基于Adams連桿翻轉(zhuǎn)式弧形閘門啟閉的對比分析

熊勝 張建

【摘 要】 為了提大跨距閘門運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性，簡化啟閉機(jī)的實(shí)驗(yàn)過程，本文運(yùn)用ADAMS軟件對翻轉(zhuǎn)式弧形閘門在靜水環(huán)境下啟閉過程進(jìn)行仿真，直觀地觀察了翻轉(zhuǎn)式弧形閘門啟閉機(jī)的整個(gè)過程，對比分析了四連桿啟閉機(jī)和六連桿啟閉機(jī)兩種方法下閘門在靜水環(huán)境下閉合過程中運(yùn)行特性。結(jié)果表明：其它參數(shù)相同的情況下，四連桿啟閉機(jī)在閘門運(yùn)行的起始階段沖擊和振動比較顯著；其它參數(shù)相同的情況下，六連桿啟閉機(jī)構(gòu)在閘門運(yùn)行結(jié)束階段前的沖擊和振動比較顯著；合理的減小啟閉機(jī)的驅(qū)動速度，能夠減小對閘門的沖擊和振動；優(yōu)化啟閉機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及合理的布局，同樣能夠減小對閘門的沖擊和振動，因此，合理的選擇啟閉機(jī)能實(shí)現(xiàn)大跨距翻轉(zhuǎn)式弧形閘門在閉合過程平穩(wěn)運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】 Adams；連桿；弧形閘門；啟閉機(jī)

[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

水利水電工程是一項(xiàng)民生工程，長期以來，國外專家對水工閘門及其啟閉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量且深入的研究，積累了豐富的理論知識和經(jīng)驗(yàn)，研制出了一批性能突出、可靠性高的閘門啟閉機(jī)構(gòu)。然而目前我國閘門啟閉機(jī)構(gòu)的技術(shù)發(fā)展比較緩慢。目前，尤其針對跨距水工閘門及啟閉機(jī)構(gòu)的研究文件甚少。隨著國內(nèi)外一些水工閘門在開啟閉合過程中出現(xiàn)啟閉超載、卡死，甚至閘門破壞等事故，閘門的運(yùn)行安全越來越被重視[1-3]。

水工閘門在水利水電工程建筑物中起著泄水或蓄水的作用，通過閘門的啟閉能夠?qū)嵳{(diào)節(jié)水位、控制流量、排澇、灌溉、發(fā)電及通航等功能。為了保證閘門在啟閉過程中平穩(wěn)安全運(yùn)行，針對跨距為60米的翻轉(zhuǎn)式閘門的啟閉機(jī)構(gòu)，為了提高啟閉機(jī)構(gòu)的在運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性能，本文運(yùn)用ADAMS軟件對啟閉機(jī)構(gòu)的四連桿機(jī)構(gòu)和六連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，討論了2種機(jī)構(gòu)的對閘門啟閉過程的影響，為改善翻轉(zhuǎn)閘門啟閉過程的平穩(wěn)性能提供了理論依據(jù)[2-5]。

1 翻轉(zhuǎn)式閘門啟閉機(jī)構(gòu)的工作原理

翻轉(zhuǎn)式閘門啟閉機(jī)構(gòu)主要由弧形閘門、連接桿AB、連桿臂BC、吊臂CD、吊臂DE、活塞連桿EF及液壓缸F等組成，翻轉(zhuǎn)式閘門啟閉機(jī)構(gòu)的工作原理如圖1所示。啟閉機(jī)構(gòu)工作時(shí)，通過液壓缸F勻速驅(qū)活塞連桿EF，吊臂DE和吊臂CD固連在一起繞D點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，在吊臂CD翻轉(zhuǎn)的情況下帶動連桿臂BC運(yùn)動，同理連桿臂BC翻轉(zhuǎn)的情況下帶動連接桿AB繞A點(diǎn)翻轉(zhuǎn)，連接桿AB和弧形閘門以翻轉(zhuǎn)副連接，最終實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉過程[2]。

2 啟閉機(jī)構(gòu)的建模

Solidworks和ADAMS的系統(tǒng)默認(rèn)坐標(biāo)系都是笛卡爾坐標(biāo)系，因此建立的模型導(dǎo)入時(shí)視圖方向不發(fā)生變化。本文采用Solidworks軟件建立1：1實(shí)體啟閉機(jī)構(gòu)模型，該模型由連接桿AB、連桿臂BC、吊臂CD、吊臂DE、活塞連桿EF及液壓缸F，本模型以閘門翻轉(zhuǎn)中心A點(diǎn)為圓心建立坐標(biāo)系，建模的參數(shù)如圖2所示，四桿機(jī)構(gòu)的建模參數(shù)與六連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)相同，四桿機(jī)構(gòu)以吊臂DE為驅(qū)動件。將建好的模型以parasold（x_t）格式導(dǎo)入ADAMS中定義材料屬性，本模型的材料為Q620，施加約束和力，六連桿機(jī)構(gòu)中，連接桿AB與大地之間為翻轉(zhuǎn)副，連接桿AB和連桿臂BC之間為翻轉(zhuǎn)副，連桿臂BC和吊臂CD之間為翻轉(zhuǎn)副，吊臂CD和吊臂DE之間為固定副同時(shí)與大地之間為翻轉(zhuǎn)副，吊臂DE和活塞連桿EF之間為翻轉(zhuǎn)副，活塞連桿EF和液壓缸F之間為翻轉(zhuǎn)副，液壓缸F與大地之間為滑移副，液壓缸F為驅(qū)動件，驅(qū)動速度為0.0025m/s，同理，四連桿與六連桿約束一致，以吊臂DE為驅(qū)動件，驅(qū)動速度為0.04778d/s，重力加速度方向沿Y軸負(fù)方向，單位為MKS制。為了便于描述，定義四連桿機(jī)構(gòu)為方法1，六連桿機(jī)構(gòu)為方法2，分別如圖3和圖4所示。

3 結(jié)果分析

設(shè)置仿真時(shí)間為1800s，得到閘門在勻速驅(qū)動下的閉合仿真過程，仿真過程可分為三個(gè)階段，第一階段：起始階段，第二階段：運(yùn)行階段，第三階段：結(jié)束階段。由于閘門與約束joint1和連接桿AB（part2）同步運(yùn)動，在閉合角度相同的情況下，兩種方法下啟閉角度如圖5和圖6所示，翻轉(zhuǎn)式閘門質(zhì)心的角速度和角加速度如圖7和圖8所示，從圖7中可以看出，方法1仿真下閘門質(zhì)心的初始角速度為0.12d/s，閘門經(jīng)歷加速、減速、停止、加速的歷程，從圖8中可以看出，方法1仿真下閘門質(zhì)心的初始角速度為0.066 d/s，閘門經(jīng)歷加速、減速、加速、減速的歷程，在起始階段和運(yùn)行階段，方法2的沖擊和振動比較平緩，方法2的優(yōu)于方法1，但在結(jié)束階段，即接近閘門關(guān)閉工位時(shí)，方法1和方法2的閘門速度和角速度都會急劇變化，同樣會出現(xiàn)沖擊和振動顯著現(xiàn)象，但方法2的沖擊和振動程度高于方法1。

4 結(jié)論

大跨距閘門啟閉過程是人們所關(guān)心的熱點(diǎn)問題，運(yùn)用ADAMS軟件對大跨距翻轉(zhuǎn)式弧形閘門的仿真報(bào)道甚少。本文運(yùn)用ADAMS軟件對翻轉(zhuǎn)式弧形閘門閉合進(jìn)行仿真，直觀地觀察了翻轉(zhuǎn)式弧形閘門閉合的整個(gè)過程，同時(shí)對比分析了四連桿啟閉機(jī)構(gòu)和六連桿啟閉機(jī)構(gòu)兩種方法下閘門閉合過程中運(yùn)行特性，得到以下結(jié)論：

（1）其它參數(shù)相同的情況下，四連桿啟閉機(jī)構(gòu)在閘門運(yùn)行的起始階段沖擊和振動比較顯著。

（2）其它參數(shù)相同的情況下，六連桿啟閉機(jī)構(gòu)在閘門停止運(yùn)行前的結(jié)束階段的沖擊和振動比較顯著。

（3）合理的減小啟閉機(jī)構(gòu)在閘門運(yùn)行的起始階段和停止前的結(jié)束階段的驅(qū)動速度，減小對閘門的沖擊和振動。

（4）優(yōu)化啟閉機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)參數(shù)及合理的布局，減小對閘門的沖擊和振動。

本仿真有助于深入了大跨距翻轉(zhuǎn)式弧形閘門不同的啟閉機(jī)構(gòu)對閘門啟閉過程的影響，通過優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)及機(jī)構(gòu)布局，降低制造成本；有助于了解閘門沖擊和振動產(chǎn)生和存在的規(guī)律；有利于提高閘門質(zhì)量和使用性能，減少因沖擊和振動引起的破壞性事故；簡化啟閉機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)過程，為探索大跨距翻轉(zhuǎn)式弧形閘門啟閉過程提供了一種新方法。有必要進(jìn)行深入研究合理地選擇機(jī)構(gòu)參數(shù)、合理布局、驅(qū)動速度等[6-10]，本仿真還有待進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證。

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