一、水力自动翻板闸门概况

水力自动翻板闸门是目前国内最常见的一类自控闸门。它利用杠杆的力矩平衡原理在水压力及闸门自重的作用下使闸门绕水平铰轴转动，从而达到自动启闭的目的，无需专用动力源，因而被形象地称为“翻板闸门”。

由于水力自动翻板闸门具有过流能力强、水位壅高少、结构简单、制造使用方便、造价低廉、维护简单等诸多优点，因而在小型水电站和中小型蓄水工程中得到了广泛的应用。

近年，随着治水思路的改变，以及环境保护意识的增强，水力翻板闸门的应用范围不断拓展，在城市园林景观、旅游、环保等综合工程中也得到了较好的应用。水力自动翻板闸门经过几十年的施工运行管理，积累了很多成功的经验，已由多铰式升级换代为滚轮连杆式，闸门的调节性能和研制技术逐步完善和成熟。

但这类闸门在运行中也存在一些问题，集中表现在以下几个方面：

1.运行环境

杂草、树枝等杂物堵塞在铰座周围，严重影响闸门的启闭，尤其是涨洪时洪水来势猛，速度大，冲刷强，漂浮物极易使闸门失控或卡死，汛后清理这些杂物很困难。对于富含泥沙的河流，泥沙极易在门前淤积堵塞造成闸门开启困难。

2.运行稳定性

由于水力翻板闸门的运行环境和受力情况相当复杂，而设计计算理论目前尚不完善，运行中普遍存在着诸多失稳现象，波及闸门的正常工 作，轻者能引起工程结构的整体振动，重者可导致闸门、坝坎结构毁坏。影响闸门稳定的因素很多，因此要确保闸门运行稳定很困难。

3.结构设计

闸门稳定性主要来自于连杆的阻尼作用，在进行闸门设计时，滚轮的直径、连杆的长度及连杆后支点位置，闸门重量的正确选择等等都需优化设计。

4.运行功能

受诸多因素的影响，水力自动翻板闸门大多使用在水质条件较好、水流量不大的小型水利工程上。目前许多发达国家已逐步放弃水力自动翻板闸门，而多采用液控翻板闸门。

液控翻板闸门的设计理念提出后，通过电控、液控翻板闸门性能结构的特点比较(表1)可以看出，应用马达驱动液控翻板闸门效果最为理想。

二、液控翻板闸门的应用

1.马达驱动液控翻板闸门的组成及工作原理

由于闸门属恒速转动且速度不高，闸门系统属大功率系统，运行环境和受力情况相当复杂，要求系统输出功率相应变化，系统输出转矩由外负载决定。根据以上特点，在液压动力控制机构中以泵控液压马达为最适宜，它常用于大功率和恒速系统，其中又常采用变量泵—定量马达系统作为动力元件。如图1所示，马达驱动液控翻板闸门由液压动力控制机构和闸门两部分组成。

液压动力控制机构包括电机、泵、马达、控制阀、管路、油箱和减速器;闸门部分包括闸门、连接轴和支承墩。液压泵输出液压能传递给马达，马达将其转化为机械能驱动马达输出轴的旋转，经过减速器的减速后带动闸门的翻转。变量泵—定量马达系统通过改变泵的排量来改变泵输出功率控制传送给负载的动力，功率损失小，效率高，适用大功率液压系统。 液压泵转速和马达排量都是恒量，改变泵的排量可以使马达的转速和输出功率随之变化，系统的最大工作压力由溢流阀5和6限定。

之所以设置两个溢流阀是因为液压泵和马达是双向的，工作过程中油路的高低压要互换，同时保护液压元件不受压力冲击的损坏。溢流阀的容量要足够大，响应速度要足够快，以便在过载时能够使泵的最大流量迅速从高压管道泄入低压管道。补油泵9通过单向阀3和4向系统低压管道补油，以补充系统中泄漏量并在低压管道中建立起一定的低压，可以改善泵的吸入性能，防止气蚀现象和空气渗入系统，也有利于系统热量的消散。

补油压力(一般为0.3MPa)由溢流阀11调定，补油的流量一般为回路中主泵最大流 量的10%～15%。在此液控系统中由于具备调速和锁紧功能，因此闸门旋转速度可调且任意位置停止而不窜动，增加了闸门的稳定性。液控翻板闸门采用泵控马达驱动方案是安全可行的，但在实际设计过程中有很多细节需仔细考虑。

2.液控翻板闸门的设计要点

(1)最大功率和最大转矩的确定

在闸门受力最恶劣状态下求解最大功率、最大转矩，可有效防止马达带不动闸门转动。当闸门旋转支点确定，马达输出轴转矩、水对闸门阻力矩、闸门自重力矩和旋转轴摩擦力矩就构成一平衡力系，其中阻力矩和自重力矩对马达输出轴转矩影响最大。自重力矩与轴支点选取位置有关，而阻力矩与轴支点选取位置无关。因此闸门翻转方向应选择与水流动方向相一致就可以降低阻力，从而大大降低阻力矩。轴支点选取应尽量过闸门重力中心，以消除自重力矩的影响。

(2)闸门与轴的联结

闸门与轴的联结点应选在闸门两侧面且过闸门重力中心线位置，这样确保能与轴支点在同一个平面内，联结点的结构宜采用内嵌式，以保证闸门两侧面与支承墩相互配合防止水泄露。闸门联结点处材料选择很重要，须有很高强度和刚度，保证能支撑整个闸门重量且在复杂受力状态下不散架。考虑到水环境腐蚀作用及维修拆卸方便，支承轴与闸门联结不宜焊接而应采用螺栓联结，螺栓要有足够强度和刚度，抗弯抗剪抗扭转能力都要强。

(3)轴与支承墩配合方式

由于相对运动和外力重力的作用，轴与支承墩间的摩擦不可避免。选择的配合方式合理就能最大限度降低摩擦，减少摩擦力矩的作用。轴与支承墩配合方式有轴承和轴瓦，鉴于支承点位置有可能浸入水中受水蚀作用、受力大小及装配维修方便，建议以耐腐蚀轴瓦作为轴与支承墩配合方式较为合理。

(4)合理确定减速器的传动比

闸门属恒转速运动且转速较低，尽管液压马达的转速可由液压泵调节，但马达的转速可能还会偏大，需增设一减速器继续减速。减速器的传动比由马达的转速和闸门转速来确定，根据传动比的大小来确定是采用一级或二级以上。针对工作系统为大功率系统且为保证闸门旋转平稳性和连续性，采用斜齿圆柱齿轮减速器为宜。若闸门转速选取过大会增加闸门旋转惯性，对闸门稳定不利。建议闸门正常转速不大于 1～4r/min，特殊情况下可适当增大。

(5)闸门的密封止水

采用槽钢外包不锈钢片的设计。具体方法是在一期混凝土浇筑时，预先在边墩和底墩埋设适当数目的固定钢筋，在每根钢筋上安装一颗正向螺丝;安装槽钢时，在槽钢内侧相应位置上安装四颗反向螺丝，用槽钢内侧的微调螺丝将槽钢调整到设计位置后点焊固定，再进行二期混凝土浇筑。这样既平整光滑，又安装到位，再在闸门安装止水橡皮，满足了密封止水和减小摩擦的要求。

(6)闸门与堰坝的配合

闸门静止状态时，由于闸门支承点上下受不等水力作用可能始终对液压马达和支承轴产生力矩作用，此作用对液压系统不利。为克服这种不利影响，可以通过改善闸门与堰坝底座配合方式，在堰坝底座中央砌一与闸门等宽小台阶。当闸门上部水受力大时，闸门靠台阶外侧布置;当闸门下部水受力大时，闸门靠台阶内侧布置;就可达到消除力矩作用。同时对增加闸门与堰坝的密封有利。但不利因素是马达只能沿一个方向转动而不能双向转动。

(7)闸门的结构设计

闸门的结构设计重点在两个方面：重量和结构形式。由于属外力可控闸门，闸门翻转和稳定性不再靠闸门的重量来维系。闸门重量可大大减轻，闸门的强度和刚度须大大提高，可选择一些强度高、抗弯性能好的材料来作闸门，结构形式要与周围环境相协调。

(8)污染源控制

液控翻板闸门的污染源主要来自液压油。液压油对周围环境的污染主要来自液压系统的泄漏和装卸、故障维修时的外溢，因此要将液压系统与外界隔离，作为一个独立的单元，注重液压油收集和管理，使液压油运行在独立的单元内，从而避免对河水 和周围环境的污染。

三、结语

液控翻板闸门适用于功能要求多的河流，尤其是流域环境复杂又需对闸门运行不断进行调节的大中型水利工程。液控翻板闸门设计的重点在于液压系统最大输入功率、最大输出转矩的确定，关键在于解决闸门的力学特性，这是液控翻板闸门设计的难点，也是下一步研究水力自动翻板闸门和外控翻板闸门设计计算理论的首要工作。液控翻板闸门动力控制理论是正确的，液控技术也是成熟的，功率范围可达几十至几千千瓦，使用范围宽广，对改善目前水力自动翻板闸门功能单一的局面，促进我国水利水电事业的发展具有积极作用。