一种计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置和方法

摘要

一种计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置和方法，是为测试支撑材料和水封材料的摩擦特性提供一种试验装置和方法，并提供一种基于此设备获得的摩擦特性计算闸门启闭力的方法，其特征在于，包括：本装置包括：支撑部分、平动部分、垂直加压部分、加水试验组件、拉力测量部分和其他组件；支撑部分为基础，支撑其他各部分以及试件；平动部分安装在支撑部分上，拉动试件在水平方向滑动；垂直加压部分安装在平动部分上给试件加压，加水试验组件安装在支撑部分上为试件加水，拉力测量部分安装在支撑部分上，测量水平拉力。属于水利工程模型试验领域。本发明利用试验方法给出了比较接近真实情况的闸门支撑摩擦特性测试和计算方法；通过本试验方法给出的闸门支撑摩擦特性及其启闭力计算值给出了启闭机最小安全容量，节省了投资。

说明书

技术领域

本发明涉及一种计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置和方法，尤其是一种同时模拟水利工程闸门滑块、滚轮、链轮、水封等各部分摩擦的试验方法，属于水利工程试验领域。

背景技术

水利工程闸门的支撑和止水新材料不断涌现，其摩擦特性各有不同。材料的摩擦特性对闸门启闭力的精确计算产生很大影响。在现有技术中，测量摩擦系数的方法就是常规的正压力与拉力的比值。但是水利工程的闸门一般在高压、高湿的环境中长期使用，而且支撑和水封材料断面形状不规则，使用常规手段测得的材料摩擦系数不能真实反映在高压、高湿、复杂接触面条件下的实际摩擦特性。有些复杂高分子材料，在超过一定压力下甚至会进入压力非线性区。在闸门设计过程中，启闭机容量的计算主要参考闸门支撑材料和水封材料的摩擦特性，因此若闸门支撑摩擦特性不能准确获取，在闸门启闭力计算中将缺少关键数据，无法完成启闭机的选型；或者由于摩擦特性测量不准确，启闭机选择不当引发工程事故和经济损失。

发明内容

本发明一种计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置和方法正是为测试支撑材料和水封材料的摩擦特性提供一种试验装置和方法，并提供一种基于此设备获得的摩擦特性计算闸门启闭力的方法。

具体而言本装置包括：支撑部分、平动部分、垂直加压部分、加水试验组件、拉力测量部分和其他组件；支撑部分为基础，支撑其他各部分以及试件；平动部分安装在支撑部分上，拉动试件在水平方向滑动；垂直加压部分安装在平动部分上给试件加压，加水试验组件安装在支撑部分上为试件加水，拉力测量部分安装在支撑部分上，测量水平拉力；

所述的支撑部分包括：

支架，边撑，撑杆(边)，撑杆(中)，内撑，导杆，上梁，底梁，试件台垫，托架，电机安装板；

所述的平动部分包括：

行程开关座，绳轮架(左下)，绳轮架(左上)，绳轮，钢丝绳，钢丝绳夹(8mm)，钢丝绳夹(6mm)，夹头座，齿条支撑，齿条，绳轮架垫，绳轮架(左)，平动齿轮，平动电机变速器，齿条座；

所述的垂直加压部分包括：

横担，升降齿轮，电机齿轮，下左旋螺杆，上右旋螺杆，重力钢，升降电机，试件台，升降块，压杆，极限开关座(下)，极限开关座(上)；

所述的加水试验组件包括：

放水阀，积水盘；

所述拉力测量部分包括：

拉头，拉力传感器，连接器，试件；

所述的其他组件包括：

后右挡板，左后挡板，控制盒，前右挡板升降板垫，前左挡板，罩壳，o型密封圈(A012)，o型密封圈(A016)。

在水平台面上固定闸门选用的支撑材料试验段，用重力梁模拟门槽滑轨，并在重力梁上方设置精确加压装置，模拟该支撑段在闸门运行情况下所承受的实际压强，(M1)计算支撑段在闸门运行时摩擦特性，再(M2)模拟闸门启动运行速度及方式，获得在全模拟方式下的摩擦系数。

所述的(M1)计算支撑段在闸门运行时摩擦特性是指：

(1)对于日常使用闸门：首先对支撑材料试验段进行疲劳试验：在设计工况压强下，进行有水状态疲劳摩擦，摩擦1000次；其次测量支撑材料试验段摩擦特性：设置支撑材料试验段为运行工况实际压强；所述的实际压强是指校核工况时闸门水封处的总水头压强；在所述压强下，执行摩擦特性试验30次，记录拉力过程线，取30次过程线中最大值作为计算支撑段在闸门运行时摩擦特性的拉力值f；发明人经多次试验后发现，此方法所获得的拉力值f大于并最为接近日常用闸门的拉力值；

(2)对于事故启用门：首先对支撑材料试验段进行连续加压试验：在校核工况压力下，进行有水状态加压，连续加压时间为15天；其次是测量支撑材料试验段摩擦特性：设置支撑材料试验段为校核工况实际压强，执行摩擦特性试验30次，记录拉力过程线，取30次过程线中最大值作为计算支撑段在闸门运行时摩擦特性的拉力值f；发明人经多次试验后发现，此方法所获得的拉力值f大于并最为接近事故启用门的拉力值；

所述的(M2)模拟闸门启动运行速度及方式，获得在全模拟方式下的摩擦系数是指：

对于闸门而言，不同的启闭机容量，闸门被提开的过程是不同的，因此本发明中采用反馈分析方法设置支撑材料试验段运行方式，具体而言包括：

a、初步设定启闭机容量，计算方法为：

理论启闭力＝f+G+净动水作用力；利用理论启闭力选取启闭机容量，根据启闭机容量获得选用启闭机的启闭力F₁；

上述的f为(M1)中获得的拉力值，G是闸门重力，净动水作用力通过模型试验测得；

由于试验过程中没有闸门参与，也没有净动水作用力参与，因此试验装置的拉力值为：

f₁＝选用启闭机的启闭力F₁-G-净动水作用力；

b、设定试验装置拉力值为f₁，对于日常使用闸门按照(1)步骤进行测试，对于事故启用门按照(2)步骤进行测试，记录拉力过程线；

c、在所记录的拉力过程线上选择最大拉力作为试验装置拉力值f₁重复步骤b；

d、当两次记录的拉力过程线最大拉力值差小于3％时，结束试验，取最后两次测得的拉力过程线中最大值作为摩擦力f_end；

e、利用公式μ＝f_end/N计算摩擦系数；

f、启闭机容量＝f_end+G+净动水作用力。

本发明有如下有益效果：

(1)本发明利用试验方法给出了比较接近真实情况的闸门支撑摩擦特性测试和计算方法；

(2)通过本试验方法给出的闸门支撑摩擦特性及其启闭力计算值给出了启闭机最小安全容量，节省了投资。

附图说明

图1计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置无盖正视图；

图2计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置无盖后视图；

图3计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置无盖俯视图；

图4计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置无盖侧视图；

图5计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置加盖另一方向侧视图；

图6计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置加盖后正视图；

图7计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置I位置放大图；

图8计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置上后左视角立体图；

图9计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置上前右视角立体图；

图10计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置下前左视角立体图；

图11计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置下后左视角立体图。

图12计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置加罩壳上后左视角立体图。

1支架，2后右挡板，3边撑，4撑杆(边)，5导杆，6升降齿轮，7撑杆(中)，8极限开关座(下)，9下左旋螺杆，10横担，11内撑，12行程开关座，13放水阀，14左后挡板，15积水盘，16绳轮架(左下)，17绳轮架(左上)，18绳轮，19钢丝绳，20钢丝绳夹(8mm)，21钢丝绳夹(6mm)，22夹头座， 23齿条支撑，24齿条，25上右旋螺杆，26上梁，27绳轮架(左)，28底梁，29重力钢，30控制盒，31电机齿轮，32升降电机，33平动齿轮，34平动电机变速器，35拉头，36拉力传感器，37连接器，38o型密封圈(A012)，39前右挡板升降板垫，40试件台垫，41o型密封圈(A016)，43试件，44齿条座，45极限开关座(上)，46试件台，47前左挡板，48绳轮架垫，49托架，50压杆，51电机安装板，52升降块，53罩壳，54重力梁。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明一种计算闸门启闭力的闸门支撑摩擦特性试验装置和方法正是为测试支撑材料和水封材料的摩擦特性提供一种试验装置和方法，并提供一种基于此设备获得的摩擦特性计算闸门启闭力的方法。

具体而言本装置包括：支撑部分、平动部分、垂直加压部分、加水试验组件、拉力测量部分和其他组件；支撑部分为基础，支撑其他各部分以及试件；平动部分安装在支撑部分上，拉动试件在水平方向滑动；垂直加压部分安装在平动部分上给试件加压，加水试验组件安装在支撑部分上为试件加水，拉力测量部分安装在支撑部分上，测量水平拉力；

所述的支撑部分包括：

支架1，边撑3，撑杆(边)4，撑杆(中)7，内撑11，导杆5，上梁26，底梁28，试件台垫40，托架49，电机安装板51；

所述的平动部分包括：

行程开关座12，绳轮架(左下)16，绳轮架(左上)17，绳轮18，钢丝绳19，钢丝绳夹(8mm)20，钢丝绳夹(6mm)21，夹头座22，齿条支撑23，齿条24，绳轮架垫48，绳轮架(左)27，平动齿轮33，平动电机变速器34，齿条座44；

所述的垂直加压部分包括：

横担10，升降齿轮6，电机齿轮31，下左旋螺杆9，上右旋螺杆25，重力钢29，升降电机32，试件台46，升降块52，压杆50，极限开关座(下)8，极限开关座(上)45；

所述的加水试验组件包括：

放水阀13，积水盘15；

所述拉力测量部分包括：

拉头35，拉力传感器36，连接器37，试件43；

所述的其他组件包括：

后右挡板2，左后挡板14，控制盒30，前右挡板升降板垫39，前左挡板47，罩壳53，o型密封圈(A012)38，o型密封圈(A016)41。

将闸门选用的支撑材料试验段作为试件43放置在试件台46上，用重力梁54模拟门槽滑轨，并在重力梁54上方设置精确加压装置，模拟该支撑材料试验段在闸门运行情况下所承受的实际压强，(M1)测试并计算支撑材料试验段在闸门运行时摩擦特性，(M2)模拟闸门启动运行速度及方式，获得在全模拟方式下的摩擦系数。

所述的(M1)测试并计算支撑材料试验段在闸门运行时摩擦特性是指：

(1)对于日常使用闸门：首先对支撑材料试验段(支撑段)进行疲劳试验：在设计工况压强下1.78MPa，进行有水状态疲劳摩擦，摩擦1000次；其次测量支撑材料试验段摩擦特性：设置支撑材料试验段为运行工况实际压强1.78MPa；所述的实际压强是指设计工况时闸门水封处的总水头压强；在所述压强下，执行摩擦特性试验30次，记录拉力过程线，取30次过程线中最大值作为计算支撑段在闸门运行时摩擦特性的拉力值f_日常＝203kN；计算整个闸门的摩擦力为：F_t日常＝20f_日常＝4060kN，实测原型闸门的摩擦力为：F_p日常＝3798kN；发明人经多次试验后发现，此方法所获得的拉力值F_t日常大于并最为接近日常用闸门的拉力值；

(2)对于事故启用门：首先对支撑材料试验段进行连续加压试验：在校核工况压强下1.95MPa，进行有水状态加压，连续加压时间为15天；其次是测量支撑材料试验段摩擦特性：设置支撑材料试验段为校核工况实际压强1.95MPa，执行摩擦特性试验30次，记录拉力过程线，取30次过程线中最大值作为计算支撑段在闸门运行时摩擦特性的拉力值f_事故＝227kN；计算整个闸门的摩擦力为：F_t事故＝20f＝4540kN，实测原型闸门的摩擦力为：F_p事故＝4250kN；发明人经多次试验后发现，此方法所获得的拉力值F_t事故大于并最为接近事故启用门的拉力值；

所述的(M2)模拟闸门启动运行速度及方式，获得在全模拟方式下的摩擦系数是指：

对于闸门而言，不同的启闭机容量，闸门被提开的过程是不同的，因此本发明中采用反馈分析方法设置支撑材料试验段运行方式，具体而言包括：

a、初步设定启闭机容量，计算方法为：

理论启闭力F＝f+G+净动水作用力；利用理论启闭力选取启闭机容量，根据启闭机容量获得选用启闭机的启闭力F₁；

对于日常使用闸门上述的f为(M1)中获得的拉力值4060kN，G是闸门重力1200kN，净动水作用力11153kN通过模型试验测得；理论启闭力＝4060+1200+11153＝16413kN；选用的启闭机的启闭力F₁＝18000kN；

由于试验过程中没有闸门参与，也没有净动水作用力参与，因此试验装置的拉力值为：

f₁＝选用启闭机的启闭力F₁-G-净动水作用力；f₁＝18000-1200-11153＝5647kN；

对于事故启用闸门上述的f为(M2)中获得的拉力值4250kN，G是闸门重力980kN，净动水作用力10167kN通过模型试验测得；理论启闭力＝4250+980+10167＝15397kN；选用的启闭机的启闭力F₁＝16000kN；

由于试验过程中没有闸门参与，也没有净动水作用力参与，因此试验装置的拉力值为：

f₁＝选用启闭机的启闭力F₁-G-净动水作用力；f₁＝16000-980-10167＝4853kN

b、对于日常使用闸门，设定试验装置拉力值为f₁＝5647kN，按照(1)步骤进行测试，对于事故启用门，设定试验装置拉力值为f₁＝4853kN按照(2)步骤进行测试，记录拉力过程线；

c、在所记录的拉力过程线上选择最大拉力作为试验装置拉力值f₁重复步骤b，

对于日常使用闸门f₁＝5742kN，对于事故启用门f₁＝4894kN；

d、当两次记录的拉力过程线最大拉力值差小于3％时，结束试验，取最后两次测得的拉力过程线中最大值作为摩擦力f_end；

对于日常使用闸门(5742-5647)/5647＝1.7％<3％，所以f_end＝5742kN；对于事故启用门(4894-4853)/4853＝0.8％<3％，所以f_end＝4894kN；

e、利用公式μ＝f_end/N计算摩擦系数；

对于日常使用闸门μ＝f_end/N＝5742kN/(1.78MPa×20m²)＝0.161

对于事故启用闸门μ＝f_end/N＝4894kN/(1.92MPa×12m²)＝0.212

f、对于日常使用闸门：启闭机启闭力＝f_end+G+净动水作用力＝5742+1200+11153＝18095kN，因此日常使用闸门启闭机容量为18200kN；

对于事故启用闸门：启闭机启闭力＝f_end+G+净动水作用力＝4894+980+10167＝16041kN，因此事故启用闸门启闭机容量为16200kN。