王長江鄭圣義舒劉海（.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 30000 .河海大學(xué) 南京 0098）

淺述水工鋼閘門卷揚(yáng)式啟閉力動態(tài)檢測

王長江1鄭圣義2舒劉海1
（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司 合肥 230000 2.河海大學(xué) 南京 210098）

目前，電阻應(yīng)變片在動態(tài)測試方面的應(yīng)用較多，多見于振動測試方面，在閘門啟閉力方面的應(yīng)用較少。而掛靠在河海大學(xué)的水利部水工金屬結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中心所承擔(dān)的監(jiān)測項目中，有關(guān)于閘門啟閉力的監(jiān)測就用到了電阻應(yīng)變片這一先進(jìn)方法。

動態(tài)測試 電阻應(yīng)變儀 閘門啟閉力

1 啟閉力檢測現(xiàn)狀及發(fā)展

目前水工鋼閘門啟閉機(jī)的使用及維護(hù)一般采用定期和事后檢查、維修等策略，再結(jié)合專家經(jīng)驗和定性分析的方法來確定閘門啟閉機(jī)的維修、更新周期和方案。這種傳統(tǒng)的定性分析方法本質(zhì)上是半經(jīng)驗半理論的，尤其在子結(jié)構(gòu)對設(shè)備整體安全度的貢獻(xiàn)權(quán)重、設(shè)備的現(xiàn)役安全度及壽命預(yù)測方面，其評估結(jié)果受人的因素影響，缺乏足夠充分的理論依據(jù)。

未來的閘門啟閉機(jī)檢測應(yīng)像水利部水工金屬結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測中心所述那樣，完整的、科學(xué)的水工鋼閘門啟閉機(jī)考核內(nèi)容應(yīng)主要包括：靜載考核、動載考核和電氣設(shè)備檢測。靜載考核主要檢測啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)的承載能力；動載考核主要驗證啟閉機(jī)各機(jī)構(gòu)和安全裝置的功能；電氣設(shè)備檢測主要檢測電機(jī)的各項電氣參數(shù)是否滿足安全運(yùn)行要求。

閘門啟閉力檢測主要運(yùn)用動態(tài)測試系統(tǒng)，通過拉壓傳感器或電阻應(yīng)變片測量閘門的實際啟閉力，檢測狀態(tài)應(yīng)盡可能接近設(shè)計狀態(tài)。在無法做到的情況下，則應(yīng)根據(jù)實測數(shù)據(jù)反演計算出閘門在設(shè)計水位下的啟閉力，并與啟閉機(jī)的額定啟閉力相比較，可得到啟閉機(jī)閉閘門的安全系數(shù)，判斷啟閉機(jī)啟閉閘門的可靠程度。

閘門在啟閉過程中的啟閉力是不斷變化的，因此，啟閉力檢測應(yīng)對啟閉閘門全過程的啟閉力進(jìn)行采集，以確定閘門的最大啟門力和最小閉門力。根據(jù)閘門啟閉力的這一特性，采用動態(tài)信號測試系統(tǒng)進(jìn)行啟閉力檢測。

2 檢測儀器及原理

動態(tài)測試閘門啟閉力的儀器是YD-28型動態(tài)電阻應(yīng)變儀。該儀器是一種具有自動平衡功能的動態(tài)電阻應(yīng)變儀，主要用于實驗應(yīng)力分析及動力強(qiáng)度研究中測量結(jié)構(gòu)及材料任意部位變形的動態(tài)應(yīng)變測量。如配用電阻應(yīng)變式傳感器，可以測量力、壓力、扭矩、位移、振幅、速度、加速度等物理變化過程。

電阻應(yīng)變計是用極細(xì)的金屬電阻絲繞成或用金屬箔片印刷腐蝕而成。用粘貼劑將應(yīng)變計牢固地貼在試件上。當(dāng)被測試件在外力作用下，長度發(fā)生相對變化△L/L，粘貼在試件上的電阻應(yīng)變計也相應(yīng)變化，電阻應(yīng)變計的電阻值也發(fā)生了變化△R/R。這樣就把機(jī)械量—變形轉(zhuǎn)換電量—電阻值的變化用靈敏的電阻測量儀器—電橋。測出電阻值的變化△R/R，就可以換算出相應(yīng)的應(yīng)變ε。如果這電橋用應(yīng)變來刻度，就可以直接讀出應(yīng)變，完成了非電量的電測。應(yīng)變儀就是按照該原理進(jìn)行定標(biāo)的，電阻應(yīng)變計的“應(yīng)變效應(yīng)”是指上述機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電量的關(guān)系，用電阻應(yīng)變計的“靈敏系數(shù)”K來表征：

3 閘門啟閉力檢測

3.1 測點布置

閘門啟閉力檢測采用應(yīng)變片法。在啟閉機(jī)減速器輸出軸上，對稱布置兩片可消除溫度影響的自補(bǔ)償雙向電阻應(yīng)變片?，F(xiàn)以某工程閘門檢測結(jié)果為例，具體闡述啟閉機(jī)啟閉力檢測情況。

3.2 檢測工況

該工程閘門采用卷揚(yáng)式啟閉機(jī)（QP-2×450kN），現(xiàn)場根據(jù)閘門和啟閉機(jī)的運(yùn)行狀況，決定對3#、5#、10#、16#閘門進(jìn)行啟閉力檢測。檢測工況如下：

工況一：閘門上下游無水，閘門空載。工況二：

圖1 實測應(yīng)變過程曲線

（1）3#閘門：上游水位23.21m，下游無水，閘門水壓力為10508.7kN；

（2）5#閘門：上游水位23.12m，下游無水，閘門水壓力為10357.4kN；

（3）10#閘門：上游水位23.07m，下游無水，閘門水壓力為10273.8kN；

（4）16#閘門：上游水位23.16m，下游無水，閘門水壓力為10454.5kN。

其中閘門空載狀況時（工況一），3#、5#閘門啟閉力沒有進(jìn)行檢測。

閘門全關(guān)時檢測系統(tǒng)調(diào)零。閘門由全關(guān)開啟到一定開度，停一段時間，再到全關(guān)為一個檢測過程。檢測過程重復(fù)進(jìn)行2～3次。工況一時，閘門的最大開度為10m，工況二時，閘門的最大開度為5m。

3.3 檢測成果與分析

3.3.1 檢測數(shù)據(jù)處理

由于電阻應(yīng)變片布置在傳動軸上，實測數(shù)據(jù)為傳動軸的應(yīng)變值，反映的是啟閉力作用下傳動軸的剪應(yīng)力。為了獲得啟閉力，必須對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

根據(jù)廣義虎克定律，主應(yīng)力與主應(yīng)變的關(guān)系式為：

式中：σ1=τmax，σ2=0，σ3=－τmax（τmax為最大剪應(yīng)力）。

最大剪應(yīng)力：τmax=

由此可求得傳動軸的扭矩Mn：

通過推導(dǎo)可求得啟閉機(jī)單側(cè)卷筒處兩根鋼絲繩總拉力F拉：

式中：F拉—啟閉機(jī)單側(cè)卷筒處兩根鋼絲繩總拉力kN；

ε—單側(cè)傳動軸與軸線成45°方向的應(yīng)變值；

E—彈性模量（E=2.06×105MPa）；

表1 實測最大（最小）應(yīng)變值和對應(yīng)啟閉力

μ—泊松比（μ=0.3）；

Wn—抗扭截面模量MPa；

d—傳動軸直徑（d=0.18m）；

Z1—開式大齒輪齒數(shù)（77個）；

Z2—開式小齒輪齒數(shù)（16個）；

r—卷筒半徑（r=0.5m）；

η開式齒輪—開式齒輪傳動效率，取0.93；

η卷筒—卷筒傳動效率，取0.95。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以求得兩根鋼絲繩總拉力F拉與應(yīng)變的關(guān)系式：

3.3.2 檢測成果計算與分析

根據(jù)實測最大（最?。?yīng)變值，利用式（2），可以得到實測最大啟門力和最小閉門力的計算結(jié)果，列于表1，實測應(yīng)變過程曲線如圖1。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以知道：

（1）在實測水位下，3#、5#、10#和16#閘門實測最大啟門力分別為775.8kN、776.9kN、734.3kN和721.0kN，均小于啟閉機(jī)的額定容量（2×450kN）。

（2）在實測水位下，3#、5#、10#和16#閘門實測最小閉門力分別為-412.7kN、-366.6kN、-392.8kN和-427.9kN，閘門能依靠自重關(guān)閉。

4 總結(jié)

該測試方法比較科學(xué)，加之先進(jìn)的應(yīng)變儀，使得測試結(jié)果比較準(zhǔn)確。唯一的不足之處就是測試過程中所測的測點較少，使得測試結(jié)果的普遍性較差，同時所得數(shù)據(jù)所反映的力的類型也很有局限（剪力，彎矩等）。以后應(yīng)加深對多測點的研究與計算，使結(jié)果更具普遍性與科學(xué)性