ЗАТВОР ПЛОСКИЙ ПОВЕРХНОСТНЫЙ ВОДОСБРОСНОГО СООРУЖЕНИЯ
FLAT SURFACE GATE OF SPILLWAY STRUCTURE

Изобретение относится к производству гидротехнических сооружений, в которых необходимо иметь регулируемый водовыпуск. Изобретение может найти широкое и эффективное применение для возведения регулируемых водоемов, например, при строительстве водных объектов гидромелиоративных сооружений и очистных канализационных станций.
Известен плоский затвор, включающий закладную раму, обшивку, несущую обшивку балочную клетку, уплотнения и ходовые устройства. Обшивка непосредственно опирается на ригели балочной клетки. Сами ригели опираются на крайние диафрагмы: опорно-концевые стойки, которые передают давление на направляющие рельсы через ходовые устройства. Затраты металла на обшивку весьма велики - около 30% от массы затвора, в то же время масса стрингеров не превышает 8%. Так как толщина обшивки везде одинаковая, то шаг стрингеров определяется условием прочности обшивки. Толщина обшивки в поверхностных затворах принимается не менее 6 мм, а при ширине водопропускного отверстия 10 м и более - не менее 10 мм.
Такие плоские затворы снабжаются мощными приводными механизмами для преодоления собственного веса и сил трения в ходовых частях подъемного механизма. Они широко применяются для гидротехнических сооружений повышенной ответственности: гидроэлектростанции, плотины, судоходные шлюзы и каналы, доки; благодаря простоте конструкции, удобству их обслуживания и ремонта. Стоимость изготовления плоских затворов на (10…15)% меньше стоимости изготовления сегментных затворов, а монтаж дешевле на 30%. [1, с.78]. Существенным недостатком таких затворов является то, что плоский тонкий лист обшивки не в состоянии самостоятельно воспринимать сколько-нибудь значительный напор, поэтому он укрепляется системой горизонтальных и вертикальных конструктивных элементов в виде ригелей, стрингеров, диафрагм, опорно-концевых стоек, обрешетин [2, с.10]. Обрешетины делают непрерывными вдоль всего пролета затвора. Они увеличивают устойчивость сжатой обшивки и повышают ее роль и роль самих обрешетин в работе затвора в целом. Для пропуска обрешетин через диафрагмы в последних вырезают окна.
Наиболее простым плоским затвором является безригельный. Он состоит из закладной рамы и щита, включающего обшивку и ее обвязку в виде двух стоек и одной или двух простейших элементов, например, из уголков. Затвор снабжается боковыми вертикальными уплотнениями из резины P-образного профиля и донным уплотнением из полосовой резины [3, с.144]. P-образные уплотнения характеризуются наибольшим распространением в современном строительстве гидросооружений. Такие профили применяют для горизонтальных и вертикальных уплотнений. Определенным недостатком P-образного профиля является его повышенная жесткость и относительная малая ширина уплотняющей поверхности.
Безригельные затворы широко и эффективно применяются на мелких мелиоративных каналах [3, с.52]. Недостатком известного затвора является то, что щитовая рама изготавливается из швеллеров и входит в пазы закладной рамы [3, с.145, фиг.113], что увеличивает ширину паза закладной рамы на высоту швеллера. Такая конструкция отличается наибольшей удельной металлоемкостью.
Известен более компактный плоский щитовой затвор с минимальной шириной паза в закладной раме, который включает обшивку, несущую обшивку щитовую раму, плоские уплотнения и ходовые устройства. Обшивка затвора опирается непосредственно на уголки щитовой рамы. Такие плоские затворы комплектуются простейшими приводными механизмами, включая ручные. Они широко и эффективно применяются для регулирования потоков жидкости в открытых прямоугольных каналах очистных сооружений, например, канализационных станций [4, с.154]. Такие затворы могут также использоваться в качестве запорного органа несмотря на то, что их конструкция не обеспечивает высокой герметичности. Эти затворы пропускают жидкость в течение короткого времени после их закрытия. По мере засорения всех неплотностей загрязнениями затворы становятся абсолютно герметичными. Существенным недостатком такого затвора является то, что полки уголков, примыкающие к обшивке, направлены во внутреннюю полость щитовой рамы, то есть в сторону от паза закладной рамы [4, с.155, рис.II.56, А-А]. При таком расположении полок рамных уголков не представляется возможным разместить их в пазах закладной рамы, что исключает увеличение толщины обшивки в наиболее нагруженном сечении ее консоли за счет вертикальных полок уголков щитовой рамы. Поэтому требуемая прочность обшивки затвора обеспечивается увеличением ее толщины и постановкой дополнительных ребер жесткости, что приводит к дополнительному расходу легированной стали.
За прототип принимается поверхностный щитовой затвор для водосбросного сооружения, содержащий подъемное устройство, вертикальную закладную раму и плоский щит, включающий стальную щитовую раму с вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости, обшивку в виде листа из легированной стали, вертикальные боковые уплотнения из P-образной резины и донное уплотнение из резиновой полосы [5]. Требуемая жесткость обшивки обеспечивается приваркой ее к ребрам жесткости щитовой рамы. Такие плоские затворы снабжаются простейшими приводными механизмами. Они позволяют снизить объем сварочных работ при их изготовлении, уменьшить расход легированной стали и повысить герметичность резиновых уплотнений.
Обшивка из легированной стали типа Х18Н9, вертикальная P-образная резина, донная резиновая полоса увеличивают расход основных материалов, усложняют конструкцию затвора и технологию его изготовления, а приварка обшивки к элементам щитовой рамы увеличивает расход сварочных материалов и деформацию элементов щитовой рамы.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в достижении минимального расхода основных и сварочных материалов; минимального деформирования щитовой рамы; упрощения конструкции затвора и технологии его изготовления за счет уменьшения разнородности основных материалов, количества деталей и сварочных работ.
Для достижения указанного технического результата в поверхностном щитовом затворе для водосбросного сооружения, содержащем устройство для подъема и опускания затвора, вертикальную закладную раму и плоский щит, включающий стальную щитовую раму с вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости, обшивку, вертикальные боковые уплотнения и донное уплотнение, обшивка стального щита и его уплотнения выполнены в виде цельного швеллерообразного полотна из материала, например резины; донное горизонтальное уплотнение щита выполнено в форме нижнего торца цельного швеллерообразного полотна, а боковые вертикальные уплотнения щита - в форме прямоугольных торцов его вертикальных полок.
Указанные отличия обеспечивают положительный эффект в следующей форме. Использование одного швеллерообразного полотна из неметаллического материала взамен стальной обшивки и двух резиновых уплотнителей металлического щита снижает расход основных и сварочных материалов, величину деформации стального щита, упрощает конструкции затвора и технологии его изготовления из-за уменьшения разнородности основных материалов, количества деталей и сварочных работ.
На Фиг.1 изображен вид предлагаемого затвора со стороны набегающего потока жидкости; на Фиг.2 представлен разрез А-А; Фиг.3 - разрез Б-Б на Фиг.1; на Фиг.4 - изометрический вид затвора.
Затвор содержит вертикальную закладную раму 1, водорегулирующий щит 2 и устройство 3 для его подъема и опускания. Щит 2 включает стальные уголки вертикальные 4 и горизонтальные 5; стальные ребра жесткости вертикальные 6 и горизонтальные 7; неметаллическое швеллерообразное полотно 8 с донным швеллерообразным торцом 9 и с боковыми прямоугольными торцами 10 (Фиг.2) своих вертикальных полок.
Швеллерообразное полотно 8 крепится к щитовой раме 2 с применением горизонтальных планок 11, гнутых вертикальных уголков 12 и болтового крепежа 13. Требуемая прочность швеллерообразного полотна 8 обеспечивается опиранием его на ребра жесткости 6 и 7 щитовой рамы 2.
Предлагаемый затвор работает следующим образом.
Для перекрытия водотока щит 2 опускается на дно водотока с применением устройства 3. Под действием веса щит 2 прижимается своим неметаллическим швеллерообразным торцом 9 к дну водотока, обеспечивая герметичность затвора по донному своему торцу. Под действием перекрываемой жидкости щит 2 прижимается боковыми неметаллическими торцами 10 к полкам швеллеров закладной рамы 1, обеспечивая герметичность затвора по вертикальным боковым стыкам.
c
n
В предлагаемом затворе неметаллическое полотно 8 не в состоянии самостоятельно воспринимать действующие нагрузки, поэтому ребра жесткости 6 и 7, на которые опирается полото 8, подбираются с достаточной жесткостью. В качестве примера приводится приближенный расчет ширины горизонтального ребра жесткости и толщины резинового полотна щита затвора для объекта "Канализование жилой застройки поселка Некрасовка Московской обл.". Жесткость щита высотой 120 см и шириной 108 см предлагается обеспечить тремя горизонтальными ребрами жесткости и двумя вертикальными. Ширина a наиболее нагруженного, нижнего, горизонтального ребра жесткости и толщина a полотна определяются по формулам работы [6]
c
где b - расстояние между горизонтальными ребрами (30 см);
вуд
-6
3
q - удельный вес воды (10*9,81 кН/ см);
с
n
h, h - заглубление нижнего металлического ребра (90 см) и нижней расчетной ячейки полотна (105 см);
с
т
L, L - длина металлического ребра (108 см) и расчетной ячейки полотна (36 см);
с
k - толщина металлического ребра (0,5 см, Фиг.4);
n
2
R - нормативное сопротивление высоколегированной стали Х18Н9, равное пределу текучести (21,58 кН/см) [7];
nn
2
R - нормативное сопротивление материала полотна, равное пределу прочности резиновой пластины ТМКЩ-Т (0,65 кН/см) [8].
2
c
n
Из формул следует, что для затвора с площадью щита (120×108)см ширина a≥46,3 мм, а толщина резинового полотна a≥12,4 мм. Расчет подтверждает целесообразность применения предлагаемого затвора для объектов канализационных и водоочистительных станций.
Отмеченная новизна конструкции затвора обеспечивает экономический эффект по сравнению с прототипом в следующем виде. Использование одного швеллерообразного полотна из неметаллического материала взамен стальной обшивки и двух резиновых уплотнений повышает герметичность затвора и снижает:
- расход дорогостоящей высоколегированной стали типа Х18Н9 на 61,4 кг;
- протяженность сварных швов на 10,8 м;
- расход P-образной резины на 2,4 м.
Источники информации
1. Митюгов Е.А. Металлические конструкции гидросооружений. М: "Архитектура-С", 2006. - 136 с.
2. Бухарцев В.Н. Затворы гидротехнических сооружений. Л.: "ЛПИ", 1983. - 80 с.
3. Отрешко А.И. Инженерные конструкции в гидромелиоративном строительстве. М.: "Сельхозиздат", 1955. - 552 с.
4. Оборудование водопроводно-канализационных сооружений./Под ред. А.С.Москвитина. М.: Стройиздат, 1979. - 430 с.
5. Маришкин А.К. Затвор плоский поверхностный для водосбросного соединения. Патент на изобретение, RU №2 363805 С1, МПК Е02В 7/26. Oпубл.: 10.08.2009. Бюл. №22.
6. Заградский И.И. Поверхностные затвор водосбросных сооружений. Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 88 с.
7. Машиностроительные материалы: Краткий справочник / В.М.Раскатов и др. - М.: Машиностроение, 1980. 511 с.
8. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т1. Под ред. И.Н.Жестковой. - М.: Машиностроение, 2001. - 920 с.