基于Adams翻转式弧形水工闸门的连杆参数的优化

毕节市工业学校 ，贵州毕节 551700

水利工程是一项民生工程，长期以来，国外专家对水工闸门及其启闭机构进行了大量且深入的研究，积累了丰富的理论知识和经验，研制出了一批性能突出、可靠性高的闸门启闭机构。然而目前我国闸门启闭机构的技术发展比较缓慢。目前，尤其针对跨距水工闸门及启闭机构的研究文件甚少。随着国内外一些水工闸门在开启闭合过程中出现启闭超载、卡死，甚至闸门破坏等事故，闸门的运行安全越来越被重视[1-3]。

水工闸门在水利水电工程建筑物中起着泄水或蓄水的作用，通过闸门的启闭能够实调节水位、控制流量、排涝、灌溉、发电及通航等功能。为了保证闸门在启闭过程中平稳安全运行，针对跨距为60m的翻转式闸门的启闭机构，为了提高启闭机构的在运行过程中的平稳性能，本文运用ADAMS软件对六连杆启闭机进行仿真，分析了六连杆启闭机参数对闸门在静水环境下闭合过程中的影响，为改善翻转闸门启闭过程的平稳性能提供了理论依据[2-5]。

1 翻转式闸门启闭机构的工作原理

翻转式闸门启闭机构主要由弧形闸门、连接杆AB、连杆臂 BC、吊臂 CD、吊臂 DE、活塞连杆EF及液压缸F等组成，翻转式闸门启闭机构的工作原理如图1所示。启闭机构工作时，通过液压缸F匀速驱活塞连杆EF，吊臂DE和吊臂CD固连在一起绕D点翻转，在吊臂CD翻转的情况下带动连杆臂BC运动，同理连杆臂BC翻转的情况下带动连接杆AB绕A点翻转，连接杆AB和弧形闸门以翻转副连接，最终实现闸门的启闭过程[2]。

2 启闭机构的建模

Solidworks和ADAMS的系统默认坐标系都是笛卡尔坐标系，因此建立的模型导入时视图方向不发生变化。本文采用Solidworks软件建立1:1实体启闭机构模型，该模型由连接杆AB、连杆臂BC、吊臂CD、吊臂DE、活塞连杆EF及液压缸F，本模型以闸门翻转中心A点为圆心建立坐标系，优化前建模的参数如图2所示，优化后建模的参数如图3所示，将建好的模型以parasold(x_t)格式导入ADAMS中定义材料属性，本模型的材料为Q620，施加约束和力，六连杆机构中，连接杆AB与大地之间为翻转副，连接杆AB和连杆臂BC之间为翻转副，连杆臂BC和吊臂CD之间为翻转副，吊臂CD和吊臂DE之间为固定副同时与大地之间为翻转副，吊臂DE和活塞连杆EF之间为翻转副，活塞连杆EF和液压缸F之间为翻转副，液压缸F与大地之间为滑移副，液压缸F为驱动件，驱动速度为0.0025 m/s，重力加速度方向沿Y轴负方向,单位为MKS制，仿真模型如图4所示。

图1 启闭机工作原理图

图2 启闭机参数优化前

图3 启闭机优化后参数

图4 优化后的仿真模型

3 结果分析

设置仿真时间为1 800 s，得到闸门在匀速驱动下的闭合仿真过程，仿真过程可分为三个阶段，第一阶段：起始阶段，第二阶段：运行阶段，第三阶段：结束阶段。由于闸门与约束joint1和连接杆AB（part2）同步运动，在闭合角度相同的情况下，优化前和优化后翻转式闸门质心的角速度和角加速度如图5和图6所示，从图5中可以看出，闸门质心的初始角速度为0.082 d/s，优化前闸门在起始阶段和运行阶段冲击和振动较平稳，但在结束阶段闸门的冲击和振动非常显著，优化前的闸门质心最大角速度和角加速度分别为0.77 d/s和0.013 d/s2。从图6中可以看出，优化后闸门质心的初始角速度为0.066 d/s，闸门经历加速、减速、加速、减速的历程，在起始阶段和运行阶段，优化后的冲击和振动比较平缓，但在结束阶段，即接近闸门关闭工位时，优化后闸门的速度和角速度同样出现急剧变化，同样会出现冲击和振动现象，优化后的闸门质心最大角速度和角加速度分别为0.083 d/s和0.0013 d/s2，优化后闸门的冲击和振动明显比优化前小。

4 结论

大跨距闸门启闭过程是人们所关心的热点问题，运用ADAMS软件对大跨距翻转式弧形闸门的仿真报道甚少。本文运用ADAMS软件对翻转式弧形闸门闭合进行仿真，直观地观察了翻转式弧形闸门闭合的整个过程，分析了六连杆启闭机参数对闸门在静水环境下闭合过程中的影响。得到以下结论：

(1)优化前，六连杆启闭机构在闸门停止运行前的结束阶段冲击和振动比较显著。

图5 优化前的启闭角速度和角加速度

图6 优化后的启闭角速度和角加速度

(2)优化后，六连杆启闭机构在闸门停止运行前的结束阶段的冲击和振动较小。

(3)合理的减小启闭机构在闸门运行的起始阶段和停止前的结束阶段的驱动速度，减小对闸门的冲击和振动。

(4)优化启闭机构的机构参数及合理的布局，减小对闸门的冲击和振动,本仿真有助于深入了大跨距翻转式弧形闸门启闭机构参数对闸门启闭过程的影响，通过优化机构参数及机构布局，降低制造成本；有助于了解闸门冲击和振动产生和存在的规律；有利于提高闸门质量和使用性能，减少因冲击和振动引起的破坏性事故；简化启闭机构的实验过程，为探索大跨距翻转式弧形闸门启闭过程提供了一种新方法。有必要进行深入研究合理地选择机构参数、合理布局、驱动速度等，本仿真还有待进一步的试验验证。