Lực tác dụng lên gối treo chính là lực kéo cửa. Lực này phụ thuộc vào trọng lượng cửa, áp lực nước, ma sát gioăng, lực hút chân không.. Do đó, cần phan tích các lực và quy tìm ra quy tắc tìm điểm đặt gối xoay cho có lợi nhất.
- Áp lực thuỷ tĩnh
Đối với van hình cung áp lực thuỷ tĩnh tác dụng xuất hiện theo cả thương thẳng đứng và nằm ngang. Do hình dạng khá đặc biệt của nó nên lực thuỷ tĩnh theo đổi trong quá trình vận hành và bằng 0 khi cửa không còn tiếp xúc với nước. Dạng cửa hình cung nên áp lực chính luôn hướng vào tâm quay cửa. Đây là một ưu điểm rất lớn của cửa hình cung so với các loại cửa khác. Bởi vì áp lực nước chỉ ảnh hưởng đến lực kéo cửa qua ma sát ở cụm gối quay cửa.
Áp lực thuỷ tĩnh được chia làm hai phần khi tính toán. Thành phần nằm ngang chin là thể tích khối lăng trụ có chiều cao bằng chiều cao cửa, chiều ngang băng cột áp cao và thấp của cửa.
- Áp lực ngang
Trượng hợp cửa trên mặt:
(3-1)
Trường hợp cửa dưới sâu
- 28-
Trong đó:
: trọng lượng riêng của nước (N/m3) H1: cột áp nước thượng lưu (m) H2: cột áp hạ lưu (m)
Hn: cột áp từ trên mép vật chắn nước ngang đến mặt thoáng thượng lưu (m) Ht: cột áp từ tâm vật chắn nước ngang đến mặt thoáng thượng lưu (m) L: bề rộng cửa (m)
ho: chiều cao vật chắn nước (m)
Thành phần lực thẳng đứng Pv là thành phần phuức tạp, mặc dù về mặt trị số nó không lớn lắm. Tuỳ theo vị trí cửa thành phần này được tính theo các công thức dưới đây. Trong trường hợp tổng quát, thành phần lực thẳng đứng chính là thể tích tính bằng khối lượng nước chiếm chỗ của hình lăng trụ có đáy là phần được tô và chiều cao tương ứng với bề rộng L của cửa.
- Trường hợp tâm quay cửa nằm trên mức nước cao nhất
- 29-
Pv= (3-3)
- Trường hợp tâm quay trùng với mức nước cao nhất
Hình 3-2. Tâm quay bằng ngưỡng trên
Pv= (3-4)
- Trường hợp tâm quay nằm trong giới hạn cột áp lớn nhất, trên trung bình
Hình 3-3. Tâm quay trong giới hạn, phía trên
Pv= (3-5)
- 30-
Hình 3-4. Tâm quay trong giới hạn, phía dưới
Pv= (3-6)
- Trường hợp tâm quay bằng ngưỡng thấp
Hình 3-5. Tâm quay bằng ngưỡng thấp
Pv= (3-7)
- 31-
Hình 3-6. Cửa ở dưới sâu tâm quay trên ngưỡng cao
Pv=
(3-8) - Trường hợp cửa dưới sâu tâm quay bằng ngưỡng cao
Hình 3-7. Cửa dưới sâu tâm quay bằng ngưỡng cao
Pv= (3-9)
- 32-
Hình 3-8. Cửa dưới sâu tâm gần ngưỡng trên
Pv=
(3-10) - Trường hợp cửa dưới sâu tâm quay gần ngưỡng dưới
Hình 3-9. Cửa dưới sâu tâm quay gần ngưỡng dưới
Pv=
(3-11)
- Tổng áp lực nước
- 33- (3-12) (3-12) Về trị số: (3-13) - Góc của lực P với phương ngang: (3-14) - Áp lực thuỷđộng
Áp lực thuỷ động trên van xuất hiện trong toàn bộ quá trình vận hành hay khi nước chảy tràn qua van. áp lực thuỷ động ngang tác động lên cửa van, không tính đến ảnhh hưởng của lực hút chân không, nhỏ hơn áp lực thuỷ tĩnh một chút do tổn thất tạo lưu tốc dòng chảy.
Trong điều kiện không có phòng thí nghiệm mô hình để đo lực thuỷ động có thể lấy bằng áp lực thuỷ tĩnh tại vị trí tương ứng.
Khi cửa van bắt đầu rời khỏi ngưỡng dưới, một thành phần lực hút chân không do lưu tốc sinh ra:
Pa=pa.b. L (3-15)
Trong đó:
Pa: áp suất chân không (60.000 N/m2) b: bề rộng đáy cửa (m)
- Lực đẩy và lực thấm từ ngưỡng đáy
- 34-
Lực đẩy là lực thẳng đứng tác dụng lên mép dưới cửa van cung khi van tiếp xúc với ngưỡng.
Pt = .H1.Br.L (3-17) Lực thấm là lực tác dụng trực tiếp lên diện tích tiếp giáp giữa mặt phẳng dưới của vật chắn nước với ngưỡng. Như vậy, áp lực thấm và lực đẩy rất nhỏ nếu vật chắn nước có dạng nhọn hoặt bề rộng bé.
- Trọng lượng cửa van
Trọng lượng cửa van được xác định từ bản vẽ thiết kế. Bằng một số phuơng pháp có thể tính được chính xác trọng lượng và trọng tâm của cửa van cung. Tuy nhiên, khi thiết kế sơ bộ có thể láy theo công thức Beredilski:
G=0,15F (tấn) (3-18)
F: diện tích cửa van (m2) - Lực bùn cát lắng
Pbc = (3-19)
Trong đó:
: trọng lượng riêng bùn cát lắng (13000 14000 N/m3) hbc: chiều cao lớp bùn cát lắng (m)
ζ: góc nghiêng tự nhiên của bùn cát trong nước (rad) - Lực tải do gió
Pw = F.qw (3-20)
qw: áp lực gió (N/m2) - Lực ma sát cụm gối quay cửa
- 35-
Pr = P.fr (3-21)
fr: hệ số ma sát giữa trục và bạc
- Lực do gioăng hai bên thành tiếp xúc với khe cửa
Pseal = 2. .Hav.La.bs.fs (3-22) Trong đó:
Hav: cột áp trung bình ép vào gioăng (m) La: chiều dài gioăng tiếp xúc với nước (m) bs: bề rộng gioăng tiếp xúc với khe cửa (m) fs: hệ số ma sát giữa gioăng và khe cửa (m) - Lực kéo, hạ và giữ cửa
Lực kéo cửa được tính toán trên cơ sở cân bằng mô men lực kéo cửa với các lực chính. Để đơn giản, khi tính toán chỉ tiến hành tính taons với các lực chính đó là trọng lượng cửa, lực ma sát gioăng, lực hút chân không đáy cửa. Hiểu chỉnh bằng cách thêm các hệ số an toàn bổ sung.
Phương trình mô mem với tâm quay cửa O(0,0)
T.ρ – n1.G.rg – n2.(Pf.rshaft+Pseal.R) – Pa.ra = 0 (3-23) Trong đó:
T: lực kéo cửa (N)
n1: hệ số bổ sung cho độ không chính xác của toạ độ trọng tâm cửa n2: hệ số bổ sung cho các lực phụ
rg: cánh tay đòn lực G đối với tâm quay (m) ra: cánh tay đòn lực Pa đối với tâm quay (m) rshaft: bán kín trục quay cửa (m)
- 36-
- Lực kéo cửa
T = (n1.G.rg+n2 (Pf.rshaft+Pseal.R)+Pa.ra)/ (3-24) Tương tự tính lực hạ cửa, lực giữ cửa.
- Lực hạ cửa
T = (3-25)
- Lực giữ cửa
T = (3-26)