[中配]掌握溢流閘門的工作原理

在明尼蘇達州 明尼阿波利斯市的新藏地帶 密西西比河上 坐落着 如畫的 上聖安東尼瀑布水閘 安東尼瀑布閘門和大壩 最早於1937年 使得人們能夠在河流中 向上遊經過瀑布 這是一座著名的建築 歷史悠久 此外還有一個引人注目的 溢流閘門 及其下方的銷囊池 可以保護底層的沙岩 免受侵蝕 不過稍微不那麼知名 且風景較少的一座大壩 奇怪的是 雖然下游的大壩 和上游的大壩 都位於密西西比河的同一端 面臨相同的環境和洪水 但下游大壩的溢流口寬度 卻不到上游大壩的一半 這部分是因爲 和上游的兄弟相比 下聖安東尼瀑布水閘不同 聖安東尼瀑布大壩 配備了閘門 能夠更好的控制和調節 水流通過大壩的能力 實際上 世界各地的大壩 都使用閘門 在我看來 這個藍色星球上 幾乎沒有什麼 比水利基礎設施 更讓人着迷的了 而且 我一直想爲店裏 買一臺3D打印機 所以我把亞克力水槽拿出來 往水裏加了一些閃光粉 我還打印了幾種類型的閘門 這樣我們可以看看它們的運行 討論它們背後的工程原理 並比較它們的優缺點 我甚至設計了一種閘門 幾乎不需要額外力量 就可以自行升降 但這種特定類型的閘門 在2019年成名 所以我們也會談談這方面 我叫格雷迪 這是實用工廠 在今天的節目中 我們將討論一流閘門 幾乎所有的大壩 都需要一種方法 在水庫滿時 釋放多餘的水 如果你曾試着 在小溪或水道上 修建一個水壩 你就會知道 即使是少量流動的水 也有多麼強大的力量 現代一流閘門 往往是大壩中 最複雜的部分 因爲流動速度很高 如果管理不當 快速流動的水 可以迅速撕裂大壩 2017年奧羅威爾水壩的 嚴重損毀 就是一個鮮明的例子 儘管許多大壩 使用不受控制的一流道 當水庫水位 上升到一定程度時 水會自然流過 但有閘門的一流道 提供了更好的水流控制 因此可以讓我們建造更小 更具成本效益的結構 歷史上和世界各地 有無數種機械裝置 用於管理水流 但現代工程 以整合爲幾種 不同類型閘門的變體 最簡單的一種 是頂部有鉸鏈葉片的一流閘 貫閘的一個主要優點是 冰和雜物可以直接流過頂部 因爲流動沒有任何阻礙 一流閘的另一個優點是 它們可以很好的控制上游水位 因爲它們的頂部是可調節的 就像一個雁 因此您會經常看到 閘門用於那些需要將上游水位 保持在狹窄範圍內的大壩上 例如在聖安東尼奧 我們有市中心的河濱步道 如果水位太低 就不會很有吸引力 而如果水位太高 就會溢出人行道 淹沒所有的餐廳 所以聖安東尼奧市中心 大多數管理水流的水壩 使用的都是像這樣的 鋼製一流閘門 就在我附近的長腳壩 曾稱爲城鎮湖 位於奧斯汀市中心 長腳壩有垂直升降閘門 用於應對大洪水 但處理日常水流的壩 中央閘門是一流閘門 最後控制亞利桑那州 坦佩市鎮湖的水壩 使用了一系列 在洪水期間下放的頂閘 閘門通過某種地架連接 可以根據需要升降葉片 大多數使用像坦佩市湖大壩 那樣的葉壓缸 這裏的這些設備 實際上使用一個大螺母 固定在一根長龍杆上 就像一些汽車配備的 應急千斤頂 你可能會注意到 我用一個帶金屬鉤的實習生 來開合模型的閘門 但大多數實習生 實際上並沒有足夠的力量 來支撐真正大壩上的閘門 實際上閘門的一個主要缺點是 操作人員 無論是葉壓缸 還是其他裝置 不僅要管理閘門自身的重量 還要應對門後水的進水壓力 而這種壓力可能是巨大的 讓我們做一些簡單的娛樂數學 來說明我的意思 坦佩鎮湖的閘門長32米 約合106英尺 高6.4米 約合21英尺 如果上游水位 達到這些閘門的底部 那麼意味着閘門上的平均水壓 大約是每平方英寸4.58 或者大約每平方米3100牛頓 聽起來似乎不算太多 但當你把這麼大一扇門的 所有平方英寸和平方米 加總起來時 得到的總力幾乎達到150萬磅 也就是66萬公斤 那幾乎相當於兩架載滿貨物的 747的重量 順便說一下 坦佩鎮湖有8個這樣的閘門 支撐它們的液壓缸 必須全天候承受這些巨大的力量 這對液壓或電機械系統來說 要求很高 特別是因爲當頂閘的操作系統 發生故障時 重力和進水壓力 往往會將閘門推開導致水流出 從而可能在下游造成危險情況 下一種液流閘門解決了其中一些問題 輻射閘門也稱爲曲軸閘門 採用曲面與朝下游收斂的支撐結構連接 支撐結構的轉動腳鏈稱爲軸承 一臺提升機通過一組鏈條或電纜提升閘門 水流則在其下方流動 我的模型是由塑料製作的 這意味着它由於摩擦能夠保持在原位 但全尺寸的輻射閘門足夠重 可以在自身重力的作用下閉合 這很好 因爲與大多數頂部閘門不同 如果提升機發生故障 閘門會關閉 升降機主要是用來升起閘門自身的重量 而消軸則承受着被擋住的水的進水壓力 這些特點使得弧形閘門如此可靠 以至於它們被廣泛應用於世界各地大壩的 大多數閘門液流口 如果你去參觀一座大壩 或者看到翱翔的航拍鏡頭捕捉到雄偉湍流的液洪道 那麼水流很可能是在一個輻射閘門下方流動的 承受所有壓力並允許閘門旋轉的並軸 是一個相當令人印象深刻的工程作品 我的意思是它是一個大金屬銷 但將這個銷固定在大壩其餘部分的毛固裝置 相當令人印象深刻 水壓垂直作用於表面 隨水淨壓力通過這個銷釘 直接作用於淨向閘門 這減輕了掉機的壓力 實現了低摩擦運動 並不是完全沒有摩擦 事實上 許多老式淨向閘門的設計 忽視了角軸內部的摩擦力 因此後來需要進行改造 我在之前的視頻中提到過 加利福尼亞的福爾索姆大壩的故事 那座在1995年災難來臨之前 沒能幸運地進行結構改造 操作人員在試圖抬起其中一扇閘門 以便通過泄洪道釋放水流時 支架發生了彎曲 導致一波水流湧向下游 在他們關閉因閘門失效而產生的開口時 福爾森水庫已經半空 他們是怎麼做到的 停止閘幕 另一個你可能在世界上 大多數大型水壩中看到的特徵 就像所有可能在故障中導致危險狀況 和巨大的損害的機械設備一樣 溢洪道閘門需要定期檢查和維護 在它們被淹沒時 這很難做到 檢查是可以的 但在水下塗漆是很困難的 實際上在乾燥環境下 進行大多數類型的維護 要簡單 安全 所以我們在閘門上加了閘門 通常這些結構較爲簡單 僅僅是適合安裝在主閘門上游草口的糧物 直水板通常無法在流動水中安裝 僅作爲臨時措施 用於爲主閘門的檢查或維護排水 我在我的模型上添加了一些直水板插槽 這樣你就可以看到它是如何運作的 我可以一個一個將直水板放入槽中 直到它們達到水庫水位 然後把閘門打開 空間就排水了 你可以看到直水板仍然有一些漏水 但這很正常 而且這些漏水很容易被引流走 現在最重要的是閘門的上游面是乾的 因此可以進行檢查清潔維修或重塗 如果你仔細觀察 不只是我的模型直水板漏水 閘門也會漏水 實際上所有的易虹道閘門 至少都會有一點漏水 通常這不是大問題 但我們不能讓它們漏太多 畢竟如果閘門不能擋住水 那它存在的意義就不大了 一流閘門上的鋼質部件 不會直接與一流的混凝土表面接觸 相反 它們配備了巨大的橡膠密封條 可以在嵌入混凝土中的鋼板上滑動 甚至這些密封件也蘊含了很多工程設計 我不會給你不完整的液壓實驗室報告 第323號 鏡像閘門密封測試 或者美國的內容工程兵團一流閘門設計手冊 不過可以說的是 多年來我們嘗試了很多不同的方法 來保持閘門的防水性 如今大部分技術已經趨近於科學 大多數閘門使用J型燈泡密封 其方向使得上游的水壓 將密封件壓緊在埋入板上 從而使閘門更具防水性 不同形狀的橡膠密封圈 可以在不同的位置使用 以便所有部件之間可以自由移動 而不會讓不該漏水的地方滲水 事實上 還有一種我想分享的一流閘門 雄甲閘門與頂閘門相似 底部有一個鉸鏈葉片 但雄甲閘門採用兩個重疊的鉸鏈葉片 開啓和關閉的方式完全不同 雄甲閘門的原理在於 你可以在兩個葉片之間創建一個加壓的槍室 如果你從上游將水引入這個槍室 產生的壓力將會扶起底部的葉片向上推 那反過來又抬起了上葉 隨着閘門抬起 上游水位上升 增大了閘門之間槍室內的壓力 這兩片葉子通常以一種方式連接 在完全打開後可以相互鎖定 爲了降低閘門 關閉通往上游水體的通道 讓水從槍體中流向下游 從而減輕下葉片上的向上壓力 使其慢慢回落到原始位置 理論上聽起來簡單 但在實際操作中要做到這一點其實很難 如果我在上游側打開這個閥門 就會讓這個槍體承受上游的水壓 在理想條件下 若沒有摩擦並且密封良好 這將產生足夠的壓力來抬起兩個葉片 實際上這需要一點來自石器繩掛鉤的幫助 但是你可以看到隨着上游水位的上升 下葉也會浮起 當閘門完全打開時 閘半會互鎖在一起自我支撐 一些舊的雄甲閘門 利用槍室中的氣壓爲閘門上升 提供了些許助力 我在我的模型中嘗試過 效果非常好 我嘗試了幾次 終於找到了需要施加的壓力 不過不僅僅是我的模型 雄甲門難弄 儘管這種系統在上下閘門時 不需要任何顯著的外力便帶來了巨大的好處 但它從未被廣泛使用過 這兩片葉子之間的槍室 是沉積淤泥和沙子的理想場所 它們的檢查和維護也相當困難 因爲需要排幹整個室內的水 並重新引導水流 而且由於它們並未被廣泛使用 因此從未出現過現成的組件 所以每當需要修理某樣東西時 都是定製工作 2019年 德克薩斯州辛布朗費爾斯附近的 鄧拉普大壩有一座閘門完全崩潰 世界見證了維護舊雄陷阱閘門 所面臨的相當嚴峻的挑戰 這座大壩是1930年代 在瓜達盧沛河上建造的五座大壩之一 旨在爲該地區提供水電 但在接下來的近一個世紀裏 電力變得便宜了很多 而更換舊大壩則變得更加昂貴 由於大壩的建造沒有考慮到維護 檢查閘門鋼鉸鏈的狀況幾乎不可能 然而這種缺乏監控 在2019年5月14日的早晨 讓大壩的所有者付出了代價 當時大壩的安全攝像頭拍下了 其中一個閘門鋼鏈的戲劇性動作 大壩後面的湖泊迅速排空 引發了一連串的法律爭鬥 其中一些至今仍在進行 幸運的是 這次故障沒有造成人員受傷 最終湖上游的業主們團結起來 自我徵稅 重建了這座建築 目前這一任務在三年後幾乎已經完成 當然這個迷人的故事 還有很多更深刻的內容 但它很好地提醒了我們 利弘道閘門在我們生活中的重要性 以及如果忽視水利基礎設施 可能會出現的問題 如果你不理會剃鬚 而不適合留鬍子的話 這裏是可能出現的問題 我的新年願望是不嘗試留鬍子 我覺得這也可能是我妻子的願望 去年Tenson提出贊助一集 我告訴他我想先試試這個剃鬚刀 所以他們給我寄了一把 我確實試用了 而且我根本不知道 我以前的剃鬚刀現在在哪裏 因爲在那之後 我再也沒用過它 Tenson剃鬚刀源自於一家機 加工廠在疫情放緩期間 轉向飛航空零件的變化 這點顯而易見 這真是一件工藝品 問題是 新的剃鬚刀會改變你的生活嗎 可能不是 但刮鬍子對我們大多數人來說 是一項繁瑣的日常瑣事 使用一款精密工具 至少對我來說 讓這項工作變得不那麼單調 反而成爲我一天中 一個我期待的小環節 在此之前 我從未使用過安全剃鬚刀 但我發現它更易於使用 因爲它不會堵塞刀片的 整個寬度都有支撐 更不容易造成剃刀燒 我也覺得 70美元買剃鬚刀有點貴 直到我算了一下 我在更換剃鬚刀片上的花費 才意識到對大多數人來說 這款剃鬚刀 在一年內就能省回本錢 Tenson剃鬚刀的刀片非常便宜 你完全可以每次刮鬍子 都換上新的刀片 依然能省錢 實際上 如果你現在去買一把剃鬚刀 把100片刀片放進購物車 並在結賬時使用我的代碼 這些刀片我來買 而且100片刀片可以用很久 這沒有訂閱服務或月費 只是一把我非常喜歡的酷剃鬚刀 我相信你也會喜歡 再次強調 結賬時使用我的代碼 PRACTICALENGINEERING 來支持頻道 並獲得100片刀片由我提供 謝謝觀看 請告訴我你的想法