自由侧翻式拍门无水闭门运动特性研究

何志坚，叶 锋

（1.湖南信息职业技术学院，湖南 长沙410200；2.湖南搏浪沙水工机械有限公司，湖南 长沙410200）

拍门作为一种泵站常见断流装置，已有相关资料针对传统悬挂式拍门进行了分析和计算[1~2]，自由侧翻式拍门由于其创新的结构形式，在同样工况下，具有较大的开启角度，拍门作动水头和水头损失更小，因而相比于传统的悬挂式拍门以及其它管道断流方式，结构更简单、造价更低廉、维修更方便、更节能环保，为目前应用最为广泛的单向止回装置[3~5]，但目前针对自由侧翻式拍门的闭门运动分析较少。

本文对自由侧翻式拍门闭门运动与撞击力进行了分析和计算，并与其它形式的拍门进行了对比研究，为泵站拍门的正确选用和设计提供一定理论依据。无水空拍往往对门座造成较大的冲击，本文将拍门非淹没出流工况运行等同于无水闭门运动进行分析。

1 自由侧翻式拍门工作原理

图1所示为管涵出口自由侧翻式拍门的布置图，门轴倾角为δ，管口所在平面与竖直平面的夹角为γ，则门轴与竖直线存在夹角β，门轴所在竖直面与管道出口断面存在二面角θ，则它们之间的关系为：

当自由侧翻式拍门的开启角度为α时，垂直于门板的重力分力为f：

力f即提供自由侧翻式拍门自动关闭的动力，当拍门完全闭合时，此时f=mg·sinβ·sinθ，即为施加于止水橡皮的正压力，此时止水橡皮会产生一定的预压缩量，从而使得自由侧翻式拍门逆向止水更为可靠。

2 自由侧翻式拍门无水条件下闭门运动方程及撞击力分析

如图2所示，假定δ和γ均不为零，则在拍门开启角度为α的t时刻，由动量矩定理可得：

图2 圆形流道出口自由侧翻式拍门布置简图

式中，

J0为拍门对门轴的转动惯量；

R为拍门重心到铰轴的距离。

假设拍门初始开启角度为α0，解方程（4）得碰撞前（α=0）门体角速度ωm：

任意角α时角速度为ω：

在碰撞过程中，对于材料确定的物体，碰撞后与碰撞前的速度绝对值比值保持不变[6]，以门轴为起点，拍们上离轴x处的碰撞前线速度为ν（x）=ωqx，设碰撞后线速度为u（x），恢复系数为K，则

对拍门上离轴x处微元运用动量定理可得

式中，m'为单位面积的质量，S'（x）为拍门门体x处所受到的门座对其的碰撞冲量集度。

采用极坐标算法，得门座对门体的碰撞冲量为：

式中，

r0为近似为出水流（管）道半径；

t为碰撞时间。

则门座对门体的碰撞力为：

式中，

μ为为冲击系数（由实验确定）；

r0为近似为出水流（管）道半径。

在闭门瞬间，门铰受到的冲击也不容忽视，同样利用动量定理可以求得闭门瞬间门铰处所受到的冲击力Fcj：

3 各类拍门无水条件下闭门撞击力对比分析

由以上针对一般拍门结构的运动特性分析可以得出，在无水条件下，自由侧翻式拍门闭门瞬间所受到的撞击力和门铰所受到的冲击力与碰撞前的角速度和垂直于门板的重力分力有关，而拍门的设计安装角δ和γ，则决定了拍门碰撞前的角速度和闭门过程中垂直门板的重力。

对δ和γ取不同的值，分别可以计算得到目前常见的几种拍门无水条件下闭门运动方程，为了方便对比分析各种类型拍门撞击力，文中假定初始开启角度α0=90°，门体结构及流道参数一致。

（1）自由侧翻式拍门（δ=10°，γ=10°）由前面公式（5）、（10）（11）得

（2）悬挂式拍门（δ=90°，γ=10°）

根据动量定理及前面分析，得

（3）井盖式拍门（γ=90°）

根据动量定理及前面分析，得

根据式（12）～（20）的计算结果，可以看出，在拍门结构尺寸一定的条件下，自由侧翻式拍门与悬挂式拍门、井盖式拍门相比，其在无水条件下，拍门门体关闭瞬间线速度最小，碰撞力和对门铰的冲击力最小。针对具体工况，可以通过选取适当δ和γ大小，在满足可靠闭门要求的情况下，把拍门运行的撞击力降低到最小，本文进一步从理论上分析了自由侧翻式拍门在结构设计上的先进性。

4 结束语

根据上述分析，得出以下结论：

（1）在结构设计上，自由侧翻式拍门与传统的悬挂式拍门、井盖式拍门相比具有明显的先进性，自由侧翻式拍门在无水条件下对门座的撞击力，相对于传统的悬挂式拍门要小很多，工作更安全。

（2）在自由侧翻式拍门的结构设计上。通过设计合理的安装角δ和γ，可以使自由侧翻式拍门取得理想的自动闭门效果。

（3）对自由侧翻式拍门来说，门体自重并不是引起闭门撞击大小的关键因素，但对于大型的拍门，有必要根据具体情况，调整设计安装角δ和γ，以减小拍门闭门时的撞击力。

[1]严登丰.泵站工程[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[2]古智生.泵站拍门撞击力的简化计算方法及其应用[J].中国农村水利水电，2000(6):36-39.

[3]项 春.DN1200自由侧翻式拍门在浙江省诸暨某泵站中的应用研究[J].浙江水利水电专科学校学报，2010，22（3）：5-8.

[4]陈 坚，娄红岩，李 娟，等.大口径自由侧翻式拍门结构和撞击力计算[J].排灌机械学报，2008，27（4）：44-47．

[5]王志祥，李端明，李 娜，等.泵站不同类型拍门的开启角和撞击力分析[J].中国农村水利水电，2012(7):87-90.

[6]严登丰.泵站过流设施与截流闭锁装置[M].北京：中国水利水电出版社，2000.