Разработка логической схемы управления двустворчатых ворот судоходного шлюза

прочности и жескости, экономности и ремонтопригодности, необходимо

учитывать удобство их в эксплуатации и надежности в работе.

Различные размеры камер шлюзов и величины напоров, а также разнообразие

требований вызвали появление многочисленных конструкций шлюзовых ворот.

Все ворота разбиваются на две большие группы: однополотные двухполотные

(двустворчатые ). Однополотные ворота бывают плоскими, поворотными на

вертикальной или горизонтальной оси, подъемными, опускными и откатными,

сегментными и секторными. Двустворчатые ворота бывают плоскими,

цилиндрическими и сегментными ( с вертикальными осями вращения ).

Рабочие ворота всех типов должны выдерживать кроме гидростатических и

гидродинамических нагрузок в закрытом положении, возможные случайные удары

от навалов на них судов, подходящих со стороны верхних бъефов.

В настоящее время наибольшее распространение получили двустворчатые

ворота, главным образом, для нижних голов шлюза, плоские опускные ворота -

для верхних. Однотипные, откатные и подъемные, сегментные и платянные

находят меньшее применение и не рекомендуются к разработке в проектах без

специального обоснования.

Широкое применение двустворчатых ворот обусловленно их высокой

надежностью в работе, меньшим весом конструкции и механизмов и,

следовательно, более высокими экономическими покозателями. Они могут

удерживать большие напоры воды, они применяются в качестве основных ворот

на нижних головах шлюзов. Лиш в отдельных случаях они применяемы на

верхних и средних головах. В условиях колебания уровней воды в верхнем

бъфе применение двустворчатых ворот на верхней голове нерационально, из -

за возникающих трудностей при створении, а также повышенных нагрузок на

механизмы ворот. Двустворчатые ворота применяются также в качестве

ремонтных ворот как на верхней так и на нижней головах. Наполнение и

опорожнение шлюзов, оборудованных двустворчатыми воротами, производится,

как правило, через водонапорные галереи, а также через специальные

отверствия в полотнищах ворот, перекрываемых клинкетами.

2.1. Элементы ворот и действующие нагрузки. Двустворчатые ворота

состоят из двух полотен опирающихся в закрытом состоянии друг на друга

опорными подушками створных столбов. В открытом состоянии, при пропуске

судов, створки входят в расположенные в устоях вертикальные ниши,

называемые шкафами.

Набор полотна включает в свой состав раму с вертикальными или

горизонтальными ребрами. Эти части ворот имеют следующие названия:

горизонтальные ребра - ригели, вертикальные ребра - стойки.

Сама рама имеет по оси вращения - вереяльный столб; по створу -

створный столб; по верху - верхний ригель; по низу - нижний ригель; по

диагонали - диагональные связи. Конструктивная схема ворот показана на

(рисунке 15).

Плоские двустворчатые ворота встречаются с полотнами ригельной системы,

а также стоечной. Ориентировочно, если высота ворот больше 0,75 длинны,

применяют ригельную систему, а при меньшей - стоечную.

Конструкция плоских ригельных ворот показанна на (рисунке 15). Против

каждого ригеля на вереяльном и створном столбах расположены упорные

подушки. Через упорные подушки створки опираются друг на друга в створе и

передают давление воды на закладные подушки устоев головы. Ригели - балки

составного двухстворового сечения со сплошной стенкой. Стрингеры -

продольные ребра, предназначены для увеличения устойчивости обшивки при

работе ее на сжатие в общей системе ворот. Они устанавливаются между

ригелями и представляют собой балки прокатного профиля. Вереяльные

створные столбы выполняются в виде коробчатых балок трапецидального

сечения. В верхней части вереяльного столба закрепляется ось гальсбанда, а

в нижней - надпятник.

Для обеспечения устойчивости ригелей при продольном сжатии ставят

диафрагмы по длине створки на расстоянии 1,7 - 2,7 м.

С целю уменьшения перекоса створки от собственного веса делаются

диагональные связи. В верхней части створных столбов устанавливаются

захваты для обеспечения точного створения ворот.

Основным условием, обеспечивающим нормальную работу ворот, является

сохранение их геометрических размеров. При эксплуатации изменение длинны

створок происходит в следствии упругой деформации ригелей, створных

столбов, износа вкладышей и их деформации. Уменьшение длинны створок ведет

к уменьшению стрелы подъема арки и увеличению продольных усилий в ригелях

ворот при напоре.

Практика показывает, что просадка ворот может достигать значительных

величин ( до 50 - 100мм ). С увеличением срока эксплуатации

эти величины возрастают. Посадка также отрицательно сказывается и

на работе пятового устройства.

Ввиду того что обычные способы не дают точных значений просадки по

нижнему ригелю, применяются различные устройства для контроля посадки

ворот, позволяющие вести соответствующие наблюдения. Описанное снизу

подобное устройство (рисунок 16) по принципу работы электромеханическое.

Датчиком служит рычажно - пружинная механическая система, а передающий

элемент - электрический.

Механический датчик контроля ворот работает следующим образом. При

подходе створки к порогу шток через тягу и стакан пружины передает

движение двуплечному рычагу стрелки, которая поворачивается на

соответствующий угол на торированной шкале, указывает прогиб ворот.

Пятовые устройства - наиболее ответственные узлы ворот. При вращении

створки пята воспринимает ее вес и горизонтальную составляющую нагрузки от

сил перепада уровней воды и ветровой нагрузки на выступающую подветренную

часть ворот. Величина перепада при открытии ворот принимается равной

0,15м.

Конструкция пяты двустворчатых ворот состоит обычно из двух основных

частей - надпятника, укрепленного на створе ворот, и подпятника,

заделанного в бетон. Расположенная под водой и требующая для своего

осмотра и ремонта откачки камеры пята является весьма ответственной частью

ворот, работа которой должна быть особенно надежна.

Конструкций пят существует несколько. во всех конструкциях сохраняется

эксцентриситет в плане ( смещение ). Все пяты грибовидные и отличаются

способом крепления хвостовика гриба устройства. Имеются конструкции пят,

где между подвижными и неподвижными частями подпятника устанавливаются

кольца из пластин красной меди. Надпятник выполнен из стального литья за

одно целое с упорной подушкой и прикрепленной болтами к нижней части

вереяльного столба. В надпятнике закреплен бронзовый вкладыш, в который

входит грибовидная пята из нержавеющей стали. Хвостовик пяты крепится в

отливке, которая, в свою очередь устанавливается в бетонном основании и

крепится фундаментными болтами.

Гальсбанд является верхней опорой створки, удерживающей ее от

опрокидывания.

С его помощью производится установка вертикального положения створки.

Гальсбанд представляет собой конструкцию, состоящую из колец, охватывающих

шейку или шип на створке ворот, и двух горизонтальных тяг, соединенных с

элементами, заделанными в бетонную кладку устоя. Вращая гайки стяжек,

можно изменять их длинны и, следовательно, устанавливать положение оси

гальсбанда. Для облегчения вращения стяжных гаек применяется

дифференциальная резьба. Устанавливая створку по направлению одной из тяг,

разгружается для регулировки вторая.

Вереяльные "шарниры" ворот состоят из закладных и упорных подушек.

Закладная подушка воспринимает давление от трехшарнирной арки и

передает его на бетон, этим и объясняется большие размеры основания

подушек. В бетоне закладная подушка закрепляется анкерными болтами.

Овальные отверстия для анкерных болтов позволяют регулировать ее

установку. Упорная подушка, также как и закладная, отливается из стали, а

ее пазы заливаются баббиттом или компаундом из эпоксидной смолы. Такие

подушки устанавливаются на створном столбе, вторая упорная подушка

створного шарнира не имеет вкладыша, заливаемого баббиттом.

2.2. Приводной механизм для перемещения двустворчатых ворот. Наибольшее

распространение в качестве приводов двустворчатых во-

рот получили плоские шарнирные механизмы - кривошипно - шатунные, реечные,

штанговые. наряду с этими механизмами применяются также канатные

механизмы, которые установлены на отдельных шлюзах.

Кривошипно - шатунные механизмы (рисунок 17) применяются при ширине

камеры шлюза, не превышающей 22м, для камер с шириной 18м они наиболее

рациональны, так как имеют кривошипное колесо небольшого размера.

Механизм имеет шарнирно прикрепленную к колесу тягу - шатун, соединенно

шарнирно со створкой примерно на 1/3 ее длинны от оси вереяльного столба.

Соединение шатуна - штанги с полотном и ведущим колесом выполняется

эластичным при помощи упругого звена - пакета тарельчатых пружин,

встроенных в звено. Диаметр большого колеса выбирается с таким расчетом,

чтобы при перемещении створки из закрытого положения в открытое и обратно

колесо поворачивалось на угол 180о - 200о. Пакет тарельчатых пружин

позволяет осуществлять дожим створки за счет деформации пружин, а также

уменьшает пиковые динамические нагрузки, появляющие в период пуска

механизма и при его стопорении.

Основное достоинство кривошипно - шатунного механизма (рисунок

18) - плавность изменения скорости ( от нуля в начале движения с

возрастанием примерно по синусоидальному закону до среднего положения

створки и уменьшения до нуля в конце движения по тому же закону ). Такой

характер движения створок необходим для получения правильного и спокойного

створения ворот. Кривошипно - шатунный механизм в силу указанных

кинематических достоинств дают минимальное ускорения и силы инерции в

период неустановившихся режимов.

Такие механизмы наиболее безопасны в действии, доступны для осмотра и

ремонта и удобны в эксплуатации. Недостатком их является то

обстоятельство, что тяговое усилие прикладывается к верхнему ригелю на

растоянии 1/4 - 1/3 его длинны ( считая от оси вращения полотна ) в то

время как равнодействующая сопротивлений движению полотна ворот

находящихся в нижней его части. Момент, изгибающий полотно в направлении,

перпендикулярном его плоскости, тем больше, чем выше отметка верхнего

ригеля ворот над уровнем нижнего бъефа и чем больше высота ворот.

К числу недостатков этих механизмов следует отнести также появление

значительных тяговых усилий в шатуне, большие размеры ведущего колеса (

диаметр колеса достигает 5 -7м ), что связано с увеличением площади

устоев.

2.3. Определение мощности и выбор электродвигателя для электро-

механического привода двустворчатых ворот судоходного шлюза.

Электроприводы основных механизмов судоходных гидротехнических

сооружений являются ответственными элементами электрооборудования шлюзов.

Несоответствие выбранного привода технологическому режиму, неполный счет

факторов, воздействующих на привод в процессе эксплуатации, может привести

к сбоям в работе, перерывам в шлюзовании и даже к аварии на шлюзе.

Учитывая, что выход из строя шлюза приводит к частичному или полному ( на

одиночны шлюзах ) прекращения судапропуска, вопрос правильного выбора

электропривода, и, в частности, электродвигателя - основного элемента

привода - является весьма полным и актуальным.

Выбор электродвигателя для шлюзовых механизмов производится на

основание предварительно построенного графика нагрузки. Затем выбранный

электродвигатель подвергается проверкам. Если электродвигатель не

удовлетворяет какой - либо проверки, то необходимо взять другой и вновь

произвести все проверки.

2.3.1. Исходные данные. hк = 18 м; ширина камеры; Нм = 15 м; высота

створки; h = 5 м; заглубление створки; Dhс = 0,15 м; перепад на

створку;

iз = 2300; передаточное число редуктора и открытых зубчатых пере дач;

h = 0,74; КПД редуктора и открытых зубчатых передач;

Fдоп = 55*104 Н; допустимое усилие в тяговом органе;

Dfз = 20 рад; приведенный к валу двигателя зазор в передачах;

С = 18*106 Н/м; жесткость демпферных пружин; tс = 80 с;

продолжительность закрытия ворот;

2.3.2. Определение статических моментов сопротивления.

Створки ворот, перемещаются в воде, испытывает знакопеременные

нагрузки, вызванные влиянием внешних факторов.

Учитывая, что двигатель должен преодолеть эти нагрузки, момент его на

валу будет также изменятся в довольно широких пределах. Поэтому, для

правильного выбора двигателей необходимо знать область изменения

статического момента сопротивления.

При движении в установившемся режиме на створку ворот действует

нагрузка, в которую входят следующие составляющие; - момент от силы трения

в пяте и гальсбанде ( Мтр ); - момент сил ветровой нагрузки ( Мв ); -

момент сил, вызванных, гидростатическим давлением воды на створку ( Мh );

- момент сил вызванных воздействием масс воды при движении створки ( Мг ),

который включает: моменты сил, вызванных изменением инерции присоединенных

к створке масс воды:

Момент от сил трения определяется по выражению ( в Нм ):

Мтр = 2/3*f1*Fn*rn+f2*Fг*rг; где

f1 = 0,25 - коэффициент трения пятового устройства;

f2 = 0,5 - коэффициент трения гальсбанда;

rn = 0,2 м - радиус пяты;

rг = 0,1 м - радиус гальсбанда;

Fn = G+g*hm*l - реакция в пяте; ( Н )

G - вес створки; ( Н )

G = 500*(Hn*l)3/2

g = 4000 ( H/m2 ) - удельная нагрузка на створку, создаваемая

механизмами и людьми, находящимися на мостике ворот;

l = 0,5*hк/cos202 - длинна створки; ( м )

hm = 1,2 ( м ) - ширина мостика;

Fг = Fn*l/(2*Hn) - усилие в галсбанде; ( Н )

l = 0,5*h /cos20 = 0,5*18/0,44 = 9,57 ( m )

G = 500*(Hn+l)3/2 = 500*(15*9,57)3/2 = 859958,2 ( H )

Fn = G+g*hm*l = 859958,2+4000*1,2*9,57 = 905889,2 ( H )

Fг = Fn*l/(2*Hn) = 905889,2*9,57/(2*15) = 288978,6 ( H )

Mтр = 2/3*f1*Fn*rn+f2*Fг*rг = 2/3*0,25*905889,2*0,2+0,5*

*288978,6*0,1 = 44645,2 ( Н*м )

Момент сил ветровой нагрузки определяется по формуле;

Мв = 0,5*ко*gо*l2*(Hn-h)*sinQ; в ( Н*м ) где

Ко = 1,4 - коэффициент обтекания;

gо = 150 ( Н*м2 ) - скоростной ветровой напор;

Q = угол поворота створки ( Q = 0о - при открытом положении ворот );

Значение НВ рекомендуется определять через каждые 10о угла поворота

створки ( полный угол поворота створки составляет 70о ).

Гидростатическое давление воды на створку создается из - за перепадов

уровней воды, которые возникают в следствие инерционных колебаний воды в

бъефе, вызванных наполнением апоражнением камеры шлюза, преждевременного

начала открывания ворот до полного выравнивания уровней воды в камере и

подходном канале из-за наличия погрешностей в водомерных приборах, а также

вследствие разности отметок уровней в камере и бъефе при запоре и выпуске

воды помимо подходных каналов. Следует иметь в виду, что перепады уровней

воды возникают практически только в интервале угла поворота от 50о до 70о.

Величина момента, вызванного перепадом, расчитывается по формуле в (

Н*м );

Mh = 0,5*Dhc*l2*h*Yв, где.

Yв = 9,81*103 ( Н*м-3 ) - удельный вес воды

Mh = 0,5*0,15*9,522*5*9810 = 336918 ( Н*м );

при Q = 0о Мв = 0 ( Н*м )

при Q = 10о Мв = 0,5*1,4*150*9,57*(15-5)*sin10о = 16698,7 ( Н*м )

Данные расчеты ведутся через 10о. результаты расчета сводятся в

таблицу;

|Q; град |Мв; Н |

|0 |0 |

|10 |16698,7 |

|20 |32890 |

|30 |48082,1 |

|40 |61813,1 |

|50 |73666 |

|60 |83280,6 |

|70 |30364,7 |

Момент сил, вызванных воздействием масс воды движением створки ( Мг ),

зависит от скорости движения створки, ее положения, заглубления и

кинематической схемы. Точный расчет этого момента сложен. Однако с

достаточной для инженерных расчетов точностью величину Мг можно принять

постоянной во всем диапазоне угла Q, равной:

Мг = 0,2*336918 = 67383,6 ( Н*м )

Определив все вышесказанные моменты, строится график зависимости

статического момента сопротивления на оси створки от ее угла поворота.

Очевидно, что в зависимости от направления ветра и перепада момента Мh и

Мв могут как препятствовать, так и способствовать движению створки. В

соответствии с этим график Мс(Q) = Мтр+Мг+Мh+Мв строится для двух случаев:

- моменты Мh и Мв препятствуют движению;

- моменты Мh и Мв способствуют движению;

График Мс(Q) строятся через 10о угла поворота створки: ( рисунок 19 ).

|Q; град |Мс(Q); Н*м 1 |Мс(Q); Н*м 2 |

| |режим |режим |

|0 |112028,8 |112028,8 |

|10 |128727,5 |95330,1 |

|20 |144918,8 |79138,8 |

|30 |160110,9 |63946,7 |

|40 |173841,9 |50015,7 |

|50 |598612,8 |298555,2 |

|60 |532227,4 |308169,8 |

|70 |539311,5 |315253,9 |

2.3.3. Предварительный выбор электродвигателя.

Необходимая мощность электродвигателя, намеченного к установке,

определяется из выражения ( в кВт ):

P' = Mс.max*wст.ср./(1000*h),

где Mс.max - максимальный момент сопротивления, определяется по графику

Мс(Q), Н*м;

wст.ср. = Qст/tc - средняя угловая скорость створки, ( с-1 );

Qст = 1,222 - полный угол поворота створки, ( рад ) wст.ср. = 1,222/80

= 0,015 ( с-1 );

P' = 539311,5*0,015/(1000*0,74) = 11 ( кВт );

Частота вращения электродвигателя определяется в соответствии с wст.ср.

по формуле ( в об.мин-1);

n = kw*30*aт*iз/(p*tc), где.

aт - полный угол поворота выходного вала передачи ( колеса ) при

перемещение створки от открытого до закрытого положения ( определяется по

кинематической схеме механизма ), рад;

kw = 1,3 - коэффициент, учитывающий работу двигателя в переходных

режимах и на пониженной частоте вращения при створении и при входе в

шкафную часть.

n = 1,3*30*2,6*2300/(3,14*80) = 928 (об/мин).

По величине P' и n по каталогу предварительно выбираем двигатель

кранового типа при ПВ = 95 % мощностью равной или ближайшей большей.

Выбираем электродвигатель MTF 311-6

Рн = 13 ( кВт ) n = 135 (об/мин) J = 0,3 (кг/м2)

2.3.4. Определение момента сопротивления приведенных к валу двигателя.

Величины моментов сопротивления, приведенных к валу двигателя ( M'с ),

необходимо определить во всем диапазоне перемещения створки для обоих

расчетных режимов.

Расчет M'с = f(Q) производим через 10o угла поворота створки. Для

определения M'с = f(Q) необходимо определить полное переда-

точное число:

i = f(Q); i = iз*iм, где iм = f(Q)

iм = ВО1/СО, где СО определяется из диаграммы перемещения. Приведения

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7