蔡杰龍，張君祿，李偉康，廖文來，蔡燦旭，王梓鑫，謝淼峰

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院， 廣州 510635；2.廣東省水利新材料與結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心， 廣州 510635；3.廣東省水利重點(diǎn)科研基地， 廣州 510635)

1 概述

水工鋼閘門是水利工程中重要的泄水控流結(jié)構(gòu)，是水利工程安全有效運(yùn)行的重要保障[1-3]。水工鋼閘門的安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)關(guān)系著整個(gè)水利工程的安全可靠運(yùn)行，其中閘門啟閉力是水工鋼閘門安全評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。水工鋼閘門的啟閉力檢測(cè)方法因不同閘門的啟閉形式而各不相同[4-7]。目前，啟閉形式包括有螺桿式啟閉、卷揚(yáng)式啟閉、液壓式啟閉和移動(dòng)式啟閉，根據(jù)SL 101—2014《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》中的規(guī)定，不同的啟閉形式和現(xiàn)場(chǎng)條件，閘門啟閉力檢測(cè)選用不同的檢測(cè)方法，包括直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。直接檢測(cè)法宜采用測(cè)力計(jì)或拉壓傳感器直接測(cè)量啟閉力；間接檢測(cè)法宜采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)(即動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法)，通過測(cè)量吊桿(吊耳)、傳動(dòng)軸的應(yīng)力換算得到啟閉力。對(duì)于液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，宜通過測(cè)量液壓缸的油壓間接得到啟閉力[1]。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，對(duì)于不同的啟閉形式的水工鋼閘門啟閉力檢測(cè)，采用的不同檢測(cè)方法的科學(xué)性、適應(yīng)性以及檢測(cè)結(jié)果的可靠性大不相同。若檢測(cè)方法選擇錯(cuò)誤或者不科學(xué)，甚至可能導(dǎo)致事倍功半、檢測(cè)結(jié)果難以準(zhǔn)確可靠的后果，嚴(yán)重地影響了水工鋼閘門的安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)，從而影響了對(duì)整個(gè)水利工程安全有效運(yùn)行的評(píng)價(jià)。因此，本文有必要對(duì)不同啟閉形式下的水工鋼閘門啟閉力檢測(cè)方法適應(yīng)性進(jìn)行探討，分析各種不同方法的特點(diǎn)與局限性，并提出在不同啟閉形式下的閘門啟閉力檢測(cè)的適用方法，為水利工程鋼閘門安全檢測(cè)與評(píng)價(jià)提供重要的參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

2.1 鋼閘門特性參數(shù)與啟閉形式

本文基于某工程應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行探討研究，對(duì)象包括3種啟閉形式下的水工鋼閘門：卷揚(yáng)啟閉、移動(dòng)啟閉和液壓?jiǎn)㈤]。

1) 卷揚(yáng)啟閉形式

平面定輪鋼閘門，主要參數(shù)：平面定輪式，孔口尺寸為14.0 m×9.3 m(寬×高，下同)，單重為62.8 t。閘門屬于露頂式閘門，設(shè)置在開敞式泄水孔口，閘門關(guān)閉孔口擋水時(shí)，門葉頂部高于擋水水位，門葉設(shè)置三邊止水。

工作門采用QPQ2×630 kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，設(shè)備型號(hào)QPQ，主要參數(shù)：額定啟門力為2×630 kN，采用閘門自重閉門，揚(yáng)程為16 m，起升速度為1.23 m/min，吊點(diǎn)距為9.72 m，卷筒直徑為700 mm，鋼絲繩型號(hào)為6W(19)-24.0-170-特-右交，電源為50 Hz、三相交流、380 V。

2) 移動(dòng)啟閉形式

滑動(dòng)鋼閘門，主要參數(shù)：平面滑動(dòng)式，孔口尺寸為14.0 m×3.3 m，單重為12.2 t。閘門屬于露頂式閘門，設(shè)置在開敞式泄水孔口，閘門關(guān)閉孔口擋水時(shí)，門葉頂部高于擋水水位，門葉設(shè)置三邊止水。

檢修門采用2×100 kN電動(dòng)葫蘆(MD1-10-18)啟閉，主要參數(shù)：雙吊點(diǎn)電動(dòng)葫蘆，額定啟門力為2×100 kN，采用閘門自重閉門，靜水啟閉，揚(yáng)程為18 m，吊點(diǎn)距為9.6 m，起升速度為7 m/0.7 min，行走速度為20 m/min，軌道長(zhǎng)度為530 m，電源為三相交流 380 V、50 Hz。

3) 液壓?jiǎn)㈤]形式

人字鋼閘門，主要參數(shù)：孔口尺寸為14.0 m×10.995 m，自重為113.84 t(2扇)，靜水啟閉，上/下游最高通航水位為11.5 m/11.3 m，上/下游最低通航水位為8.5 m/2.7 m，最大操作水位差為0.15 m。

人字門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)主要參數(shù)：QRWY2×630/300 kN—3.0 m，額定啟門力為630 kN，額定閉門力為300 kN，工作行程為2 810 mm，最大行程為3 000 mm，油缸內(nèi)徑為280 mm，液壓桿內(nèi)徑為280 mm，活塞桿直徑為 160 mm，啟閉速度為初始、最后10°0.6 m/min，中間47.5°11.2 m/min，電動(dòng)機(jī)(380 V、50 Hz、22 kW、1 465 r/min)2臺(tái)。

2.2 試驗(yàn)方法

閘門啟閉力檢測(cè)根據(jù)啟閉機(jī)的形式及現(xiàn)場(chǎng)條件可分為兩種檢測(cè)方法，分別為直接檢測(cè)法和間接檢測(cè)法。每次檢測(cè)時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)連續(xù)采集，同時(shí)記錄閘門開度，以得到完整的啟閉力變化過程線，確定最大啟閉力。在每一個(gè)檢測(cè)工況下，閘門啟門力的檢測(cè)重復(fù)進(jìn)行3次。若各次檢測(cè)數(shù)據(jù)相差較大時(shí)，找出原因，重新進(jìn)行檢測(cè)，只有當(dāng)3次檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性較好時(shí)，方可作為檢測(cè)結(jié)果。

為了確保閘門啟閉力檢測(cè)試驗(yàn)的順利進(jìn)行，檢測(cè)前應(yīng)確認(rèn)的工作條件包括如下：① 門槽狀況良好，槽內(nèi)無異物卡阻；② 閘門整體能正常運(yùn)行；③ 啟閉機(jī)外觀形態(tài)完好，能正常運(yùn)轉(zhuǎn)；④ 閘門的支承裝置、支鉸裝置能正常工作；⑤ 啟閉機(jī)吊具與閘門連接穩(wěn)定可靠，鋼絲繩在卷筒上固定牢靠，齒輪潤(rùn)滑良好，卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，無異常聲響，動(dòng)作靈活；⑥ 雙吊點(diǎn)的同步性良好，并滿足規(guī)范要求；⑦ 啟閉機(jī)的機(jī)械部件和連接裝置處于正常狀態(tài)，電機(jī)三相電流不平衡度滿足規(guī)范要求，轉(zhuǎn)速正常。

閘門啟閉力的檢測(cè)工況均是在接近設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行。

閘門啟閉力包括啟門力、閉門力和持住力3種，本文主要以采集的啟門力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采集過程為從閘門零開度啟門一直到全部露出水面后持住維持一段時(shí)間的過程啟閉力數(shù)據(jù)采集，包括記錄閘門啟閉力的大小隨閘門開度的變化規(guī)律，最終確定閘門在開啟過程中的最大力，即為閘門啟門力[8-15]。

閘門啟閉力檢測(cè)完成后，全面檢查閘門的支承裝置、止水裝置、起吊裝置及啟閉機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的零部件、機(jī)架、電氣設(shè)備等，有無明顯的異常現(xiàn)象和殘余變形。

1) 動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法

動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法，即采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)系統(tǒng)(INV3020C動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng))，通過測(cè)量雙吊點(diǎn)閘門吊耳的最大主應(yīng)力(即將0°、45°和90°三軸應(yīng)變片兩片分別粘貼于吊軸正上方的吊耳內(nèi)側(cè)，如圖1所示)，并根據(jù)吊點(diǎn)吊軸直徑和鋼板厚度計(jì)算得到受力面積(即吊軸與吊耳板的接觸面積)，結(jié)合鋼板彈性模量最終換算得到閘門的啟閉力。應(yīng)變片現(xiàn)場(chǎng)連接見圖2，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集見圖3，閘門整體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖1 應(yīng)變片粘貼示意

圖2 應(yīng)變片現(xiàn)場(chǎng)連接示意

圖3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集示意

圖4 閘門整體結(jié)構(gòu)示意

2) 直接檢測(cè)法

本方法主要采用拉壓傳感器直接測(cè)量閘門的啟閉力，即主要通過NTJL-7 70T拉力傳感器、線路調(diào)理盒、數(shù)字模塊、485轉(zhuǎn)232轉(zhuǎn)接頭和安裝于電腦上的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)TG ONE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將拉壓傳感器(1#和2#傳感器2只)一端與下游檢修門兩端的吊桿連接并固定，另一端與啟閉機(jī)吊鉤連接并固定，最終通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置見圖5，傳感器連接示意見圖6，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意見圖7，閘門整體結(jié)構(gòu)見圖8。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置示意

圖6 傳感器連接示意

圖7 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意

圖8 閘門整體結(jié)構(gòu)示意

3) 液壓缸油壓測(cè)量法

人字門啟閉力主要采用液壓缸油壓測(cè)量法，屬于間接檢測(cè)法，主要利用合適精度和量程的精密油壓表安裝于液壓缸油壓管上(見圖9)，測(cè)讀液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在啟門和閉門全過程中有桿腔和無桿腔的油壓，并通過液壓缸和活塞桿直徑與液壓面積換算得到人字門的啟閉力，現(xiàn)場(chǎng)液壓缸示意見圖10，人字門整體結(jié)構(gòu)見圖11，液壓桿與人字門連接示意見圖12。

圖9 油壓表安裝示意

圖10 液壓缸示意

圖11 人字門整體結(jié)構(gòu)示意

圖12 液壓桿與人字門連接示意

3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

3.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法

本次利用動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法分別對(duì)卷揚(yáng)啟閉和移動(dòng)啟閉的水工鋼閘門啟門力進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)均共重復(fù)3次進(jìn)行，具體結(jié)果見表1，最大主應(yīng)力變化過程曲線見圖13和圖14。

圖13 卷揚(yáng)啟閉形式下閘門最大主應(yīng)力變化過程曲線示意

圖14 移動(dòng)啟閉形式下閘門最大主應(yīng)力變化過程曲線示意

表1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法檢測(cè)啟門力結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可知，卷揚(yáng)啟閉的閘門3次試驗(yàn)實(shí)測(cè)的啟門力分別為679.4 kN、677.6 kN和677.6 kN，移動(dòng)啟閉的閘門3次試驗(yàn)實(shí)測(cè)的啟門力分別為135.7 kN、132.9 kN和134.0 kN，以上每次試驗(yàn)中閘門左右兩吊點(diǎn)實(shí)測(cè)的力值均基本一致，說明兩個(gè)吊點(diǎn)受力較為均勻，同時(shí)3次試驗(yàn)的結(jié)果重復(fù)性均較良好，結(jié)果保持一致。

根據(jù)以上檢測(cè)結(jié)果分析可知，卷揚(yáng)啟閉和移動(dòng)啟閉所測(cè)的閘門啟閉力3次試驗(yàn)值均與閘門自重基本保持一致，由此可推測(cè)通過動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法可真實(shí)可靠反映實(shí)際閘門的啟閉力，且從現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)實(shí)際操作情況可知，該方法相比較于直接檢測(cè)法對(duì)試驗(yàn)條件要求比較低，避免了鋼閘門已連接的吊軸與吊耳部分難以拆卸并安裝傳感器的問題，操作方法和過程較為簡(jiǎn)便，而對(duì)于重量較大的鋼閘門，拆卸與安裝難度更大，直接檢測(cè)法更難以完成操作。同時(shí)，以上啟閉形式非利用液壓?jiǎn)㈤]，更不適用油壓測(cè)量法進(jìn)行檢測(cè)。由此可知，在其他方法難以有效操作的情況下，動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法具有更為良好的適應(yīng)性和無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

3.2 直接檢測(cè)法

本次利用直接檢測(cè)法對(duì)移動(dòng)啟閉的閘門啟門力進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)共重復(fù)3次進(jìn)行，檢測(cè)結(jié)果見表2所示，啟門力變化過程曲線見圖15。

圖15 直接檢測(cè)法啟門力變化過程曲線示意

表2 直接檢測(cè)法檢測(cè)閘門啟門力結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可知，實(shí)測(cè)的最大啟門力分別為132.40 kN、131.16 kN和132.21 kN，每次試驗(yàn)中閘門左、右吊點(diǎn)實(shí)測(cè)的力值基本一致，說明左右吊點(diǎn)受力較為均勻，且3次試驗(yàn)的結(jié)果重復(fù)性良好，結(jié)果基本保持一致。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，直接檢測(cè)法所測(cè)的閘門啟閉力與閘門自重基本一致，即通過直接檢測(cè)法可真實(shí)可靠地反映實(shí)際閘門的啟閉力。但從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作情況上看，該方法操作過程相對(duì)較為繁瑣，試驗(yàn)時(shí)必須利用笨重的拉壓傳感器對(duì)吊耳(或吊桿)進(jìn)行連接，且閘門越重，需要的傳感器量程則越大，而其精度也越小，同時(shí)傳感器也越為笨重，操作越顯困難與繁瑣。因此，該方法難以適用重量較大的閘門(適用動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法，分析見3.1節(jié)中內(nèi)容)，而相對(duì)于輕量的閘門則具有較好的適應(yīng)性。根據(jù)本次試驗(yàn)實(shí)際情況，結(jié)合拉壓傳感器的特點(diǎn)，一般建議10 t以下的閘門考慮采用直接檢測(cè)法進(jìn)行啟閉力檢測(cè)。

3.3 液壓缸油壓測(cè)量法

本次利用精密壓力表測(cè)量液壓缸油壓，然后通過有桿腔面積換算得到人字門啟門力。試驗(yàn)共重復(fù)進(jìn)行3次。檢測(cè)結(jié)果見表3，啟門力過程變化曲線見圖16。

表3 人字門啟閉力檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖16 液壓?jiǎn)㈤]下人字門啟門力變化過程曲線示意

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算可知，實(shí)測(cè)的人字門最大啟門力分別為397.5 kN、395.0 kN和389.6 kN。3次試驗(yàn)的結(jié)果重復(fù)性較好，基本保持一致，這說明了利用液壓缸油壓測(cè)量法檢測(cè)液壓?jiǎn)㈤]人字門啟閉力具有良好的適應(yīng)性。實(shí)際上，從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件看，液壓?jiǎn)㈤]的人字門主要通過油壓?jiǎn)㈤]閘門，動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法或直接檢測(cè)法均難以測(cè)得該啟閉型式下閘門的啟閉力。

4 結(jié)語

1) 卷揚(yáng)啟閉形式下的水工鋼閘門難以對(duì)吊耳與吊軸進(jìn)行拆卸并重新安裝測(cè)力裝置，其啟閉力適合采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法，該方法操作簡(jiǎn)便快捷，且重復(fù)性良好，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2) 移動(dòng)啟閉形式下的水工鋼閘門適用方法包括動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法和直接檢測(cè)法，當(dāng)閘門自重較大時(shí)，優(yōu)先采用動(dòng)態(tài)應(yīng)力分析法，當(dāng)閘門重量較輕時(shí)(10 t以下)，因閘門較容易拆卸并安裝測(cè)力裝置，同時(shí)對(duì)測(cè)力裝置技術(shù)要求較低，可采用直接檢測(cè)法，該方法操作簡(jiǎn)便，且試驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性和準(zhǔn)確性良好。

3) 液壓?jiǎn)㈤]的鋼閘門因利用液壓系統(tǒng)中的油壓提供液壓動(dòng)力啟閉閘門，因此適合通過測(cè)量液壓缸的油壓得到啟閉力，同樣該方法試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。