(移动)窗口.能利用鼠标直接拖移组件。通过平移和旋转操作,实现三维实体模型。
装配图如图(8)9)所示:
图8挡水   
图9泄水
4.2运动仿真的实现
   选择菜单“插入”模拟”中,选择“线性马达”并把这个动力源施加到液压杆上,经过模拟计算后,可以观看液压杆的运动。然后,利用Animator工具生成产品的动画。生成包括旋转模型、爆炸、解除爆炸和物理模拟等四种模拟的动画仿真图形。旋转模型能让产品围绕X坐标轴、Y坐标轴或Z坐标轴作整体旋转;爆炸用于生成产品的爆炸过程动画;解除爆炸用于生成产品的爆炸的反过程动画,但产品设计时必须要已经生成产品的爆炸视图,而关于物理模拟则是应用于生成产品在物质动力驱动下的运动模拟动画。在动画类型选择对话框中,选择“物理模拟”设置好“开始时间”和“时间长度”后,这样,在SolidWorks中所有的动画即可完成。点击动画图标的播放按钮,就可以浏览弧形液压升降坝的动画仿真运动。
另看动画仿真图
   
第5章液压升降坝运行特性动画仿真设计分析与改进
 5.1 弧形液压升降坝运行特性动画仿真设计结果分析
  仿真系统是指利用计算机平台进行仿真模拟,所谓仿真模拟是指根据实际系统的运行情况进行模拟,模仿真实的运行状况及时间变化的过程,最后通过仿真运行过程的观察和统计,最终得到被仿真系统的输出参数和性能,然后根据得出性能和参数,估计和推测真实的情况,然后整合各种动态分析过程,可以迅速得到相关的信息,用来改进设计和完善购件.通过分析反馈信息,完善模型,变化运动环境,最终使结果趋向满意.
 5.2 液压升降坝的可行性改进措施
  在本弧形液压升降坝中,液压杆运动是仿真运动的关键,在弧形液压升降坝装配完成后,通过在原动件上添加物质动力源来直接实现液压杆运动的模拟。在装配过程中,需要建立各零/部件之间的约束关系,可以应用SolidWorks提供的动态仿真模拟功能,使零件或部件按约束条件进行运动。在进行液压升降坝运行特性动画仿真设计过程中,可根据构件间的相对运动情况,通过设定各种连接来限制机构的自由度,达到零件装配的正确约束。检查干涉现象,发现问题及时纠正,直到获得满意的结果。
结论
  在本次设计中,通过对弧形液压升降坝运行特性动画仿真设计的初步研究,对弧形液压升降坝的总体设计有了进一步了解.通过对机构的各种动态分析,可迅速得到相关的信息,以改进设计和完善构件。动画仿真设计的分析结果,对弧形液压升降坝运行特性的进一步探索具有重要意义。
   此外,通过本次设计,我进一步掌握了关于机械设计的一些基础知识,更好的培养了自身的全方位设计思维。同时,理论联系实践的毕业设计锻炼了我动手操作能力,奠定了我以后进一步深入学习和研究的基础

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