李瑞，徐平，鐵瑛，張鈺奇

(1.鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 前言

水工閘門是泄洪建筑物中的重要組成部分，由于孔口面積大、結(jié)構(gòu)輕型、水力條件好，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各類水利工程，建立其虛擬數(shù)字模型對(duì)于閘門的設(shè)計(jì)優(yōu)化、運(yùn)行調(diào)試和故障維修等都具有重要意義[1-2]。然而，傳統(tǒng)建模方法無法反映閘門機(jī)、電、液相耦合的實(shí)際工況條件。水工閘門系統(tǒng)由復(fù)雜的液壓?jiǎn)㈤]系統(tǒng)和大型鋼閘門金屬構(gòu)件組成，具有負(fù)載大和工況復(fù)雜的特點(diǎn)。液壓系統(tǒng)阻塞、啟閉傳動(dòng)故障、大型金屬構(gòu)件變形等均會(huì)造成閘門系統(tǒng)故障，各個(gè)環(huán)節(jié)耦合作用，使設(shè)備故障模式復(fù)雜且難以預(yù)測(cè)。因此，研究水工弧形閘門多領(lǐng)域建模方法[3]具有重要意義。

上述文獻(xiàn)對(duì)水工閘門的研究多停留在單領(lǐng)域建模仿真或特性分析上，在實(shí)際工程中，弧形閘門運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)集機(jī)械、液壓、控制于一體，工作特性復(fù)雜多變。當(dāng)前多領(lǐng)域研究中對(duì)于機(jī)床、起重機(jī)、壓力機(jī)等普通類機(jī)電設(shè)備較多，但閘門啟閉研究需兼顧水流沖擊、泥沙沉淤等外部變載荷問題，且多種軟件聯(lián)合仿真會(huì)大幅增加工作量及系統(tǒng)復(fù)雜度。為此，本文作者提出弧形閘門多領(lǐng)域統(tǒng)一建模方法，構(gòu)建多物理場(chǎng)耦合模型，采用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型可靠度，并為其在元件校核、性能分析、故障模擬等方面的應(yīng)用作出示范，為水利類設(shè)施研究提供參考。

1 水工閘門概況和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

某水庫溢洪道弧形閘門由埋設(shè)構(gòu)件、轉(zhuǎn)動(dòng)門體和啟閉設(shè)備構(gòu)成，為露頂式雙主橫梁斜支臂焊接結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)期處于擋水工況中，通常僅在汛期水位超限時(shí)打開以保證壩體安全。為了對(duì)弧形閘門系統(tǒng)動(dòng)態(tài)啟閉過程進(jìn)行更好的監(jiān)測(cè)，方便開展信號(hào)采集、特征模擬、故障預(yù)測(cè)等工作，按幾何相似(幾何比尺λ=7)搭建閘門水工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓動(dòng)力源、采集柜、控制柜及傳感器等輔助部件組成。機(jī)械結(jié)構(gòu)上，采用鋼制水槽模擬水庫溢洪道，弧形鋼閘門通過關(guān)節(jié)軸承連接于水槽側(cè)壁，弧門半徑1.05 m，面板Q235鋼材料。液壓系統(tǒng)采用小型泵站驅(qū)動(dòng)液壓缸伸縮，其額定壓力1.0×107Pa，額定流量9.67×10-5m3/s，油箱容量5.5×10-2m3；與主泵相配的三相電機(jī)功率1.1×103W，頻率50 Hz；單活塞桿雙作用式液壓缸型號(hào)為HSG 40×25-500，兩端分別鉸軸連接水槽和弧形閘門?？刂乒窬哂袉㈤]功能并可設(shè)定目標(biāo)高度值，閘門最大開度為0.75 m。同時(shí)，在閘門支臂、橫梁等關(guān)鍵部位布設(shè)了加速度、應(yīng)變、傾角、聲發(fā)射等各類傳感器，用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集。

2 水工閘門建模要素分析

2.1 多領(lǐng)域統(tǒng)一的建模方法

傳統(tǒng)機(jī)電設(shè)備建模中不同子系統(tǒng)分別由多位開發(fā)人員完成，聯(lián)合調(diào)試時(shí)往往需要考慮軟件間集成接口和兼容性，造成大量設(shè)計(jì)反復(fù)。為實(shí)現(xiàn)降本增效，基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模方法，Simscape采用MATLAB編程語言，集成了機(jī)械、電氣、液壓、磁場(chǎng)等多領(lǐng)域要素，具有較強(qiáng)的表征能力，在保證仿真精度的同時(shí)提高了系統(tǒng)的直觀性和可讀性。與傳統(tǒng)研究相比，多領(lǐng)域建模可在同一軟件中實(shí)現(xiàn)不同物理場(chǎng)元素相耦合，規(guī)避不同軟件交互的繁雜性，真實(shí)地還原物理系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)弧形閘門不同領(lǐng)域耦合的數(shù)字化表達(dá)。本文作者基于Simscape優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)閘門數(shù)字化建模及虛擬調(diào)試，其研究架構(gòu)如圖2所示。

圖2 閘門多領(lǐng)域建模研究架構(gòu)

2.2 多物理場(chǎng)建?；疽?/h3>

水工弧形閘門啟閉是機(jī)電液多物理場(chǎng)耦合的復(fù)雜機(jī)電過程，涉及流體學(xué)、結(jié)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、電磁學(xué)等不同學(xué)科，模型構(gòu)建過程本質(zhì)上就是用數(shù)學(xué)方法表示不同領(lǐng)域的物理特征。如表1所示，按弧形閘門啟閉各參數(shù)特征，可將其分為勢(shì)變量和流變量?jī)深?。閘門不同物理場(chǎng)組件相接時(shí)，接口處勢(shì)變量相等，流變量相互抵消。不同學(xué)科領(lǐng)域各種信號(hào)與能量雖然物理形式參差不同，但都可以歸結(jié)出基本的規(guī)律和類似的公式，實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)耦合。

表1 閘門多物理場(chǎng)建模要素

2.3 機(jī)械系統(tǒng)要素分析

作為機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)的基本要素，彈性理論遵循胡克定律，描述材料的應(yīng)力與變形間線性關(guān)系；慣性理論符合二階微分方程，是指元件保持原有工作狀態(tài)的屬性；阻尼理論符合一階微分方程，指系統(tǒng)受到阻滯產(chǎn)生能量消耗。水工閘門為鋼結(jié)構(gòu)焊接件，在進(jìn)行建模分析時(shí)各組件均遵循此規(guī)律：

(1)

式中：F、T分別為作用力和力矩；K、B分別為彈性系數(shù)和摩擦因數(shù)；x、θ分別為位移和角度；J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

水工閘門機(jī)械系統(tǒng)主要由門頁、支臂、支鉸三部分構(gòu)成，如圖3所示，弧形閘門擋水面為近似平面體系的弧形面，支鉸布置在門頁的曲率中心，斜支臂結(jié)構(gòu)支撐門頁并傳遞水壓力到固定支鉸處。

圖3 弧形閘門結(jié)構(gòu)示意

在液壓機(jī)械作用下，閘門啟閉時(shí)門頁繞支鉸定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，啟門力計(jì)算公式[22]為

(2)

式中：R2、R1分別為加重和啟門力對(duì)支鉸處力臂；r0、r1、r2、r4分別為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸摩擦力、止水摩擦力、自重和下吸力對(duì)支鉸處力臂；Tzd、Tzs分別為支撐和止水摩擦力；nT、n′G分別為摩擦阻力安全系數(shù)和自重修正系數(shù)；G、Gj分別為閘門重力和加重塊重力；Px為下吸力。

2.4 液壓系統(tǒng)要素分析

與機(jī)械系統(tǒng)相似，在液壓系統(tǒng)中存在流感、流阻、流容等基本要素，流感、流容為儲(chǔ)能元件，流阻為耗能元件?；⌒伍l門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)主要包括齒輪泵、單活塞桿雙作用式液壓缸、閥塊、油路以及動(dòng)力源三相異步電動(dòng)機(jī)等。閘門工作時(shí)，油缸活塞桿在壓力油推動(dòng)下交替做功，帶動(dòng)門頁結(jié)構(gòu)定軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)孔口開啟和關(guān)閉。

(1)單活塞桿雙作用式液壓缸

液壓缸是弧形閘門中起能量轉(zhuǎn)換作用的執(zhí)行元件，動(dòng)作穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在水工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建過程中選用了兩個(gè)相同的雙作用液壓缸，尾部單耳環(huán)連接于鋼制水槽鉸軸處，活塞桿端和弧形門頁固連。雙作用液壓缸左右兩側(cè)均存在液壓油，閘門開啟時(shí)，液壓缸有桿端推力和運(yùn)動(dòng)速度[23]分別為

(3)

式中：β為液壓缸負(fù)荷率；pA、pB分別為液壓缸兩腔工作壓力；SA、SB分別為兩腔工作面積；qA為有桿腔流量。

(2)齒輪泵

液壓泵用于將來自動(dòng)力源的機(jī)械能輸出為液體壓力能，按輸出是否可調(diào)劃分為定量泵和變量泵。在搭建弧形閘門液壓泵站時(shí)，選取CBW-F205型齒輪泵，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，齒輪泵輸出流量和輸入功率分別為

(4)

式中：V為液壓泵排量；n為泵轉(zhuǎn)速；M為轉(zhuǎn)矩；η0、η分別為泵的容積效率和總效率；Δp為系統(tǒng)壓力差。

3 基于Simscape多領(lǐng)域模型構(gòu)建

3.1 多領(lǐng)域模型實(shí)現(xiàn)

在弧形閘門多領(lǐng)域建模過程中，基于面向?qū)ο蠛湍K化建模理論，將其分為機(jī)械、液壓、控制三部分進(jìn)行構(gòu)建?；⌒伍l門主要由面板、支臂、液壓缸、基座和液壓泵站幾部分構(gòu)成，通過活塞桿伸縮實(shí)現(xiàn)閘門開度變化。

3.1.1 鋼結(jié)構(gòu)閘門機(jī)械系統(tǒng)建模

由于面板結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，在保證質(zhì)心和重力基本不變的前提下，對(duì)閘門門頁、螺栓連接等特征進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化。在SolidWorks中構(gòu)建弧形閘門三維模型，利用數(shù)據(jù)接口以xml格式導(dǎo)入到MATLAB中，進(jìn)行約束和接觸的相關(guān)設(shè)置，生成圖像化的閘門機(jī)械系統(tǒng)模型，如圖4所示。

圖4 閘門剛體結(jié)構(gòu)關(guān)系

在工程實(shí)踐中，水工閘門常見于排灌、水電站、水產(chǎn)養(yǎng)殖、河道等，起控制流量、調(diào)節(jié)水位作用，大多長(zhǎng)期處于擋水工況中。如圖5所示，在弧形閘門機(jī)械系統(tǒng)模型構(gòu)建時(shí)，為實(shí)現(xiàn)多物理場(chǎng)耦合，考慮外部可變水載荷，采用Mulitbody子模塊，在弧形面板迎水側(cè)施加可變力實(shí)現(xiàn)對(duì)水壓的簡(jiǎn)單模擬，可有效提高模型還原度。

圖5 外部水載荷模擬

3.1.2 液壓系統(tǒng)建模

弧形閘門液壓系統(tǒng)模型如圖6所示，根據(jù)閘門啟閉機(jī)工作原理，采用理想角速度源模擬三相異步電動(dòng)機(jī)，為齒輪泵提供動(dòng)力；采用固定孔口調(diào)節(jié)液壓泵出口流速；換向閥控制油缸方向及運(yùn)動(dòng)速度；管道模塊模擬液壓系統(tǒng)油路損耗及沿程損失部分；工作過程中泵站供給液壓油經(jīng)閥組控制液壓缸伸縮，為閘門啟閉提供動(dòng)力。在完成液壓系統(tǒng)Simscape建模后，根據(jù)閘門實(shí)際水力模型進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)設(shè)置。

圖6 閘門液壓系統(tǒng)模型

3.1.3 控制部分建模

在閘門多領(lǐng)域建模中，根據(jù)給定開度曲線和實(shí)際輸出二者間偏差，進(jìn)行位移和速度反饋控制，其傳遞函數(shù)為

E(s)=Kp+Ki/s+KdNs/(s+N)

(5)

式中：Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)；N為常數(shù)值，取100。

參考傳遞函數(shù)，搭建PID控制模型如圖7所示?；陂l門實(shí)時(shí)開度輸出響應(yīng)特征，依工程經(jīng)驗(yàn)給定初始值，隨后按照先比例積分、后微分進(jìn)行調(diào)節(jié)，觀察過渡過程曲線形狀，確定各參數(shù)值，直到取得較為良好的調(diào)節(jié)效果。

圖7 PID模型

3.2 多領(lǐng)域模型耦合

水工閘門啟閉是涉及機(jī)械、液壓、控制的多領(lǐng)域復(fù)雜機(jī)電過程，在其多物理場(chǎng)耦合建模中，基于閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)和機(jī)械結(jié)構(gòu)間能量轉(zhuǎn)換關(guān)系，采用多體動(dòng)力學(xué)元件理想移動(dòng)速度源和力傳感器搭建集成接口，如圖8所示，將管路中流體壓力能轉(zhuǎn)換為弧形閘門活塞桿端的位置和速度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)液聯(lián)合仿真。

圖8 機(jī)液集成接口

在完成各模塊構(gòu)建后，將其分別封裝為獨(dú)立的子系統(tǒng)?；诨⌒伍l門多領(lǐng)域統(tǒng)一建模方法，建立各子系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型如圖9所示。其中，液壓系統(tǒng)提供力作用于機(jī)械系統(tǒng)閘門支臂，根據(jù)二者間耦合關(guān)系計(jì)算中間載體活塞的速度及位移值。傳感器測(cè)得閘門實(shí)時(shí)開度值并與理論輸入值形成控制偏差，經(jīng)PID控制算法進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)閘門勻速啟閉。采用ode23t求解方法，設(shè)定仿真時(shí)間為100 s，給定輸入信號(hào)，弧形閘門虛擬樣機(jī)演示如圖10所示。

圖9 閘門多領(lǐng)域模型

4 工作特性分析

4.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在完成閘門多領(lǐng)域模型構(gòu)建后，參照水工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際工況設(shè)置仿真模型參數(shù)，設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為146.6 rad/s，選用46號(hào)液壓油。給定輸入信號(hào)，分別設(shè)置閘門提升速度為8×10-3、1.2×10-2、2×10-2m/s，進(jìn)行多次仿真，模擬弧形閘門正常工況下勻速開啟過程。為了對(duì)所建立多領(lǐng)域模型仿真精度進(jìn)行驗(yàn)證分析，基于水工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展空載閘門啟閉實(shí)驗(yàn)，設(shè)置閘門提升速度為8×10-3m/s，目標(biāo)開度0.3 m。

實(shí)驗(yàn)過程中，閘門開度測(cè)量采用拉線式位移傳感器測(cè)得液壓缸活塞行程，按照函數(shù)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳遞給運(yùn)維系統(tǒng)顯示；液壓缸壓力值測(cè)量則采用電動(dòng)式壓力變送器將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行傳遞并在系統(tǒng)端顯示。如圖11、12所示，分別為相同工況下仿真與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的閘門實(shí)時(shí)開度及液壓缸兩腔壓力值對(duì)比。

圖12 液壓缸兩腔壓力曲線

如表2所示，經(jīng)計(jì)算分析，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果間誤差均在限定范圍內(nèi)，滿足使用精度，可為弧形閘門工作特性分析提供多領(lǐng)域模型基礎(chǔ)。

表2 實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

工作過程中，經(jīng)計(jì)算閘門開啟所需的最大驅(qū)動(dòng)力為7.27×103N，而HSG40×25-500型液壓缸所能提供的最大拉力為1.23×104N，遠(yuǎn)大于工作壓力。由此判斷，所選擇液壓缸驅(qū)動(dòng)力足夠，在安全使用范圍內(nèi)。因此在設(shè)計(jì)階段液壓元件選型時(shí)，可采用弧形閘門多領(lǐng)域統(tǒng)一建模方法模擬啟閉過程來進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)校核，作為液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)新的參考。

4.2 基于多領(lǐng)域模型的閘門卡阻分析

在液壓?jiǎn)㈤]機(jī)閘門工作過程中，壓力油作為能量傳輸介質(zhì)推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，并控制閘門啟閉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間使用后，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)啟閉機(jī)磨合碎屑、殘留涂料灰塵、新注入液壓油純度低等問題，導(dǎo)致油液污染度過高，啟閉機(jī)失效。如圖13所示，對(duì)弧形閘門多領(lǐng)域仿真模型進(jìn)行功能擴(kuò)展，設(shè)置工作條件為：閘門正常開啟，采用可變孔口25 s時(shí)通路面積逐漸降為0模擬油路堵塞，開展仿真試驗(yàn)，閘門卡阻時(shí)壓力和流量曲線分別如圖14、15所示。

圖13 閘門卡阻多領(lǐng)域模型構(gòu)建

圖14 閘門卡阻的壓力特性曲線

圖15 閘門卡阻的流量特性曲線

分析結(jié)果顯示：當(dāng)油路堵塞液壓?jiǎn)㈤]機(jī)失效瞬間，壓力和流量特性均發(fā)生較大改變：2 s時(shí)間內(nèi)有桿腔壓力由9.5×106Pa降為1.8×106Pa，流量由4.4×10-6m3/s降為0 m3/s；無桿腔壓力由5.5×106Pa降為0 Pa，流量由7.2×10-6m3/s降為0 m3/s。此時(shí)由于液壓動(dòng)力喪失，閘門無法正常啟閉，即系統(tǒng)故障卡阻。因此在實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)定期監(jiān)測(cè)油液污染度，清洗液壓管路，將油箱中的廢油抽出進(jìn)行反復(fù)過濾。在液壓缸壓力異常波動(dòng)或閘門異響時(shí)，應(yīng)及時(shí)停機(jī)檢查，避免事故發(fā)生。

4.3 基于多領(lǐng)域模型的閘門啟閉機(jī)油液泄漏分析

在水工閘門及啟閉機(jī)長(zhǎng)期使用過程中，由于密封件磨損老化、管道彎頭裂紋、油液污染度過高、端面間隙過大等問題，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致液壓油大量泄漏，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率降低，引發(fā)安全隱患甚至影響閘門正常啟閉。為此，基于前述閘門多領(lǐng)域模型進(jìn)行故障拓展，研究存在不同程度泄漏故障時(shí)對(duì)液壓系統(tǒng)輸出油液流量大小和頻率的影響。如圖16所示，為了更好體現(xiàn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)的脈動(dòng)特性，采用自定義外嚙合齒輪泵和管路系統(tǒng)代替原有理想油泵電機(jī)組，采用并接管路的可變孔口模擬不同大小的泄漏點(diǎn)，通過流量傳感器記錄輸出油液信號(hào)。

圖16 油液泄漏多領(lǐng)域模型構(gòu)建

在構(gòu)建油液泄漏故障拓展模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置泄漏點(diǎn)面積參數(shù)，進(jìn)行閘門啟動(dòng)過程仿真，無故障情況及不同泄漏面積下啟閉機(jī)輸出流量變化情況如圖17所示。

圖17 不同泄漏程度啟閉機(jī)輸出流量

分析結(jié)果顯示：當(dāng)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)及管路系統(tǒng)由于砂眼、裂紋、磨損等存在泄漏故障時(shí)，隨泄漏程度增大，啟閉機(jī)輸出流量頻率基本不變，大小逐漸下降。當(dāng)泄漏點(diǎn)面積由1.5×10-7m2擴(kuò)大為5×10-7m2時(shí)，穩(wěn)定狀態(tài)下啟閉機(jī)輸出油液流量由7.85×10-5m3/s變化為5.43×10-5m3/s，下降30.8%，相比正常無泄漏情況降低40.3%。泄漏故障程度的增加會(huì)導(dǎo)致油液損失量增大，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)無法正常建壓，進(jìn)而導(dǎo)致閘門啟閉異常。因此，在液壓閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)日常運(yùn)維中，應(yīng)定期監(jiān)測(cè)襯墊、密封圈等元件磨損情況，檢查管路系統(tǒng)是否存在銹蝕變形情況，閥塊、泵機(jī)組等是否有滲漏油現(xiàn)象，同時(shí)在主管路加裝流量傳感器，一旦發(fā)現(xiàn)異常狀況則立即停機(jī)檢查，確保水工閘門及啟閉機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行安全。

4.4 基于多領(lǐng)域模型的閘門弧形門體損傷分析

作為水工建筑物中主要擋水結(jié)構(gòu)，鋼閘門多處于氣候潮濕、水流沖擊、微生物腐蝕的復(fù)雜環(huán)境下，極易產(chǎn)生鋼材銹蝕、門體結(jié)構(gòu)老化、可靠度下降等各類安全隱患。同時(shí)，多沙水流中泥沙、碎石、建筑垃圾等各類沖積物的存在，不僅會(huì)對(duì)閘門迎水面形成沖力，也會(huì)淤積在底槽、縱橫梁、門頁表面等處進(jìn)而增大啟門載荷，影響閘門提升?；诨⌒伍l門多領(lǐng)域模型，在模型裝配過程中，改變門體結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置正常情況、門體腐蝕、門上淤積3種不同工況，研究門體損傷對(duì)弧形閘門啟閉載荷的影響。在閘門支鉸處加裝傳感器，設(shè)置關(guān)節(jié)參數(shù)，計(jì)算工作扭矩，如圖18所示。

圖18 門體損傷多領(lǐng)域模型構(gòu)建

給定相同開度，采用快速仿真分析方法，使用傳感器進(jìn)行信號(hào)采集，不同工況下閘門開啟扭矩如圖19所示。

圖19 不同工況門體開啟扭矩

分析結(jié)果顯示：閘門動(dòng)作時(shí)，克服重力與摩擦力做功，正常工況下閘門勻速提升扭矩在610 N·m左右；門體損傷時(shí)載荷變化趨勢(shì)與正常工況相同，數(shù)值則與損傷程度相關(guān)：門體雜物淤積時(shí)提升過程扭矩最大，均值為640 N·m，與正常工況差別在5%左右；門體較重腐蝕時(shí)提升過程扭矩最小，均值為570 N·m，與正常工況差別在7%左右。

可以看出，腐蝕程度的加大不僅影響閘門強(qiáng)度，降低構(gòu)件可靠度，同時(shí)啟閉載荷也會(huì)相應(yīng)降低；相對(duì)應(yīng)大量門體淤積物則會(huì)增大所需啟門力，降低啟閉機(jī)安全系數(shù)，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致閘門無法順利提升。因此實(shí)際工程中，應(yīng)定期對(duì)閘門主梁腹板、擋水面板、支臂等進(jìn)行銹蝕監(jiān)測(cè)，實(shí)行防銹養(yǎng)護(hù)，加裝防護(hù)網(wǎng)或沖淤設(shè)備來降低堆積物對(duì)閘門影響，延長(zhǎng)鋼閘門使用壽命，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)論

(1)提出弧形閘門多領(lǐng)域建模方法，基于面向?qū)ο笏枷雽㈤l門劃分為機(jī)械、控制和液壓三部分，通過開度曲線偏差控制策略和子系統(tǒng)轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，建立其耦合模型，相比傳統(tǒng)建模手段，可以更好地實(shí)現(xiàn)不同物理場(chǎng)相耦合，避免了大量計(jì)算和繁復(fù)的軟件交互。

(2)在模型精度驗(yàn)證評(píng)估時(shí)，按照幾何相似搭建水工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在相同工況下開展仿真對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示所構(gòu)建弧形閘門多領(lǐng)域模型滿足設(shè)定的誤差閾值，且具有較高的可靠度，可以真實(shí)地模擬出各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況，更加精確地對(duì)閘門機(jī)電液系統(tǒng)特性進(jìn)行仿真分析。

(3)在水工閘門運(yùn)行特性研究中，所提出多領(lǐng)域模型功能擴(kuò)展后，完成了閘門卡阻分析、啟閉機(jī)油液泄漏分析和弧形門體損傷分析；同時(shí)，基于此模型，可以開展如元件選型校核、故障特征模擬、故障診斷及融合性預(yù)測(cè)維護(hù)等，實(shí)現(xiàn)降本增效，可為水利類設(shè)施研究提供參考。