新型液壓傳動自動控制節能水閘

摘 要：傳統的閘門需人工啟閉以控制水位，門側導軌易被泥沙淤堵，以致閘門難以正常啟閉，對下游的人身、財產安全構成了極大的潛在威脅。農村、山區有大量閘門設計在荒僻地帶，人工監管難度大、成本高，亟需一套無人看管完全自動化的水閘系統。本文通過液壓傳動提供能量，實現門葉啟閉，通過下游水位的變化所引起的液壓變化，控制壓力閥的開閉，從而實現自動控制水閘開度，汛期自動蓄水、枯水期自動泄水，使下游水位穩定在安全水位與需求水位之間。

關鍵詞：液壓傳動；自動控制；無人監管；節能

1 研究背景

傳統的水利閘門需要啟閉機控制閘門啟閉以調節水位，啟閉機功率大，以啟門力為400KN的QPQ啟閉機為例，其配套電機額定功率大約在11KW，水電站或水泵站閘門較多，啟閉機工作時間長，耗電量大，且普通閘門側導軌易被泥沙淤堵，以致閘門啟閉非常困難。大量閘門設計在荒僻地帶，其管理運行困難，以致于許多閘門剛剛建好就如同被廢棄一般，成為了河道中的擺設。2010年10月11日，?？趶娊涤暌l澇災，導致市區32條道路嚴重積水，澇災所造成的直接經濟損失過億。從表面上看，澇災是由強降雨引起，然而，究其根源，很大程度上正是由于雨水口和排污口等排水出口閘門被卡住，或是開啟不及時，引發了這樣一場嚴重的澇災。閘門啟閉的順利與及時，關系到小到幾塊農田，大到一座城市的安全，而現行的閘門設計，恰恰是水系統中最大的安全隱患。

2 液壓傳動閘門的設計

鑒于以上問題，作者設計了這種液壓傳動自動控制節能閘?？紤]到目前的平面閘門需要上提開閘，需要啟閉機提供很大的功率，要消耗較多的能量，并且時有開閉閘困難的問題，故決定通過液壓千斤頂原理提供動力，就地取水作為啟閉閘門的能源，通過對水量的調節來自動控制閘門的升降，無需能耗，不僅可以節約能源，為環境保護作出巨大的貢獻，而且從原理上可以解決閘門開閉困難的問題?？紤]到大多數水閘需要人工監管，成本高，為此通過液壓調控，實現了通過水位的變化，來自動控制水閘啟閉，使下游水位穩定在安全水位和需求水位之間。

水閘設計為兩部分：（1）液壓動力系統：利用液壓傳動，采用矩陣閥門組，利用水道中的水壓將水能轉換成機械能；（2）閘室系統：通過液壓傳動的能量，推動水閘基座起降，基座上設計有閘門支撐柱，由支撐住支撐閘門起降；水道中水流蘊含了巨大的能量，而液壓傳動所基于的最基本原理——帕斯卡原理，在平衡的系統中，比較小的活塞上面施加的壓力比較小而大的活塞上施加的壓力也比較大，這樣能夠保持液體的靜止。所以通過液體的傳遞，可以擴大水壓力。

液壓動力系統圖

2.1 構件組成。如上圖所示：1-低壓進水閥—臨界壓力值對應水位為下游需求水位，下游水位高于需求水位時關閉，低于需求水位時開啟；2-單向導流閥—只允許水由管A流向管B；3-高壓排水閥—臨界壓力值對應水位為下游安全水位，下游水位低于安全水位關閉，高于安全水位時開啟；4-閘門底座—控制上下游的水位差。管道A—進水管道，管道B —閘室底部管道，管道C—側向出水管道。虛線表示壓力閥與下游水位連通的水位傳感管道。

2.2 傳動桿介紹。傳動桿是與閘門底座左右兩端相連的桿，通過此桿件設計，在閘門需要打開時將門葉提起允許水流通過，當閘門需要關閉時拉動門葉自由落下。桿外設混凝土砌套筒，讓桿可以在其中自由升降并起到保護作用。作用：（1）當下游水位低于需求水位時，低壓進水閥1開啟，高壓排水閥關閉，水流由引水管道進入管道A，通過單向導流閥2流入管道B且不可回流，底座在水壓力作用下向上，閘門升起，下游水量得到補充；（2）當下游水位處于安全水位與需求水位之間時，低壓進水閥1關閉，高壓排水閥3關閉，管道A、B水內水量不變，閘門停止升起。（3）當下游水位高于安全水位時，低壓進水閥1關閉，高壓排水閥3開啟，在閘門門身和底座重力的作用下，管道B內水流向管道C，閘門底座向下，閘門下降擋水。

3 傳動部分受力分析

以寧夏興慶區某水電站的引水渠水閘為例，它的全年平均流速為3.0m/s，斷面面積約為20m2，斷面寬度5m，閘前水頭為4m，閘后需水水位為1m，安全水位2.5m。假如采用本系統，閘門下地基開挖2m，H=6m。

3.1 水流在1閘門底部處形成的水壓強為：p1=γw*H=9.8*6= 58.8kPa水流在水流在閘門底座處形成的水壓力為：Fmax=p1*s*b= 441kN，Fmin=γw（H-h）*s*b=368kN，其中，H為閘門底部距水面的高度，γw為水的容重，s為閘門底座厚度，b 為閘門底座沿河流斷面的寬度，h為閘門底座做大上升高度。

3.2 水閘自重G與閘門上升過程中的水流阻力F阻。G= V*ρ*g=（c*s+δ*ht）*b*ρ*g=334KN，F阻=μ*A*=16 KN，ρ為鋼材密度，μ為水流動力黏度（20度水溫時μ取值為1.002），A為水流與閘門接觸面積，為流速梯度。

綜上所述，Fmin>G+F阻，所以該方案具有可行性。

4 結語

我國水利發展已經進入“水聯網”時代，我國江河眾多，有幾十萬座水利工程，水閘分布更是星羅棋布，數目龐大。而目前的水閘系統，存在耗能過大、人工監管難度大、存在安全隱患。且目前采用的直降式水閘起降，浪費了水面上方大量空間，阻礙了水道通航。本閘門可以自動調控水閘開度，采用矩陣閥門組，實現可以通過水位變化來調節水閘開度，保障下游通流量恒定。在汛期，實現水閘關閉，蓄水；洪峰過后，開啟閥門，泄洪排水。通過調節，可以使下游水位穩定在安全水位和需求水位之間。無人工監管，本水閘無需外界供能，系統完全獨立，無需人工控制，節省大量成本，提高了安全系數。閘室穩定性好，液壓動力裝置設于河床底部，相當于進行了地基的樁基礎處理，起到了防滲帷幕的作用，有利于閘室的穩定。水閘運行能耗低，采用的液壓傳動裝置的動力來源于上游河道，無需配置卷揚機等啟閉設施，只需設置管控電路，節能環保。

參考文獻

[1] 劉細龍，陳福榮.閘門與啟閉設備[M].中國水利水電出版社，2003.

[2] 安徽省水利局勘測設計院.水工鋼閘門設計[M].水利電力出版社， 1983.

[3] 陳德亮，夏富洲.水工建筑物[M].中國水利水電出版社，2011.

作者簡介：高雷（1991.07- ），男，山東濰坊人，鄭州大學水利與環境學院，水利水電工程專業。

摘 要：傳統的閘門需人工啟閉以控制水位，門側導軌易被泥沙淤堵，以致閘門難以正常啟閉，對下游的人身、財產安全構成了極大的潛在威脅。農村、山區有大量閘門設計在荒僻地帶，人工監管難度大、成本高，亟需一套無人看管完全自動化的水閘系統。本文通過液壓傳動提供能量，實現門葉啟閉，通過下游水位的變化所引起的液壓變化，控制壓力閥的開閉，從而實現自動控制水閘開度，汛期自動蓄水、枯水期自動泄水，使下游水位穩定在安全水位與需求水位之間。

關鍵詞：液壓傳動；自動控制；無人監管；節能

1 研究背景

傳統的水利閘門需要啟閉機控制閘門啟閉以調節水位，啟閉機功率大，以啟門力為400KN的QPQ啟閉機為例，其配套電機額定功率大約在11KW，水電站或水泵站閘門較多，啟閉機工作時間長，耗電量大，且普通閘門側導軌易被泥沙淤堵，以致閘門啟閉非常困難。大量閘門設計在荒僻地帶，其管理運行困難，以致于許多閘門剛剛建好就如同被廢棄一般，成為了河道中的擺設。2010年10月11日，?？趶娊涤暌l澇災，導致市區32條道路嚴重積水，澇災所造成的直接經濟損失過億。從表面上看，澇災是由強降雨引起，然而，究其根源，很大程度上正是由于雨水口和排污口等排水出口閘門被卡住，或是開啟不及時，引發了這樣一場嚴重的澇災。閘門啟閉的順利與及時，關系到小到幾塊農田，大到一座城市的安全，而現行的閘門設計，恰恰是水系統中最大的安全隱患。

2 液壓傳動閘門的設計

鑒于以上問題，作者設計了這種液壓傳動自動控制節能閘?？紤]到目前的平面閘門需要上提開閘，需要啟閉機提供很大的功率，要消耗較多的能量，并且時有開閉閘困難的問題，故決定通過液壓千斤頂原理提供動力，就地取水作為啟閉閘門的能源，通過對水量的調節來自動控制閘門的升降，無需能耗，不僅可以節約能源，為環境保護作出巨大的貢獻，而且從原理上可以解決閘門開閉困難的問題?？紤]到大多數水閘需要人工監管，成本高，為此通過液壓調控，實現了通過水位的變化，來自動控制水閘啟閉，使下游水位穩定在安全水位和需求水位之間。

水閘設計為兩部分：（1）液壓動力系統：利用液壓傳動，采用矩陣閥門組，利用水道中的水壓將水能轉換成機械能；（2）閘室系統：通過液壓傳動的能量，推動水閘基座起降，基座上設計有閘門支撐柱，由支撐住支撐閘門起降；水道中水流蘊含了巨大的能量，而液壓傳動所基于的最基本原理——帕斯卡原理，在平衡的系統中，比較小的活塞上面施加的壓力比較小而大的活塞上施加的壓力也比較大，這樣能夠保持液體的靜止。所以通過液體的傳遞，可以擴大水壓力。

液壓動力系統圖

2.1 構件組成。如上圖所示：1-低壓進水閥—臨界壓力值對應水位為下游需求水位，下游水位高于需求水位時關閉，低于需求水位時開啟；2-單向導流閥—只允許水由管A流向管B；3-高壓排水閥—臨界壓力值對應水位為下游安全水位，下游水位低于安全水位關閉，高于安全水位時開啟；4-閘門底座—控制上下游的水位差。管道A—進水管道，管道B —閘室底部管道，管道C—側向出水管道。虛線表示壓力閥與下游水位連通的水位傳感管道。

2.2 傳動桿介紹。傳動桿是與閘門底座左右兩端相連的桿，通過此桿件設計，在閘門需要打開時將門葉提起允許水流通過，當閘門需要關閉時拉動門葉自由落下。桿外設混凝土砌套筒，讓桿可以在其中自由升降并起到保護作用。作用：（1）當下游水位低于需求水位時，低壓進水閥1開啟，高壓排水閥關閉，水流由引水管道進入管道A，通過單向導流閥2流入管道B且不可回流，底座在水壓力作用下向上，閘門升起，下游水量得到補充；（2）當下游水位處于安全水位與需求水位之間時，低壓進水閥1關閉，高壓排水閥3關閉，管道A、B水內水量不變，閘門停止升起。（3）當下游水位高于安全水位時，低壓進水閥1關閉，高壓排水閥3開啟，在閘門門身和底座重力的作用下，管道B內水流向管道C，閘門底座向下，閘門下降擋水。

3 傳動部分受力分析

以寧夏興慶區某水電站的引水渠水閘為例，它的全年平均流速為3.0m/s，斷面面積約為20m2，斷面寬度5m，閘前水頭為4m，閘后需水水位為1m，安全水位2.5m。假如采用本系統，閘門下地基開挖2m，H=6m。

3.1 水流在1閘門底部處形成的水壓強為：p1=γw*H=9.8*6= 58.8kPa水流在水流在閘門底座處形成的水壓力為：Fmax=p1*s*b= 441kN，Fmin=γw（H-h）*s*b=368kN，其中，H為閘門底部距水面的高度，γw為水的容重，s為閘門底座厚度，b 為閘門底座沿河流斷面的寬度，h為閘門底座做大上升高度。

3.2 水閘自重G與閘門上升過程中的水流阻力F阻。G= V*ρ*g=（c*s+δ*ht）*b*ρ*g=334KN，F阻=μ*A*=16 KN，ρ為鋼材密度，μ為水流動力黏度（20度水溫時μ取值為1.002），A為水流與閘門接觸面積，為流速梯度。

綜上所述，Fmin>G+F阻，所以該方案具有可行性。

4 結語

我國水利發展已經進入“水聯網”時代，我國江河眾多，有幾十萬座水利工程，水閘分布更是星羅棋布，數目龐大。而目前的水閘系統，存在耗能過大、人工監管難度大、存在安全隱患。且目前采用的直降式水閘起降，浪費了水面上方大量空間，阻礙了水道通航。本閘門可以自動調控水閘開度，采用矩陣閥門組，實現可以通過水位變化來調節水閘開度，保障下游通流量恒定。在汛期，實現水閘關閉，蓄水；洪峰過后，開啟閥門，泄洪排水。通過調節，可以使下游水位穩定在安全水位和需求水位之間。無人工監管，本水閘無需外界供能，系統完全獨立，無需人工控制，節省大量成本，提高了安全系數。閘室穩定性好，液壓動力裝置設于河床底部，相當于進行了地基的樁基礎處理，起到了防滲帷幕的作用，有利于閘室的穩定。水閘運行能耗低，采用的液壓傳動裝置的動力來源于上游河道，無需配置卷揚機等啟閉設施，只需設置管控電路，節能環保。

參考文獻

[1] 劉細龍，陳福榮.閘門與啟閉設備[M].中國水利水電出版社，2003.

[2] 安徽省水利局勘測設計院.水工鋼閘門設計[M].水利電力出版社， 1983.

[3] 陳德亮，夏富洲.水工建筑物[M].中國水利水電出版社，2011.

作者簡介：高雷（1991.07- ），男，山東濰坊人，鄭州大學水利與環境學院，水利水電工程專業。

摘 要：傳統的閘門需人工啟閉以控制水位，門側導軌易被泥沙淤堵，以致閘門難以正常啟閉，對下游的人身、財產安全構成了極大的潛在威脅。農村、山區有大量閘門設計在荒僻地帶，人工監管難度大、成本高，亟需一套無人看管完全自動化的水閘系統。本文通過液壓傳動提供能量，實現門葉啟閉，通過下游水位的變化所引起的液壓變化，控制壓力閥的開閉，從而實現自動控制水閘開度，汛期自動蓄水、枯水期自動泄水，使下游水位穩定在安全水位與需求水位之間。

關鍵詞：液壓傳動；自動控制；無人監管；節能

1 研究背景

傳統的水利閘門需要啟閉機控制閘門啟閉以調節水位，啟閉機功率大，以啟門力為400KN的QPQ啟閉機為例，其配套電機額定功率大約在11KW，水電站或水泵站閘門較多，啟閉機工作時間長，耗電量大，且普通閘門側導軌易被泥沙淤堵，以致閘門啟閉非常困難。大量閘門設計在荒僻地帶，其管理運行困難，以致于許多閘門剛剛建好就如同被廢棄一般，成為了河道中的擺設。2010年10月11日，?？趶娊涤暌l澇災，導致市區32條道路嚴重積水，澇災所造成的直接經濟損失過億。從表面上看，澇災是由強降雨引起，然而，究其根源，很大程度上正是由于雨水口和排污口等排水出口閘門被卡住，或是開啟不及時，引發了這樣一場嚴重的澇災。閘門啟閉的順利與及時，關系到小到幾塊農田，大到一座城市的安全，而現行的閘門設計，恰恰是水系統中最大的安全隱患。

2 液壓傳動閘門的設計

鑒于以上問題，作者設計了這種液壓傳動自動控制節能閘?？紤]到目前的平面閘門需要上提開閘，需要啟閉機提供很大的功率，要消耗較多的能量，并且時有開閉閘困難的問題，故決定通過液壓千斤頂原理提供動力，就地取水作為啟閉閘門的能源，通過對水量的調節來自動控制閘門的升降，無需能耗，不僅可以節約能源，為環境保護作出巨大的貢獻，而且從原理上可以解決閘門開閉困難的問題?？紤]到大多數水閘需要人工監管，成本高，為此通過液壓調控，實現了通過水位的變化，來自動控制水閘啟閉，使下游水位穩定在安全水位和需求水位之間。

水閘設計為兩部分：（1）液壓動力系統：利用液壓傳動，采用矩陣閥門組，利用水道中的水壓將水能轉換成機械能；（2）閘室系統：通過液壓傳動的能量，推動水閘基座起降，基座上設計有閘門支撐柱，由支撐住支撐閘門起降；水道中水流蘊含了巨大的能量，而液壓傳動所基于的最基本原理——帕斯卡原理，在平衡的系統中，比較小的活塞上面施加的壓力比較小而大的活塞上施加的壓力也比較大，這樣能夠保持液體的靜止。所以通過液體的傳遞，可以擴大水壓力。

液壓動力系統圖

2.1 構件組成。如上圖所示：1-低壓進水閥—臨界壓力值對應水位為下游需求水位，下游水位高于需求水位時關閉，低于需求水位時開啟；2-單向導流閥—只允許水由管A流向管B；3-高壓排水閥—臨界壓力值對應水位為下游安全水位，下游水位低于安全水位關閉，高于安全水位時開啟；4-閘門底座—控制上下游的水位差。管道A—進水管道，管道B —閘室底部管道，管道C—側向出水管道。虛線表示壓力閥與下游水位連通的水位傳感管道。

2.2 傳動桿介紹。傳動桿是與閘門底座左右兩端相連的桿，通過此桿件設計，在閘門需要打開時將門葉提起允許水流通過，當閘門需要關閉時拉動門葉自由落下。桿外設混凝土砌套筒，讓桿可以在其中自由升降并起到保護作用。作用：（1）當下游水位低于需求水位時，低壓進水閥1開啟，高壓排水閥關閉，水流由引水管道進入管道A，通過單向導流閥2流入管道B且不可回流，底座在水壓力作用下向上，閘門升起，下游水量得到補充；（2）當下游水位處于安全水位與需求水位之間時，低壓進水閥1關閉，高壓排水閥3關閉，管道A、B水內水量不變，閘門停止升起。（3）當下游水位高于安全水位時，低壓進水閥1關閉，高壓排水閥3開啟，在閘門門身和底座重力的作用下，管道B內水流向管道C，閘門底座向下，閘門下降擋水。

3 傳動部分受力分析

以寧夏興慶區某水電站的引水渠水閘為例，它的全年平均流速為3.0m/s，斷面面積約為20m2，斷面寬度5m，閘前水頭為4m，閘后需水水位為1m，安全水位2.5m。假如采用本系統，閘門下地基開挖2m，H=6m。

3.1 水流在1閘門底部處形成的水壓強為：p1=γw*H=9.8*6= 58.8kPa水流在水流在閘門底座處形成的水壓力為：Fmax=p1*s*b= 441kN，Fmin=γw（H-h）*s*b=368kN，其中，H為閘門底部距水面的高度，γw為水的容重，s為閘門底座厚度，b 為閘門底座沿河流斷面的寬度，h為閘門底座做大上升高度。

3.2 水閘自重G與閘門上升過程中的水流阻力F阻。G= V*ρ*g=（c*s+δ*ht）*b*ρ*g=334KN，F阻=μ*A*=16 KN，ρ為鋼材密度，μ為水流動力黏度（20度水溫時μ取值為1.002），A為水流與閘門接觸面積，為流速梯度。

綜上所述，Fmin>G+F阻，所以該方案具有可行性。

4 結語

我國水利發展已經進入“水聯網”時代，我國江河眾多，有幾十萬座水利工程，水閘分布更是星羅棋布，數目龐大。而目前的水閘系統，存在耗能過大、人工監管難度大、存在安全隱患。且目前采用的直降式水閘起降，浪費了水面上方大量空間，阻礙了水道通航。本閘門可以自動調控水閘開度，采用矩陣閥門組，實現可以通過水位變化來調節水閘開度，保障下游通流量恒定。在汛期，實現水閘關閉，蓄水；洪峰過后，開啟閥門，泄洪排水。通過調節，可以使下游水位穩定在安全水位和需求水位之間。無人工監管，本水閘無需外界供能，系統完全獨立，無需人工控制，節省大量成本，提高了安全系數。閘室穩定性好，液壓動力裝置設于河床底部，相當于進行了地基的樁基礎處理，起到了防滲帷幕的作用，有利于閘室的穩定。水閘運行能耗低，采用的液壓傳動裝置的動力來源于上游河道，無需配置卷揚機等啟閉設施，只需設置管控電路，節能環保。

參考文獻

[1] 劉細龍，陳福榮.閘門與啟閉設備[M].中國水利水電出版社，2003.

[2] 安徽省水利局勘測設計院.水工鋼閘門設計[M].水利電力出版社， 1983.

[3] 陳德亮，夏富洲.水工建筑物[M].中國水利水電出版社，2011.

作者簡介：高雷（1991.07- ），男，山東濰坊人，鄭州大學水利與環境學院，水利水電工程專業。