水力自动门水压缓冲器的制作方法

本发明是一种新型水压缓冲器，水压缓冲器是流体力学基础研究成果的实际应用，属于液压机械设计领域。

背景技术：

水利水电工程中，闸门、拍门是截流闭锁装置。特别是大型泵站工作门的闸门和拍门，为限制停泵时出现飞逸(无拘束倒转)或飞逸时间超长，都有快速闭门的要求。但是，如果闸门或拍门临近关闭时，下落速度或旋转角速度过大，势必产生撞击，可能造成工程或设备事故。为减轻或避免危害性撞击，安装水压缓冲器是必要的。

专利申请人湖南力威液压设备有限公司于2008年08月08日申请的实用新型专利《节能型自由侧翻式拍门缓冲装置》，该实用新型专利号为：200820054029.8。该实用新型专利提供了一种用于抽水泵站出水口拍门的、可减小撞击力的节能型自由侧翻式拍门缓冲装置，该专利存在以下不足：①所申请的缓冲装置仅适用中小型泵站侧翻式拍门，不适用大型泵站悬吊式拍门，也不适用于闸门；②缓冲装置的主要部件缸筒等不是安装于门页上，而是安装于门外设施；③缓冲装置的缸筒仅是单一的筒体，是“一腔式”机构，没有“双腔式”的作用；④防撞吸能仅为泄水孔作用，无利用弹性体压缩吸能的说明；⑤缓冲装置无缸筒内压力与门体运动速度关系的说明，无结构受力分析和设计依据。因此，《节能型自由侧翻式拍门缓冲装置》除特定型式的工作门及较小的工程规模以外，无应用条件。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种水力自动门水压缓冲器，该水压缓冲器主要用于水利水电工程中快速闸门及泵站拍门闭门撞击的缓冲，作为水工金属结构防撞吸能装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：水力自动门水压缓冲器，包括带空腔的缓冲缸、带有活塞杆的活塞，所述活塞安装于缓冲缸空腔内，所述活塞杆与缓冲缸腔壁之间设有导向体，其特征是，所述缓冲缸缸口向下，缓冲缸缸底固定安装有与活塞配合使用的缓冲体，该缓冲体为弹性体或缓冲帽，所述缓冲帽设有空腔，该空腔腔口与活塞端部相对；该水压缓冲器安装于闸门或拍门门页上，缓冲器与门体成一体型结构；带有活塞杆的活塞承受撞击力，通过缓冲体形成缓冲，缓冲结束再启门后，带有活塞杆的活塞在自重作用下自动复位。

进一步地，所述弹性体为实心弹性球体或不锈钢弹簧，所述活塞、活塞杆表面轴向设有回水槽。

进一步地，所述活塞端部设有空腔，该空腔腔口朝向缓冲缸缸底。

进一步地，所述活塞端部设有圆台形凸起，该凸起为中空结构，该凸起的空腔与缓冲缸空腔相通，且凸起的空腔腔口与缓冲帽空腔腔口相对，凸起外径由其空腔腔口至腔底逐渐变大，缓冲帽空腔腔口的内径与凸起的最大外径相等。

进一步地，所述缓冲帽空腔内径由腔口至腔底逐渐变小，所述活塞端部设有圆柱形凸起，该凸起为中空结构，该凸起的空腔与缓冲缸空腔相通，且凸起的空腔腔口与缓冲帽空腔腔口相对，缓冲帽空腔的最小内径与凸起外径相等。

进一步地，所述缓冲缸缸底设有泄水孔，该泄水孔将缓冲帽内腔与缓冲缸外部连通；所述导向体同样设有泄水孔，该泄水孔将缓冲缸空腔和缓冲缸外部连通。

进一步地，所述活塞设有空腔，所述缓冲帽空腔腔口与活塞空腔腔口相对；所述缓冲帽为圆台形结构，缓冲帽的外径由其空腔腔口处往下逐渐变大，所述活塞空腔为圆管形结构，缓冲帽的最大外径与活塞的空腔内径相等。

进一步地，所述缓冲缸缸底设有泄水孔，该泄水孔将缓冲帽空腔与缓冲缸外部连通。

进一步地，所述活塞杆端部设有滚柱体。

进一步地，所述缓冲帽通过转动铰与缓冲缸缸底连接。

本发明是一种单腔式或双腔式缓冲器，其原理是利用具有一定空腔体积的水缸，缸内放置一定体积弹性体或带有泄水孔。水压缓冲器安装于闸门或拍门门页，形成一体结构。撞击时，通过缸内弹性体压缩变形或泄水孔泄水作用将闸门直线运动动能或拍门旋转运动动能，转换为水缸内弹性体压缩变形能或泄水耗能，实现防撞吸能。

关于缓冲器自动复位：缸体内放置弹性体方案时，撞击结束后缸内压力随即释放，弹性体恢复初始状态；缸体内放置弹性体或带泄水孔，撞击结束再次启门后，撞击杆在自重作用下回复初始状态。

本发明的水压缓冲器结构简单，制作、安装方便；实现闸门或拍门缓冲后自动复位，能可靠避免水利水电工程工作门撞击事故。

附图说明

图1为实施例一中水压缓冲器的结构示意图；

图2为实施例二中水压缓冲器的结构示意图；

图3为实施例三中水压缓冲器的结构示意图；

图4为实施例四中水压缓冲器的结构示意图；

图5为实施例五中水压缓冲器的结构示意图；

图6为实施例六中水压缓冲器的结构示意图；

图7为单腔式缓冲器门体转动角速度与压力变化过程线；

图8为双腔式缓冲器门体转动角速度与压力变化过程线；

图中：1缓冲缸、2活塞杆、3活塞、4导向体(缸盖)、5缓冲缸缸底、6弹性体、7缓冲帽、8缓冲帽空腔、9回水槽、10活塞空腔、11圆台形凸起、12圆台形凸起空腔、13圆柱形凸起、14圆柱形凸起空腔、15泄水孔、16滚柱体、17转动铰副、18门体。

具体实施方式

水力自动门水压缓冲器安装于闸门或拍门门页上，缓冲器与门体成一体型结构；带有活塞杆的活塞承受撞击力，通过缓冲体形成缓冲，缓冲结束再启门后，带有活塞杆的活塞在自重作用下自动复位。下面通过六个实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

1.实施例一：缸体内放置弹性体一腔式缓冲器

对照图1，水力自动门水压缓冲器，包括带空腔的缓冲缸1、带有活塞杆2的活塞3(撞击体)，缓冲缸缸口向下，活塞安装于缓冲缸空腔内，活塞杆与缓冲缸腔壁之间设有导向体4(即缸盖，导向体为中空圆柱状，其一端设有飞边，飞边置于缸口端部，导向体另一端置于缓冲缸内腔中，可防止活塞滑出)，活塞设有空腔10，该空腔腔口朝向缓冲缸缸底，缓冲缸缸底固定安装有与活塞配合使用的弹性体，该弹性体为实心弹性球体6，活塞、活塞杆表面轴向设有回水槽9，回水槽起泄水作用。

闸门或拍门闭门撞击时，虽然门体与缓冲器的撞击体接触，但是不会形成刚体碰撞。随着撞击体受力运动，缓冲缸内水体受到压缩，缸中弹性体因受压产生“体积压缩”吸能，使得水体压力不至过高，实现可靠的缓冲。因缓冲缸口部向下，一次缓冲泵机组再启动后，活塞(撞击体)在自重作用下自动复位。

类同图1利用弹性体缓冲的应用，弹性体也可以采用不锈钢弹簧。

2.实施例二：带泄水孔与杯形缓冲帽的二腔式缓冲器

对照图2，缓冲器安装于门体18上。水力自动门水压缓冲器，包括带空腔的缓冲缸1、带有活塞杆2的活塞3(撞击体)，活塞安装于缓冲缸空腔内，活塞杆与缓冲缸腔壁之间设有导向体4(即缸盖，导向体为中空圆柱状，其一端设有飞边，飞边置于缸口端部，导向体另一端置于缓冲缸内腔中，可防止活塞滑出)。缓冲缸缸底固定安装有与活塞配合使用的缓冲体，该缓冲体为缓冲帽7，缓冲帽设有空腔8，该空腔腔口与活塞端部相对。

活塞端部设有圆台形凸起11，该凸起为中空结构，该凸起的空腔12与缓冲缸空腔相通，且凸起的空腔腔口与缓冲帽空腔腔口相对，凸起外径由其空腔腔口至腔底逐渐变大，缓冲帽空腔腔口的内径与凸起的最大外径相等。圆台形凸起的高度小于或等于缓冲帽空腔深度，同样，可在活塞表面设置辅助泄水的回水槽9。

缸底设有泄水孔15，该泄水孔将缓冲帽内腔与缓冲缸外部连通。导向体同样设有泄水孔15，该泄水孔将缓冲缸空腔和缓冲缸外部连通，导向体侧壁与缸体腔壁之间留有间隙，该泄水孔置于飞边处。

闸门或拍门闭门撞击时，随着撞击体受力运动，缓冲缸内水体受到压缩，通过泄水孔泄水，释放能量实现缓冲。为充分利用空间，活塞体作中空(即圆台形凸起中空结构)，储存部分水体，连同活塞外杯形空腔及杯形缓冲帽内的水体，共同产生缓冲作用，这时缸体、缸盖两个泄水孔也共同起作用，缸内压力为p。当活塞运动行程x达到和超过活塞体与缓冲帽之间的距离h1后，储水压力腔由一个变成两个(两个腔分别是缓冲缸内腔以及圆台形凸起空腔、缓冲帽空腔形成的一个腔)，两个腔内压力p1与p2。

3.实施例三：带泄水孔与环形缓冲帽的二腔式缓冲器

对照图3，水力自动门水压缓冲器，包括带空腔的缓冲缸1、带有活塞杆2的活塞3(撞击体)，缓冲缸缸口向下，活塞安装于缓冲缸空腔内，活塞杆与缓冲缸腔壁之间设有导向体4(即缸盖，导向体为中空圆柱状，其一端设有飞边，飞边置于缸口端部，导向体另一端置于缓冲缸内腔中，可防止活塞滑出)。缓冲缸缸底固定安装有与活塞配合使用的缓冲体，该缓冲体为环形缓冲帽7，缓冲帽设有空腔8，该空腔腔口与活塞端部相对。

缓冲帽空腔内径由腔口至腔底逐渐变小，活塞端部设有圆柱形凸起13，该凸起为中空结构，该凸起的空腔14与缓冲缸空腔相通，且凸起的空腔腔口与缓冲帽空腔腔口相对，缓冲帽空腔的最小内径与凸起外径相等。圆柱形凸起的高度小于或等于缓冲帽空腔深度，同样，可在活塞表面设置辅助泄水的回水槽9。

缸底设有泄水孔15，该泄水孔将环形缓冲帽内腔与缓冲缸外部连通。导向体同样设有泄水孔15，该泄水孔将缓冲缸空腔和缓冲缸外部连通，导向体侧壁与缸体腔壁之间留有间隙，该泄水孔置于飞边处。

闸门或拍门闭门撞击运动、缓冲缸内水体压缩，泄水孔泄水释放能量实现缓冲类同实施例二。与实施例二不同之处在于：当活塞运动行程达到和超过环形缓冲帽后，虽然储水压力腔由一个变成两个(两个腔分别是缓冲缸内腔以及圆柱形凸起空腔、缓冲帽空腔形成的一个腔)，但是两个压力腔并不完全分开，因此两个腔内压力p1、p2无过大差别。

4.实施例四：带泄水孔与凸台形缓冲体的二腔式缓冲器

对照图4，水力自动门水压缓冲器，包括带空腔的缓冲缸1、带有活塞杆2的活塞3(撞击体)，缓冲缸缸口向下，活塞安装于缓冲缸空腔内，所述活塞杆与缓冲缸腔壁之间设有导向体4(即缸盖，导向体为中空圆柱状，其一端设有飞边，飞边置于缸口端部，导向体另一端置于缓冲缸内腔中，可防止活塞滑出)。缓冲缸缸底固定安装有与活塞配合使用的缓冲体，该缓冲体为杯形缓冲帽7，缓冲帽设有空腔8，该空腔腔口与活塞端部相对。

活塞设有空腔10，缓冲帽空腔腔口与活塞空腔腔口相对；缓冲帽为圆台形结构，缓冲帽的外径由其空腔腔口处往下逐渐变大，活塞空腔为圆管形结构，缓冲帽的最大外径与活塞的空腔内径相等。

缓冲缸缸底设有泄水孔15，该泄水孔将缓冲帽空腔与缓冲缸外部连通。圆台形缓冲帽高度小于或等于活塞空腔深度，同样，可在活塞表面设置辅助泄水的回水槽9。

闸门或拍门闭门撞击运动、缓冲缸内水体压缩，泄水孔泄水，释放能量实现缓冲类同实施例二。与实施例二不同之处在于：当活塞运动行程达到和超过缓冲体后，实施例二为活塞体凸入杯形缓冲帽，本实施例是凸台形缓冲体(即圆台形结构的杯形缓冲帽)凸入活塞空腔，两个压力腔内压力p1和p2变化规律接近实施例二(两个腔分别是缓冲缸内腔以及活塞空腔、缓冲帽空腔形成的一个腔)。

5.实施例五：撞击体带轮柱形撞击体二腔式缓冲器

对照图5，水力自动门水压缓冲器，包括带空腔的缓冲缸1、带有活塞杆2的活塞3(撞击体)，缓冲缸缸口向下，活塞安装于缓冲缸空腔内，所述活塞杆与缓冲缸腔壁之间设有导向体4(即缸盖，导向体为中空圆柱状，其一端设有飞边，飞边置于缸口端部，导向体另一端置于缓冲缸内腔中，可防止活塞滑出)。缓冲缸缸底固定安装有与活塞配合使用的缓冲体，该缓冲体为杯形缓冲帽7，缓冲帽设有空腔8，该空腔腔口与活塞端部相对。

活塞设有空腔10，缓冲帽空腔腔口与活塞空腔腔口相对；缓冲帽为圆台形结构，缓冲帽的外径由其空腔腔口处往下逐渐变大，活塞空腔为圆管形结构，缓冲帽的最大外径与活塞的空腔内径相等。

缓冲缸缸底设有泄水孔15，该泄水孔将缓冲帽空腔与缓冲缸外部连通，活塞杆端部设有滚柱体16。圆台形缓冲帽高度小于或等于活塞空腔深度，同样，可在活塞表面设置辅助泄水的回水槽9。

闸门或拍门闭门撞击运动、缓冲缸内水体压缩，泄水孔泄水，释放能量实现缓冲同实施例四。与实施例四不同之处在于：当用于拍门时，撞击体有周向力存在，这时通过滚柱体转动可避免撞击杆弯曲损坏。

6.实施例六：缓冲缸带转动铰的二腔式缓冲器

对照图6，水力自动门水压缓冲器，包括带空腔的缓冲缸1、带有活塞杆2的活塞3(撞击体)，缓冲缸缸口向下，活塞安装于缓冲缸空腔内，所述活塞杆与缓冲缸腔壁之间设有导向体4(即缸盖，导向体为中空圆柱状，其一端设有飞边，飞边置于缸口端部，导向体另一端置于缓冲缸内腔中，可防止活塞滑出)。缓冲缸缸底固定安装有与活塞配合使用的缓冲体，该缓冲体为杯形缓冲帽7，缓冲帽设有空腔8，该空腔腔口与活塞端部相对。

活塞设有空腔10，缓冲帽空腔腔口与活塞空腔腔口相对；缓冲帽为圆台形结构，缓冲帽的外径由其空腔腔口处往下逐渐变大，活塞空腔为圆管形结构，缓冲帽的最大外径与活塞的空腔内径相等。

缓冲缸缸底设有泄水孔15，该泄水孔将缓冲帽空腔与缓冲缸外部连通，缓冲帽通过转动铰副17与缓冲缸缸底连接。圆台形缓冲帽高度小于或等于活塞空腔深度，同样，可在活塞表面设置辅助泄水的回水槽9。

闸门或拍门闭门撞击运动、缓冲缸内水体压缩，泄水孔泄水，释放能量实现缓冲类同实施例四。当用于拍门时，撞击体有周向力存在，避免撞击杆弯曲损坏的作用同实施例五。与实施例五不同之处在于：缓冲缸底部有转动铰副，避免撞击杆弯曲损坏的作用通过转动铰副实现。

7.应用

本发明缓冲器用于闸门落门运动缓冲：闸门下落为直线运动，快速闭门有较大的撞击力，门底设置水压缓冲器可吸收撞击能量，实现缓冲，避免工程或设备危害。闸门缓冲可用图1、图2、图3、图4中任意一种缓冲器。

本发明缓冲器用于拍门落门运动缓冲：拍门下落运动为旋转运动，拍门在停泵后逆转逆流阶段闭门时必有较大的撞击力，从防撞吸能方面，运用经过设计的图1～图6任意一种缓冲器都能吸收撞击能量，实现缓冲，避免工程或设备危害。

但是，拍门撞击时，撞击体有周向力存在，为避免撞击体受力复杂以至损坏，需要采用如图5在撞击体上加装滚动柱或如图6在缓冲缸底部设置转动铰，作为适宜的方案，应首选采用图5或图6的方案。

8.水压缓冲器内压力计算方法

本发明水压缓冲器的工作机理是闸门或拍门机械能、弹性体变形能、泄水水力能的传递转换。闸门下落运动中，具有动能mv²/2(m：对应于浮重的门体质量，v：运动速度)；拍门闭门旋转运动中，具有动能jω²/2(j：转动惯量，ω：旋转角速度)；闸门或拍门撞击后，缸内弹性体产生压缩变形能p·δv/2(p：内压力，δv：体积变化量)；泄水耗能pqt(p：内压力，q：泄水流量，t：时间)。泵站工程水泵停机后经过正转正流、正转逆流、逆转逆流三个阶段，工作门于第一阶段开始下落，第二阶段或第三阶段开始时闭门。定量计算和判断缓冲效果根据能量平衡原理确定。

对照图1单腔缓冲器，缸内放置弹性体，无泄水孔情况，本发明水压缓冲器缸内最大压力p(pa)由转换到撞击点(活塞杆)的当量力p或门重f(n)和门体运动动能的作用力两部分。转动运动的拍门和下落运动的闸门两种撞击情况缸内最大压力分别为：

p＝p/s+[(p/s)²+e·jω²/v]^1/2(1)

p＝f/s+[(f/s)²+emv²/v]^1/2(2)

式中：v为弹性体体积(m³)，e为弹性体压缩系数(n/m²)。缸内最大压力是定量判定缓冲效果的依据，是提供门铰、门座及承载机构设计的依据。

缓冲器有泄水孔存在并计及水体的压缩性时，缓冲器储水容积内瞬时压力计算公式：

p＝{[(b²-4c)^1/2-b]/2}^1/2(3)

b＝kkfδt/(2v0)，c＝bq0/kf-p0-kδv/v0

式中p：缓冲器内瞬时压力(pa)；δt：时段(s)；δv：缓冲器内水体积瞬时变化量(m³)；p0：缓冲器内δt前瞬时压力(pa)；k：水体压缩系数(kg/m²)，k≈2.04×10⁹pa；kf：流量系数，kf≈f/30，f：泄水孔有效面积(m²)。

对照图2，双腔式缓冲器撞击杆移动距离x≤h1时，活塞面积s＝πd²/4；x>h1时，s1由变大至s2由变小至第一腔和第二腔内压力公式：

p1＝k[δv1-δt(q10+q1)/2]/v10+p10(4)

p2＝k[δv2+δt(q10+q1)/2-δt(q20+q2)/2]/v20+p20(5)

式中：p10、p20：分别为时段初第一腔与第二腔内压力(pa)；q10、q20：分别为时段初第一腔与第二腔泄水流量(m³/s)；q1、q2：分别为计算时段第一腔与第二腔泄水流量(m³/s)；v10、v20：分别为时段初第一腔与第二腔水体体积(m³)；δv1、δv2：分别为计算时段第一腔与第二腔泄水容积(m³)；δt：时段(s)。

本发明除提出闸门及拍门水压缓冲器内压力计算方法，并编制出相应计算软件。给定水力机组、门体特性及工程特征值，给定停泵闭门瞬间运动速度，可以计算求得缸体内压力p或p1、p2，包括最大值及随时间的变化过程。

拍门撞击缓冲器结构设计另有特殊的要求。拍门撞击的短时段内，撞击力除周向量外，尚有径向分量，径向分量造成撞击杆有切向移动。本发明提出两种避免撞击杆切向移动危害：①改撞击杆端部的点接触为滚柱件接触，撞击中，通过滚柱转动消除切向力；②缓冲缸体设转铰，撞击中，通过铰的转动消除切向力。

9.水压缓冲器应用于拍门时其内压力

1)如图7所示，图中参数包括：时间t，单位s；拍门撞击过程中缓冲缸内压力p，单位mpa；拍门转动角速度ω，单位rad/s。图7为单腔式缓冲器，参数既反映瞬间最大值，同时反映撞击过渡过程。计算条件：拍门闭门角速度ω＝2.46rad/s；缓冲器活塞直径d＝0.1m,缓冲缸深h＝0.15m,泄水孔直径0.015m。对照图7，撞击开始后0.03s拍门角速度ω由2.46rad/s降至0.6rad/s；缓冲缸内水压力p停泵后0.003s达到最大值52mpa,0.03s降至5mpa。

2)如图8所示，图中参数包括：时间t，单位s；拍门撞击过程中缓冲缸内压力p，单位mpa；拍门转动角速度ω，单位rad/s。图8为双腔式缓冲器，缓冲缸内水压力包括二腔联合工作时p及各自工作后一腔的p1和二腔的p2。计算条件：拍门闭门角速度ω＝2.27rad/s；对照图2，一腔缓冲缸直径d＝0.12m,活塞直径d0＝0.1192m，缸深0.08m；二腔缸径d2＝0.08m,缸深0.08m；活塞端部直径d1＝0.0795m,根部直径同二腔缸径0,08m,高h2＝0.06m；活塞与缓冲体距离0.02m，泄水孔直径0.01m。对照图8，撞击开始后0.04s拍门角速度ω由2.27rad/s降至0.2rad/s，撞击初始一、二腔相通时0.002s缸内压力p达到最大值27.5mpa；0.009s时二腔压力27mpa，其后急速减小，0.04s后一腔压力小于1mpa，二腔压力小于2mpa。