郝楠楠 韓 剛 滕 楷

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省發(fā)展規(guī)劃研究院，浙江 杭州 310012)

弧形閘門是水利水電工程的關(guān)鍵設(shè)備之一,它綜合集成了機(jī)械、電氣、液壓，是一套復(fù)雜綜合機(jī)電系統(tǒng)。它的安全穩(wěn)定運(yùn)行對水利水電工程主體作用的發(fā)揮和下游人民的生命財產(chǎn)安全至關(guān)重要?；⌒伍l門大多長期處于擋水工況中，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障監(jiān)測難度大、故障特征信號較難處理、故障診斷難等特點(diǎn)，單一系統(tǒng)或關(guān)鍵部件的故障都會對系統(tǒng)整體產(chǎn)生較大影響[1]。為了減少和避免突發(fā)事故造成的安全隱患，需要對弧形閘門整體進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，及時有效識別關(guān)鍵部件的故障特征信號，分析其演化過程，制定維修策略，實現(xiàn)由“事后維修”到“全壽命周期監(jiān)測”的轉(zhuǎn)變。因此，建立一套弧形閘門實時在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，對閘門安全運(yùn)行和功能的發(fā)揮具有重要意義[2]。

本文首先研究弧形閘門的系統(tǒng)組成，提出一套弧形閘門實時在線監(jiān)測系統(tǒng)方案，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了故障診斷技術(shù)在整個系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 弧形閘門的系統(tǒng)組成

1.1 弧形閘門關(guān)鍵部件

弧形閘門系統(tǒng)由閘門門體、預(yù)埋支撐構(gòu)件及液壓啟閉設(shè)備構(gòu)成?；⌒伍l門具有啟閉省力、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、閘墩的厚度較小、水力動力學(xué)條件較好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種類型的水利水電工程中。閘門本體由轉(zhuǎn)動門葉、弧門支臂、支鉸中心和阻水封裝等部分組成，并配套建設(shè)相應(yīng)的檢修平臺。預(yù)埋構(gòu)件包括側(cè)軌、底檻、頂楣和固定支鉸座承重部分，一般均埋入混凝土內(nèi)，起到配合止水和承力作用。啟閉設(shè)備主要為液壓啟閉機(jī)，是閘門啟閉的控制中樞，適應(yīng)不同工況運(yùn)行?；⌒伍l門的系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 弧形閘門的系統(tǒng)組成

1.2 弧形閘門液壓啟閉機(jī)

液壓啟閉機(jī)為弧形閘門啟閉的動力裝置和控制裝置，主要由液壓泵、液壓閥、液壓缸、油箱和附件等關(guān)鍵部件構(gòu)成(見圖2)。

圖2 液壓啟閉機(jī)系統(tǒng)組成

液壓啟閉機(jī)的主要工作原理：通過控制電機(jī)作用于液壓泵，進(jìn)而產(chǎn)生液壓能，形成“電—機(jī)—液”的動力傳遞。在液壓系統(tǒng)的控制下，液壓缸內(nèi)的活塞體內(nèi)壁做軸向往復(fù)運(yùn)動，從而帶動連接在活塞上的連桿和閘門做直線運(yùn)動，以達(dá)到閘門開啟和關(guān)閉，具有轉(zhuǎn)動靈活、行程準(zhǔn)確、工作平穩(wěn)、能有效吸收外負(fù)載力等優(yōu)點(diǎn)，可實現(xiàn)液壓流量控制、無級調(diào)速等功能。

液壓啟閉機(jī)的調(diào)節(jié)控制裝置是液壓控制閥組，主要包括節(jié)流閥、換向閥、限壓閥和溢流閥等元件。通過對液壓油的流量、方向和壓力等進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的各種功能。液壓啟閉機(jī)的控制閥大多為標(biāo)準(zhǔn)元件，而且大部分采用插裝技術(shù)。插裝閥組具有機(jī)構(gòu)緊湊、密封度好、綜合集成度較高、噪聲低等特點(diǎn)。但液壓閥組的故障監(jiān)測、運(yùn)行維修和故障元件更換較為困難[4]。

2 弧形閘門在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

弧形閘門正常運(yùn)行過程中，閘門的門體、主梁、邊梁、支臂等部位都將承受一定的應(yīng)力。由于長期處于擋水工況，弧形閘門的支臂會受到水流的動力沖擊，產(chǎn)生流激振動；通過監(jiān)測閘門的運(yùn)行姿態(tài)，可以實時觀測其具體運(yùn)行情況，并及時作出調(diào)整。對支鉸軸的實時運(yùn)行扭矩進(jìn)行監(jiān)測，并對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行安全評估，從而實現(xiàn)弧形閘門的安全可靠運(yùn)行。建立液壓啟閉機(jī)綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對其壓力、液位、流量、溫度、油缸開度儀參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測。同時，對系統(tǒng)壓力高低報警、油箱溫度高低報警、油缸各腔室壓力高低報警、濾油器堵塞報警和限位開關(guān)等反饋信號進(jìn)行數(shù)字化處理，對整個設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字孿生映射，從而實現(xiàn)控制設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

弧形閘門實時在線監(jiān)測包括靜應(yīng)力實時在線監(jiān)測、動應(yīng)力實時在線監(jiān)測、振動響應(yīng)實時在線監(jiān)測、運(yùn)行姿態(tài)實時在線監(jiān)測、支鉸軸承扭矩狀態(tài)在線監(jiān)測、液壓啟閉機(jī)綜合狀態(tài)在線監(jiān)測。

2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

弧形閘門實時在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該能夠?qū)ζ渲饕Y(jié)構(gòu)部件的靜應(yīng)力、動應(yīng)力、振動響應(yīng)、運(yùn)行姿態(tài)、支鉸軸承扭矩和摩擦信號、液壓啟閉機(jī)綜合運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)預(yù)處理和簡單分析。在此基礎(chǔ)上，提出響應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)策略，確保閘門的安全可靠運(yùn)行。監(jiān)測系統(tǒng)方案見表1。

表1 弧形閘門在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

3 故障診斷技術(shù)在弧形閘門運(yùn)行中的應(yīng)用

基于弧形閘門在線監(jiān)測系統(tǒng)方案，可以實現(xiàn)對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全壽命周期管理，及時掌握其運(yùn)行潛在故障，并做出相應(yīng)的維護(hù)方案。整套在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的信號分為模擬量和開關(guān)量，通過建立特征信號與故障類型的映射關(guān)系，實現(xiàn)對關(guān)鍵部件的故障診斷。

3.1 應(yīng)力監(jiān)測診斷

在閘門不同工況運(yùn)行過程中，閘門面板、主梁、支臂等關(guān)鍵部件都會承受一定的應(yīng)力作用。通過設(shè)定應(yīng)力的閾值范圍，實現(xiàn)對構(gòu)件的應(yīng)力變化和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有效監(jiān)測。

3.2 流激振動監(jiān)測診斷

通過對弧形閘門支臂的流激振動信號進(jìn)行時域和頻域分析，設(shè)定閾值邊界，以此評定閘門啟閉過程的流激振動安全性。

3.3 運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測診斷

監(jiān)測閘門運(yùn)行傾角的變化，可以實時判斷運(yùn)行姿態(tài)，及時采取有效應(yīng)對措施。

3.4 支鉸軸監(jiān)測診斷

支鉸軸的安全狀態(tài)對閘門安全可靠運(yùn)行至關(guān)重要，對支鉸軸的運(yùn)行扭矩進(jìn)行實時監(jiān)測，分析支鉸軸的摩擦信號，進(jìn)行特征提取，建立相關(guān)模型，評估其潛在風(fēng)險，為弧形閘門的正常運(yùn)作提供保障。

3.5 液壓啟閉機(jī)綜合監(jiān)測診斷

通過對其壓力、液位、流量、溫度、油缸開度儀參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測，同時對系統(tǒng)壓力高低報警、油箱溫度高低報警、油缸各腔室壓力高低報警、濾油器堵塞報警和限位開關(guān)等反饋信號進(jìn)行數(shù)字化處理，對整個設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字孿生映射，實現(xiàn)液壓啟閉機(jī)綜合監(jiān)測診斷。

弧形閘門在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)(見圖3)具有以下功能：在線監(jiān)測關(guān)鍵部件的應(yīng)力和振動及運(yùn)行姿態(tài)等狀態(tài)信息；閾值報警參數(shù)設(shè)置功能；溫度和振動等關(guān)鍵信號參數(shù)趨勢分析；故障錄波功能以便于故障分析；運(yùn)行狀態(tài)實時數(shù)據(jù)顯示和數(shù)字孿生三維映射顯示功能；液壓啟閉機(jī)溫度與壓力融合監(jiān)測診斷功能；人工智能故障診斷功能；振動時域信號分析功能；頻譜信號分析功能；信號突變點(diǎn)分析功能；報表生成與打??；網(wǎng)絡(luò)通信傳輸功能。

圖3 弧形閘門在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

4 結(jié) 語

對弧形閘門系統(tǒng)整體進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷至關(guān)重要。本文在詳細(xì)介紹弧形閘門的結(jié)構(gòu)組成基礎(chǔ)上，分析了關(guān)鍵部件的監(jiān)測方法，提出了一套弧形閘門實時在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，可實現(xiàn)弧形閘門實時遠(yuǎn)程化監(jiān)測及全壽命周期管理，減少人力成本與誤判，提高閘門科學(xué)管理水平，為弧形閘門的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠的保障。