闸门结构设计论文

摘要：为设计美观实用的现地控制单元（LCU），方便操作维护且能适应现场的各种环境，介绍了闸门LCU结构的一些设计原则，结合了机柜的各个部分的结构原理及在工程实际中的经验，对结构设计中遇到的一些具体问题进行了详细介绍和分析，并提出了解决办法。LCU结构设计时需考虑安放位置、温度要求、湿度要求、美观要求、外部电源类型、信号数量、动力设备、通信设备等。下面是小编精心推荐的《闸门结构设计论文 (精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！

闸门结构设计论文 篇1：

干熄焦矩形焦罐大跨度底闸门结构设计

摘 要：本文针对干熄焦矩形焦罐大跨度底闸门进行了结构的设计，且利用Solidworks软件对其进行了力学分析，证实筋板设计及布置满足使用要求。

关键词：干熄焦，矩形焦罐，大跨度，结构设计，静力分析

0引言

因装焦量的要求，焦罐的尺寸及底闸门的跨度必须相对应，以满足用户现场的需要。本文针对某种干熄焦矩形焦罐大跨度底闸门(如图1)，该底闸门是由不锈钢板焊接而成，因其跨度较大，特对底闸门进行了结构的优化设计[1]。

1.结构设计

因底闸门跨度较大，需保证衬板的安装紧固(采用螺柱安裝)，由此在底闸门基本结构的基础上，将立板开孔，同时开孔处焊接小环板，以起到对立板的增强的作用，因上述小环板的存在，立板外侧的筋板需要改短，同时因跨度较大，筋板需布置合理，同时还应考虑重量问题，因此将立板间的筋板间断性改短，为确保设计的合理性及稳定性，特利用Solidworks软件对其进行了力学分析[2]。

2.静力分析

2.1几何模型建立

底闸门为整体对称结构，依据图纸建立了底闸门的1/2几何模型，采用Solidworks软件，未经任何简化而构建的，其几何模型如图1。底闸门内侧立板形状及筋板布置分别如图2及图3所示。

2.2有限元模型[3]

通过设置网格密度大小来进行网格划分，网格因子越大，花费时间越短，分析得到的结果偏差大，网格因子越小，花费时间越长，分析得到的结果越准确，但是对计算机硬件的要求较高。

底闸门为整体对称结构，为减少计算量，有限元分析时简化成1/2模型，并且底闸门的三个销轴中只有两端的起到支撑作用，在Solidworks中将其转化成有限元模型时只保留两端的销轴。利用软件的智能划分网格工具，将底闸门进行网格划分，网格划分后的有限元模型如图4所示。

2.3约束条件设定及变应力加载

根据现场实际使用情况，将底闸门本体与车架接触部分固定并且在两端销轴处添加铰链约束。

2.4静力分析结果

根据分析结果，可以看出，除局部应力超过70MPa外，其余绝大部分的应力值均在20MPa以下，不锈钢材质在300℃的条件下的许用应力为114MPa，根据分析，此底闸门的结构完全满足强度要求。并且底闸门的挠度最大为0.2mm，完全满足刚度要求[4]。

3.结论

根据底闸门的应力分析结果及位移变形结果，可以推断出此底闸门结构的设计满足强度及跨度要求，且此种结构满足了衬板的安装要求，也减少了大跨度底闸门的重量，便于筋板的焊接。据考查，现场使用情况良好。通过理论与实践均证明了此种底闸门结构的合理性及实用性，为以后大跨度底闸门的设计提供参考。

参考文献：

[1]徐颖，周华. 现代结构优化设计理论浅析[J].矿山机械. 2003(11).

[2]张鑫.优化设计在机械设计中的应用浅析[J].工业设计.2016(02)

作者：曹雨龙　蒋娟娟

闸门结构设计论文 篇2：

浅谈水利闸门现地控制单元LCU结构设计

摘要：为设计美观实用的现地控制单元(LCU)，方便操作维护且能适应现场的各种环境，介绍了闸门LCU结构的一些设计原则，结合了机柜的各个部分的结构原理及在工程实际中的经验，对结构设计中遇到的一些具体问题进行了详细介绍和分析，并提出了解决办法。LCU结构设计时需考虑安放位置、温度要求、湿度要求、美观要求、外部电源类型、信号数量、动力设备、通信设备等。按照文中的设计原则和盘面结构原理能设计出更加完美的LCU，为实现闸门自动控制带来更多便利。

关键词：闸门LCU;设计;机柜

1672-1683(2015)001-0255-03

The talk about the gate LCU design

ZHOU Wei，LIU Chi，LIU Fei

(Construction Administration Bureau of Middle Route Project in South-to-North Water Division，Beijing 100038，China)

Key words：Gate LCU;design;cabinet

現地控制单元(LCU)在水利工程中被广泛应用，它是闸门、泵站等水利机电设备实现自动控制的“大脑”，在水利管理单位的日常管理工作中起着举足轻重的作用，使闸门和泵站实现了“无人值班，少人值守”，LCU的设计也追求更加完美，不但要求实用及操作方便、适应现场恶劣的环境，而且要求美观大方。下面是对闸门现地控制单元结构的设计中遇到的问题做的一些讨论。

1系统概述

闸门现地控制单元(LCU)是闸门控制的核心单元，它控制的部分是闸门启闭机、闸门制动器、闸门锁定等，根据控制设备的不同，LCU内的设备也不同，所以在进行LCU结构设计时需考虑的的问题也不同。大体上分柜外因素、柜内因素，柜外因素包括安放位置(室内、室外、是否挂壁安装)、温度、湿度要求、美观要求等，柜内因素包括外部电源类型、信号数量、动力设备、通信设备等。

2设计的原则

(1)封面。封面注明××工程LCU结构委托书(V20)，括号中为版本号，便于版本控制，编号根据合同号和结构委托书编号而定，一般为J/合同号.J编号。

(2)图纸目录。便于查看结构委托书而编写的索引。

(3)机柜说明。

a.关于机柜侧门，对于单机柜的LCU，一般考虑侧门是因为现场检修及安装拆卸设备方便，对于双机柜的LCU，如果考虑到并排放置，应考虑是否侧门开孔，便于柜间走线方便，如果不是并排放置，一般是通过盘底及外部桥架或电缆沟走线。如果对防水要求比较高，那么考虑侧门封闭。

b.关于机柜前门，TG型机柜因为门框架结构与NF型机柜不同，所以不能也没必要安装限位装置，对于开门方向要考虑现场要求，一般是向左开，但是个别因为现场需要设计为向右开。前门均应带把手，能锁死，另外一些也根据需要配专用锁。对于前门不是玻璃门的要考虑门上安装的设备的位置美观合理，双开门(前门为玻璃门，内门为旋转铁门，开启角不小于90，门板为旋转框架，标准面板安装)的加工相对比较复杂，一定要考虑到内门锁及内门上安装的设备不要影响到玻璃门的关闭。

c.关于机柜后门，标准柜的一般设计为双开门，为了使空气形成对流门下方开进气隔栅。对于屏后装安装衬板的，为了拆卸设备方便，尽量保留双开门， 如果机柜摆放位置紧靠墙壁，那么保留双开门已经没有必要，考虑后门封闭。

d.关于U型端子导轨，最长可以安装长度为2 000 mm，但是有效使用长度为1 800 mm，工厂一般配置为1 800 mm，对于端子比较多的机柜，最多考虑为1 950 mm长，一般不建议超过1 800 mm，因为太靠下的端子会对接线及检修不便。这种情况可以通过增加横端子导轨来解决。

e.关于走线槽板，竖走线槽为容量比较大的5055(内部/外部走线槽)，横走线槽为容量比较小的5035(内部走线槽)，5035的宽度大约为1U，这样不但容量合理，而且布局美观，对于外部配线量比较少的，可以考虑取消外部走线槽。对于外部配线量比较多的，外侧用户走线槽使用5080，如果有横端子导轨的要增加相应的横端子条。

f.关于机柜型号，分为标准柜和非标柜，标准柜使用比较多的有TG6型和NF型(注明防护等级，通常为1)，TG型机柜一般柜顶开散热孔、装金属网、挡灰板，机柜顶部安装吊环，TG型机柜防护等级比较低，抵抗恶劣环境的能力比较差。NF型机柜为了提高防护等级，柜顶(封闭)不开散热孔、装金属网、挡灰板，但是这样的设计会影响散热问题，必要时应附加散热装置。对于有的非标柜，要考虑前门适当加固。尺寸较小的机柜，如挂壁安装的非标柜，可以取消内立柱及顶部吊环，但是需要安装定位孔。通常标准机柜的左右内立柱的距离为19英寸(482.5 mm)，前后内立柱的距离为260 mm，对于安装14槽位PLC槽架的机柜特殊点为：前内立柱拉至两侧，后内立柱在正常位置。对于安装尺寸比较大的UPS，可以考虑前内立柱和后内立柱都拉至两侧。

g.关于机柜尺寸，标准柜为2 260 mm×800 mm×600 mm，非标柜根据业主要求和设计联络会纪要而定，运输尺寸为2 280 mm×880 mm×680(一般可不写)。

h.关于机柜颜色，一般在第一次设计联络会上确定，要注明颜色标识代号，有中文名称也要标注上，如果不需要颜色太亮，注明橘纹处理比较好，橘纹处理后顏色看上去比较舒服，如果不注明就会加工成亚光。

i.关于铭牌，如果使用的是国产的PLC，铭牌：SJ-600 微机监控装置;若使用的是进口的PLC，铭牌：SJ-500 微机监控装置。

j.关于门楣印字，如果是单柜LCU，只需注明××LCU控制柜;如果是两个或两个以上的LCU，则需注明××LCU A×柜，对于特殊用途的LCU，门楣印字也要根据情况而定。

k.关于其它，其它中一般注明机柜的照明灯、门控开关、背板安装的设备的安装方式、盘底进线孔、安装定位孔、可拆卸底板、是否挂箱、需不需要加底盘，对于挂箱，一般盘底开进线孔，开孔直径100 mm，并在示意图中示意壁挂用耳朵，对于户外放置的机柜，需在柜顶加防雨檐，防护等级也比较高，柜顶及后门封闭或加密封条。

l.对于网络柜、计算机柜、配电柜、电池柜、电度表屏等类型的机柜，电度表屏一般使用标准TG6机柜，门楣印字为：××电度表屏。其它四种如果没有特殊要求可以使用标准TG6机柜，尺寸根据实际而定，但是在设计时可以后门冲孔，增强机柜的通风散热性能。也可以使用标准的计算机柜或网络柜，比如YF-EH6842600(怡富机柜，尺寸为：2000×600×800)，另外根据使用不同，铭牌分别为：SJ-03 计算机监控系统网络柜、SJ-03 计算机监控系统计算机柜、SJ-02计算机监控系统配电柜、计算机(UPS)电池柜。对于配电柜也可以选择标准的A、B、R型配电柜，A、R型号为TG4，B型号为TG6，A为双UPS各自独立输出，B为并联型UPS输出，R为主备冗余型UPS输出，其中每种里面又根据高度分为1型(高度为1800 mm)和2型(高度为2260 mm)。

3盘面布置中应考虑的问题

(1)首先盘面的布置讲究合理美观，尤其是按钮、把手和指示灯。

另外一些体积比较大的设备也要考虑充分的安装空间，比如一般自上而下依次排布断路器、CT、接触器、软启动器、旁路接触器、热继电器，大电流端子等。

因为外部传感器一般输入模拟量信号给PLC的AI模件，所以给外部传感器供电的电源端子应与AI模件装配在同一个机柜内。

(2)调试按钮、电源按钮或翘板开关的位置应布置在2-4U的位置，这样操作人员正好伸手可以操作，104英寸触摸屏占用6至7个U的高度，57英寸占用5至6个U的高度，触摸屏面板的下沿在20U的位置，目的是方便操作，具体布局见图1。

(3)布置图上要注明各种设备的符号，下面简单列举如下：

图1标准机架设备摆放

指示灯HL、蜂鸣器FM、自锁按钮SBH、电源按钮SB或翘板开关SW。

(4)对于高度比较大的PLC，比如MB80、Quantum，安装在5-13U的位置，占用8个U的高度，对于高度一般的PLC，比如MB60、MB40、Premium、m340系列，安装在5U开始的位置，占用6至7个U的高度，对于高度比较小的PLC，比如GE90、GE VersaMax、Siemens 300系列，安装在5-10U的位置，占用5个U的高度，对于高度更小的PLC，比如MB 20、Siemens 200系列，安装在5-8U的位置，占用3个U的高度。

(5)现地控制面板在触摸屏的下方，一般一行占用3U的高度，两行占用5U的高度，上面布置按钮PB、把手SW等。

(6)开出继电器插箱占用3U的高度，对于OMRON MK3PD-5-I/24VDC等尺寸大的继电器则单行排列占用2U的高度。

(7)在现地面板与开出继电器插箱之间可以布置开度仪、水位计等其它显示仪表，对于一些像SZ-2U、SJ30等机架式安装的设备，在画背视图时要画上走线槽。

(8)对于安装的14槽位或更多槽位的PLC的机柜，面板的宽度大于标准的宽度，在盘面布置图中也要适当表示出来。

(9)柜背视图中左侧端子导轨靠上布置温湿度控制器、直流避雷器、交流避雷器、交流空气开关、支流空气开关等。对于有端配板的PLC，要画出端配板的安装位置(考虑端配板是左侧还是右侧)。

(10)机柜的电源设备(908D板、隔离变、开关电源等)一般布置于背面上部，避免距离地面太近而受潮。背面布置设备时要考虑设备走线，适当增加走线槽。背面布置的设备还要考虑到触摸屏编程电缆使用方便及不防碍把手、按钮等设备的检修。

(11)光纤保护盒、光纤收发器、交换机、5 V开关电源等安装背面靠下的位置，主要是考虑到光纤尾线熔接方便和设备供电的需求，光纤收发器需横着安装，避免灰尘落入光口及尾纤插接方便。

(12)在盘面布置图中最好在侧视图画出走线槽的位置，另外需画出面板印字说明及标签框。

(13)对于特殊的设备要注明开孔尺寸及加标签框。

4结语

一个美观实用的LCU摆放在面前给人的感觉也是不同的，另外它还减小了维护难度和减轻了运行人员的劳动量，同时也为提高自己产品的知名度和拓宽LCU市场起到了促进作用。

参考文献：

[1]冯启文，徐洁.水电厂计算机监控LCU结构模式的探讨[J].水电自动化与大坝监测，2007，31(5).

[2]孔德宁，李镇江，赵英宏.龙滩水电站LCU设计原则及主要保护逻辑的实现[J].水电自动化与大坝监测，2009，33(1).

[3]张百敏，宋智，倪健.岗南水库闸门计算机监控系统的应用[J].水电自动化与大坝监测，2010，34(4).

[4]王瑞雪，断路器的电气控制回路原理及工程问题研究，热电技术[J].2007(2).

[5]张远明，章路.托海水电厂中孔泄洪闸门自动控制装置的研制[J].新疆电力，2003(2).

作者：周围 刘驰 柳斐

闸门结构设计论文 篇3：

带舌瓣的弧形组合闸门在隆潘卡尔水电站的设计及应用

摘 要：表孔溢洪道上设置带舌瓣门的弧形组合闸门是电站排漂、流量控制有效途径。本文重点介绍了带舌瓣门的弧形组合闸门及启闭机的布置、结构特点和主要参数，并从安装、运行、检修的角度出发，优化设计支铰及埋件、开度指示仪、液压启闭机管路布置等，并成功应用于喀麦隆隆潘卡尔水电站。

关键词：带舌瓣的弧形组合闸门;隆潘卡尔水电站;结构设计;排漂

Design and Application of Compound Radial Flap Gate in

Lom Pangar Hydropower Station

XIE Tengfei YAO Lei YAO Hongchao DING Zhengzhong

1 工程概況

隆潘卡尔水电站位于喀麦隆东部省洛姆河与隆潘卡尔河交汇处下游4km，电站装机规模4×7.5MW，水库库容60亿m3，是该流域梯级开发首级电站。该工程能提高萨纳加河在低水位时的径流调节能力，并能提高下游未来水电站的装机容量[1]。大坝溢洪道共3孔，设置3扇弧形工作闸门，孔口尺寸为13.0m×10.5m(宽度×高度，以下同)，泄洪能力为2 400m3/s。左侧2扇弧形闸门上各设置了一个舌瓣闸门，其作用是对大坝的水位进行调整，同时能在有限泄量的情况下排泄表面污物。

在常规电站中，除在拦污栅前人工或机械清污外，还可通过开启溢洪道工作闸门排污，这样下泄水量较大，发电量损失也较大。溢洪道工作闸门不能做到随时开启，且局部开启时，较大漂浮物对闸门的撞击也会导致闸门损坏[2]。在弧形闸门上设置舌瓣闸门，既能保证泄洪时开启弧形闸门水库的下泄流量，又能减少开启弧形闸门的泄水量，增加了发电效益。该型式闸门在国内工程尚不多见[3，4]。本文主要介绍带舌瓣的弧形组合闸门在喀麦隆隆潘卡尔水电站的设计及应用。

2 闸门、启闭机布置及主要参数

隆潘卡尔水电站溢洪道工作闸门(带舌瓣)的总体布置见图1。

工作闸门为带舌瓣的斜支臂弧形组合闸门，孔口尺寸为13m×10.5m，弧面半径13m，底坎高程664.0m，支铰高程669.5m，支铰间距11.8m。弧形闸门主材为Q345C，上部有矩形开口，开口设置舌瓣闸门。采用液压启闭机操作，启闭容量为2×1 250kN，行程5m。

舌瓣闸门为液压下翻板闸门，挡水面为弧形，弧面半径12.2m，孔口宽度8m，闸门高度4.26m，设计水头3.42m，通过底部的支铰轴与弧形闸门铰接。采用液压启闭机操作，启闭容量为2×750kN，行程2.3m。舌瓣门液压启闭机一端铰接于舌瓣闸门背面，另一端铰接于弧形闸门上主梁上。

3 结构设计

3.1 弧形闸门

①带舌瓣闸门的斜支臂弧形闸门，主横梁采用2根实腹式焊接结构梁。除了计算面板、次梁、边梁传递的力外，还需考虑舌瓣闸门支铰及其启闭机的作用。

②弧形闸门面板上部对中位置留有8m×4.26m的孔口，用以安装舌瓣闸门。垂直次梁和主梁以上的水平次梁均在此断开，闸门的边梁和侧挡墙共同承担面板的水压力。

③侧挡墙提供了舌瓣闸门的止水面，承担侧向水压力及舌瓣闸门的封水压力。其面板材料为12Cr18Ni9。面板背面为“井”字型梁系，梁系一端固结于弧形闸门上部的面板，另外一端通过支承梁搭接在弧形闸门的支臂上，侧挡墙梁系的每一根主梁可视为简支梁计算其强度和刚度。弧门支臂双向偏心受压，侧挡墙背后支承梁平面内的弯矩对上支臂产生不利的影响。

④考虑到运输尺寸的限制，将弧形闸门的门叶分5节(7部分)，最大单元尺寸为1.5m×3.5m×12.91m。本闸门由国内制作，经过公路、铁路、船舶运至现场拼接安装组焊，节与节之间采用销钉定位、螺栓连接后焊接，弧形闸门和舌瓣闸门的位置关系如图2所示。

3.2 舌瓣闸门

①舌瓣闸门为液压下翻板闸门。正常蓄水位672.36m时单孔泄量Q≥40m3/s，Q的计算公式如式(1)所示：

[Q=m0B2gH3/2] (1)

其中，B为舌瓣闸门的宽度，取8m;H为水头，取mo=0.4。将这些数据带入式(1)可得，Q=40.5m3/s，满足要求。挡水面板设为弧形，弧面半径12.2m，与弧形闸门面板同心。面板背后设置3根主横梁;舌瓣门支铰及液压启闭机支承安装在主纵梁上，主纵梁布置在弧形闸门主横梁的腹板上(纵梁的对应位置)，支承间距4.3m。闸门主材Q345C，支铰轴材料40Cr，轴套采用高承载、低摩阻的自润滑材料。

②由于舌瓣闸门液压启闭机存在内泄，舌瓣闸门长期关闭需要机械锁定。舌瓣闸门锁定机构设置于弧形闸门的侧挡墙上，如图3所示：舌瓣闸门关闭就位后，锁定油缸推动锁定轴伸出，阻挡舌瓣闸门的运动。锁定油缸推力100kN，行程100mm。锁定轴直径160mm，锁定轴与侧挡墙之间设自润滑轴套。

4 闸门支铰及其埋件

弧门支铰采用自润滑关节轴承，能承受径向及轴向荷载，并可适应门体的变形。弧门支铰重达7t，且安装精度要求较高，给弧门支铰安装造成了一定的困难。为方便施工安装，并保证安装精度，增设定位座板(如图4所示)，可在X、Y方向沿一期埋件表面调整位置后焊接。定位座板为钢板焊接结构，其下部设有挡块，并预留螺栓孔，重量较小(687kg)，方便精确定位。弧形闸门支铰Z向及倾斜角度可通过连接螺栓调整。

5 开度指示仪

弧形闸门开度可在控制柜显示器上读出，通过液压启闭机上的行程传感器输入电路、电平转换、译码后送到LED显示出实际开度值[5]。但实际上，由于传感器、电路传输或者断电等原因，都有可能导致闸门开度显示异常。应咨询工程师的要求，溢洪道工作闸门各设置了一套闸门开度指示装置。该装置主要由固定在侧壁上的刻度尺及安装在门体上的指针组成，通过一定的数学关系转换为闸门开度，可在岸边及控制室直观地读出闸门开度，准确可靠。

6 液压启闭机

6.1 主要参数

弧形闸门及舌瓣闸门均采用液压启闭机启闭，其主要参数如表1所示。

6.2 管路布置

合理的液压管路布置能夠减少系统压力损失，方便施工及后期检修维护。一般溢洪道工作闸门单只油缸仅需要3根油管，而带舌瓣的弧形组合闸门液压设备包括工作闸门液压启闭机、舌瓣门液压启闭机和舌瓣门锁定油缸，共用一套液压泵站，单侧油管多达8根。因此，简明、高效、合理地布置液压油管显得尤为重要。油管的布置主要遵循以下原则：①坝面部分布置于管道及油管沟中;②除活动部位采用高压软管连接外，其余均使用无缝钢管;③管路平行布置，少交叉;④钢管采用管夹固定，多层布置;⑤合理设置管接头，控制单根钢管长度;⑥对于集中控制的油缸(舌瓣门液压启闭机、锁定油缸)，尽量使左右缸油管长度相等[6]。

7 结语

带舌瓣的弧形组合闸门应用于表孔溢洪道，既满足了排漂要求，又可兼作水库水位微调之用，最大限度地节约了水资源。同时，又是结构最为复杂的门型之一，在设计过程中克服资料不足的困难，对弧形闸门、舌瓣闸门及其液压启闭机进行总体布置及结构设计。

该闸门安装过程顺利，自2016年9月投入运营以来，运行效果良好，达到了理想的排漂效果。

参考文献：

[1]宋继源，朱慧芳.喀麦隆龙潘卡尔水电站工程一期施工导流设计[J].云南水力发电，2014(1)：83-85.

[2]阙剑生.水电站排漂问题探讨[J].浙江水利科技，2002(2)：11-14.

[3]刘红宇，吕传亮.舌瓣门在大顶子山航电枢纽中的应用与设计[J].科学技术创新，2012(29)：294-295.

[4]沈得胜.昭平水电站弧形闸门及舌瓣闸门[J].广西水利水电，1999(增刊)：38-39.

[5]中华人民共和国水利部.水利水电工程钢闸门设计规范：SL 74—2013[S].北京：中国水利水电出版社，2013.

[6]张竞超.水力学[M].郑州：黄河水利出版社，2005.

作者：谢腾飞 姚雷 姚宏超 丁正忠