舒劉海，劉鵬鵬

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽合肥，230601）

水利水電工程中，平面鋼閘門布置緊湊，制造較易，被廣泛用于水利水電工程的泄水系統(tǒng)、引水發(fā)電系統(tǒng)、灌溉系統(tǒng)、航運(yùn)系統(tǒng)等。中國(guó)水利工程使用最早、最多的閘門是平面閘門，目前已普遍采用焊接鋼閘門，其設(shè)計(jì)、制造、安裝及運(yùn)用等諸方面均已達(dá)到世界先進(jìn)水平。

因啟閉力大、局部開(kāi)啟條件差、有門槽等缺點(diǎn)，平面閘門的應(yīng)用受到了一定限制，但平面鋼閘門是必不可少的閘門型式（事故檢修閘門都采用平面閘門），對(duì)平面閘門進(jìn)行研究是必要的。而當(dāng)前一些工程的管理仍相對(duì)落后，采用大量人工排查隱患，這必然存在工作量大、效率低等缺點(diǎn)，與現(xiàn)在提倡的智能化發(fā)展相左。筆者探討通過(guò)布置合適的傳感器監(jiān)測(cè)閘門運(yùn)行過(guò)程實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。

1 有限元分析

對(duì)某閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，為確定傳感器布置位置提供參考。

1.1 平面鋼閘門全關(guān)擋水靜應(yīng)力分析

基本參數(shù)如下：門孔口高3 m，寬5.5 m。上游設(shè)計(jì)水頭5.60 m，下游無(wú)水。

平面閘門計(jì)算采用三維有限元。為方便有限元建模，先在三維建模軟件CREO中建立幾何模型，再導(dǎo)入Ansys Workbench中。

建立空間直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)在閘門底部，x軸沿主梁方向向右，z軸垂直向下，y軸指向上游。

閘門全關(guān)狀態(tài)下，邊界和約束條件兩側(cè)主輪軸外側(cè)約束y方向位移，側(cè)輪約束x方向位移，底部與地面接觸約束z方向位移，啟閉設(shè)備不受力。當(dāng)受靜水壓時(shí)，水壓施加在面板上。

圖1 閘門整體變形位移Fig.1 The deformation and displacement of the gate

閘門整體中間變形明顯，兩側(cè)變形逐漸減小，且越往底部變形越大，原因在于此門垂直水流方向形如簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，兩端簡(jiǎn)單支撐，中間受靜水壓的作用，隨著水深增加，水壓越大，且越往中間對(duì)稱面位置，閘門產(chǎn)生的撓度位移越大，最大變形位移在底部梁格內(nèi)，為1.036 3 mm。

圖2 閘門整體應(yīng)力分布Fig.2 Distribution of stress on the gate

面板整體應(yīng)力分布較均勻，中部稍偏下位置應(yīng)力較大。三個(gè)主梁腹板中，應(yīng)力較大的是下主梁腹板，且三個(gè)主梁腹板應(yīng)力較大位置均出現(xiàn)在與內(nèi)邊梁腹板交叉部位，邊梁應(yīng)力較大部位集中在上下定輪軸孔附近。下主梁后翼緣處應(yīng)力較大，中主梁后翼緣次之。應(yīng)力最大位置在下主橫梁后翼緣靠近邊梁位置，其值為86.187 MPa。

1.2 模態(tài)分析

閘門振動(dòng)也是一個(gè)較為突出的問(wèn)題，從數(shù)值分析方面對(duì)閘門模態(tài)進(jìn)行分析。

模擬計(jì)算出的平面鋼閘門結(jié)構(gòu)有無(wú)限多階模態(tài)，即閘門結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)與模態(tài)振型有無(wú)限多階，但是對(duì)實(shí)際工程起指導(dǎo)性作用的僅為前幾階模態(tài)參數(shù)與模態(tài)振型。筆者只提取平面鋼閘門在不同工況下的前五階模態(tài)參量，見(jiàn)圖3～7及表1。

圖3 全關(guān)擋水一階振型Fig.3 First order vibration mode as water retaining with gate fully closed

圖4 全關(guān)擋水二階振型Fig.4 Second order vibration mode as water retaining with gate fully closed

圖5 全關(guān)擋水三階振型Fig.5 Third order vibration mode as water retaining with gate fully closed

圖6 全關(guān)擋水四階振型Fig.6 Fourth order vibration mode as water retaining with gate fully closed

圖7 全關(guān)擋水五階振型Fig.7 Fifth order vibration mode as water retaining with gate fully closed

表1 閘門有水關(guān)閉自由振動(dòng)特點(diǎn)Table 1 Characteristics of free vibration when the gate is closed with water pressure

2 平面閘門實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)有限元分析結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)[1]，強(qiáng)度破壞、結(jié)構(gòu)變形、振動(dòng)破壞、動(dòng)力失穩(wěn)均是水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備失事破壞的主要形式，都由應(yīng)力過(guò)大、共振、門體失穩(wěn)卡阻等問(wèn)題引發(fā)。針對(duì)事故產(chǎn)生的可能原因，設(shè)計(jì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方法，從主要部位的應(yīng)力狀況、振動(dòng)情況、運(yùn)行姿態(tài)和定輪運(yùn)行狀態(tài)等方面入手，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。

平面鋼閘門實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)物理層次上分為三層：傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊和工作站。傳感器采集測(cè)點(diǎn)位置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將非電信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)傳輸至下一單元；數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再傳輸?shù)焦ぷ髡荆还ぷ髡緦?duì)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，判斷運(yùn)行情況是否正常，對(duì)超過(guò)預(yù)設(shè)數(shù)值的數(shù)據(jù)給予報(bào)警反饋。

圖8 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)原理圖Fig.8 Working principles of the real-time online monitoring system

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置設(shè)計(jì)

各傳感器位置布置見(jiàn)圖9。

2.1.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置設(shè)計(jì)

應(yīng)力監(jiān)測(cè)包括對(duì)構(gòu)件靜應(yīng)力和動(dòng)應(yīng)力的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。閘門運(yùn)行中許多構(gòu)件都會(huì)承受一定的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超出構(gòu)件允許范圍，就會(huì)使閘門失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)給閘門帶來(lái)不可逆的損壞。因此，應(yīng)對(duì)閘門應(yīng)力較大區(qū)域和關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如主梁、面板、支臂、吊耳等，然后根據(jù)實(shí)際測(cè)出的工作應(yīng)力值進(jìn)行解析，從而得到靜應(yīng)力值和動(dòng)應(yīng)力值，并在應(yīng)力值超標(biāo)時(shí)發(fā)出預(yù)警和報(bào)警。

為了更好地發(fā)揮在線監(jiān)測(cè)功能，傳感器防水、溫度補(bǔ)償?shù)榷际腔A(chǔ)要求，此外還要注意傳感器靈敏度和刷新率。

表2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置表Table 2 Locations of the points for stress monitoring

2.1.2 激流振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置設(shè)計(jì)

在閘門不同位置安裝加速度傳感器，閘門在受到水流沖擊及開(kāi)閉時(shí)，加速度傳感器可以采集到不同位置的振動(dòng)數(shù)據(jù)，再將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)處理器濾波、降噪、平均、回歸，實(shí)時(shí)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，并在振動(dòng)位移超標(biāo)和振動(dòng)頻率接近固有頻率時(shí)預(yù)警和報(bào)警。

依據(jù)Q/MA61UHLTX·002-2017《水工金屬結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采納公式logA＜3.14-1.16 logf，判斷閘門結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性和安全性。其中A為振動(dòng)幅值，f為振動(dòng)頻率。根據(jù)度汛過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到A-f曲線圖，判斷閘門振動(dòng)響應(yīng)的振幅、頻率是否滿足公式要求，當(dāng)不滿足公式關(guān)系時(shí)，表明閘門的振動(dòng)特性狀態(tài)不良，應(yīng)當(dāng)及時(shí)預(yù)警、報(bào)警。

依據(jù)Q/MA61UHLTX·002-2017《水工金屬結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則》，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采納美國(guó)阿肯色河通航樞紐管理局“振動(dòng)構(gòu)件平均位移劃分振動(dòng)危害的判別標(biāo)準(zhǔn)”，采取“中等危害”、“嚴(yán)重危害”的指標(biāo)作為ROMS系統(tǒng)的預(yù)警、報(bào)警閾值。振動(dòng)構(gòu)件平均位移劃分與振動(dòng)危害程度的判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 振動(dòng)構(gòu)件平均位移劃分振動(dòng)危害的判別標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Classification of vibration hazards by average displacement of vibrating components

閘門啟閉過(guò)程中，分析計(jì)算實(shí)測(cè)的流激振動(dòng)數(shù)據(jù)后，得到振動(dòng)位移的振幅時(shí)域曲線，通過(guò)對(duì)振幅時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化判斷，顯示預(yù)警、報(bào)警的頻次和時(shí)段。三向加速度測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)表4。

表4 三向加速度測(cè)點(diǎn)位置表Table 4 Locations of the points for monitoring of acceleration in 3 directions

要注意傳感器靈敏度和刷新率，太低的靈敏度肯定監(jiān)測(cè)不到較低頻率和較小振幅的振動(dòng)，較低的刷新率可能漏檢短促振動(dòng)。

2.1.3 定輪運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)平面鋼閘門4個(gè)定輪結(jié)構(gòu)的運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)啟閉門過(guò)程中定輪轉(zhuǎn)動(dòng)情況。測(cè)點(diǎn)安裝位置為：左下定輪內(nèi)側(cè)端面、左上定輪內(nèi)側(cè)端面右下定輪內(nèi)側(cè)端面、右上定輪內(nèi)側(cè)端面。此類傳感器可采用磁渦流效應(yīng)傳感器，在定輪上安裝一能改變渦流效應(yīng)的物塊，傳感器對(duì)準(zhǔn)物塊，當(dāng)渦流突變一次即定輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周。

2.1.4 閘門運(yùn)行姿態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

采用傾角傳感器測(cè)量閘門運(yùn)行姿態(tài)，傾角傳感器布置在閘門垂直中心線上，高度處于上主梁。

閘門姿態(tài)檢測(cè)模塊包括傾角及邊距兩個(gè)參數(shù)，其中邊距b是弧形閘門傾斜后，閘門側(cè)邊到側(cè)軌（設(shè)計(jì)邊界）之間的距離，由閘門測(cè)點(diǎn)處的傾角β近似計(jì)算得到。閘門姿態(tài)監(jiān)測(cè)模塊可滿足以下功能：當(dāng)閘門邊距b小于規(guī)定值bmin時(shí)，即傾角儀監(jiān)測(cè)到的傾斜角度達(dá)到臨界值βe時(shí)，報(bào)警提示。

圖10 傾角儀原理圖Fig.10 Working principles of the clinometer

2.2 系統(tǒng)各部分間信號(hào)傳輸方式

實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將傳感器安裝至需監(jiān)測(cè)的設(shè)備上，采集的數(shù)據(jù)通過(guò)專用集成線纜傳送給采集箱模塊，數(shù)據(jù)采集模塊至工作站為有線連接，線纜為超六類雙屏蔽千兆網(wǎng)線。數(shù)據(jù)采集模塊輸出的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)通信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)體系匯集至數(shù)據(jù)庫(kù)，并在云端平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和計(jì)算整合，同時(shí)對(duì)照規(guī)范，及時(shí)判斷應(yīng)力、振動(dòng)等各項(xiàng)指標(biāo)是否符合要求。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元數(shù)據(jù)對(duì)比

自安裝完成后，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，表5為在線監(jiān)測(cè)與有限元分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的最大應(yīng)力數(shù)據(jù)對(duì)比表，數(shù)據(jù)時(shí)間自2021年3月1日至5月1日，閘門上游水頭最高為5.5 m，閘門處于全關(guān)狀態(tài)。

表5 在線監(jiān)測(cè)與有限元分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置最大應(yīng)力對(duì)比Table 5 Comparison between maximum stress values gained by monitoring points and by finite element analysis

特征水位下，閘門各應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值普遍較小，應(yīng)力變化趨勢(shì)跟有限元分析數(shù)據(jù)一致，符合設(shè)計(jì)規(guī)范關(guān)于Q345材料的許用應(yīng)力要求，從閘門擋水靜應(yīng)力角度，可判斷為安全。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在平面鋼閘門設(shè)備上布置實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)υO(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)，從而對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行合理化管理，促進(jìn)設(shè)備更好地發(fā)揮作用，有利于水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。除此之外，通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)全方位的監(jiān)測(cè)，還能為技術(shù)革新提供廣闊的平臺(tái)和基礎(chǔ)。本在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)閘門自動(dòng)化、智能化、科學(xué)化的全天候監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)和判別缺陷、故障現(xiàn)象和原因，代替了常規(guī)的人工檢查，大大縮減了人力成本，還能在第一時(shí)間提供預(yù)警、報(bào)警和安全評(píng)價(jià)報(bào)告，將安全管理提高到一個(gè)更高的水平。