北疆大型水工平面閘門的振動(dòng)測(cè)試

韓 璞，薛惠芳，2，何 青

(1.華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206;2.南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇南京 210009; 3.華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 102206)

北疆某大型水利樞紐位于沙漠地區(qū)，其倒虹吸工程采用A，B 2條輸水管道，進(jìn)水口與出水口高差超過(guò)30m，通過(guò)出水口的閘門開度控制倒虹吸管道的引水流量，在試通水期間，位于倒虹吸出口的2個(gè)平面閘門均出現(xiàn)不同程度的振動(dòng).由于閘墩是建在沙丘上的混凝土結(jié)構(gòu)，閘門的振動(dòng)是否會(huì)激勵(lì)閘墩產(chǎn)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致閘墩結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或變形，是必須要考慮的工程運(yùn)行安全問(wèn)題.另外，閘門的長(zhǎng)期振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致閘門邊緣上滾輪的緊固螺栓松動(dòng)和閘門啟閉機(jī)底座上的緊固螺栓松動(dòng)等，因此，監(jiān)測(cè)閘門和閘墩的振動(dòng)、掌握啟閉機(jī)底座下面的閘房座板的振動(dòng)情況是十分必要的[1].

為了適時(shí)調(diào)節(jié)閘門開度以確保下泄流量和倒虹吸處于正常狀態(tài)，工作閘門需長(zhǎng)時(shí)間作局部開啟運(yùn)行，而出口閘門的水力特性和振動(dòng)誘發(fā)原因是極其復(fù)雜的流固耦合問(wèn)題.通過(guò)測(cè)試，了解閘門在開啟和關(guān)閉過(guò)程中不同運(yùn)行工況下的振動(dòng)特性，從而制定科學(xué)合理的運(yùn)行規(guī)范，是保證閘門長(zhǎng)期安全運(yùn)行的必要措施.此外，閘門振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與分析，有助于分析研究振動(dòng)的誘發(fā)原因和閘門流激振動(dòng)的理論研究[2].

本文針對(duì)試通水期間出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象的兩個(gè)閘門，設(shè)計(jì)制作振動(dòng)測(cè)試傳感器以及振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合水利樞紐的二次試通水運(yùn)行調(diào)試，對(duì)不同工況下的2個(gè)閘門及閘墩進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，為制定閘門運(yùn)行規(guī)范提供理論依據(jù)，也為研究閘門流激振動(dòng)機(jī)理儲(chǔ)備試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 閘門振動(dòng)測(cè)試對(duì)象與系統(tǒng)

描述結(jié)構(gòu)振動(dòng)的3種基本參數(shù)是位移、速度和加速度，它們都是時(shí)間的函數(shù).在本工程試驗(yàn)中，振動(dòng)信號(hào)的分析主要是時(shí)域分析，運(yùn)用測(cè)振傳感器，測(cè)得閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)信號(hào)以位移、速度或加速度的單位指示出它們的峰值、峰-峰值、平均值等，即能掌握閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)的位移幅值、振動(dòng)烈度、振動(dòng)趨勢(shì)等.但是，水流激發(fā)的閘門振動(dòng)是非常復(fù)雜的隨機(jī)振動(dòng)，這些隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程也并非毫無(wú)規(guī)律，只要獲得足夠多、足夠長(zhǎng)的樣本函數(shù)(即時(shí)間歷程記錄)，就可以求得其概率意義上的統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)，即統(tǒng)計(jì)規(guī)律[3-6].

1.1 測(cè)試對(duì)象與測(cè)點(diǎn)布置

倒虹吸出口閘門振動(dòng)特性測(cè)試主要是為了了解閘門、閘墩及閘房座板等結(jié)構(gòu)在各種運(yùn)行工況下發(fā)生振動(dòng)的實(shí)際狀況，測(cè)試對(duì)象如圖1所示，包括A線1號(hào)閘門和B線2號(hào)閘門、1號(hào)閘門左閘墩和2號(hào)閘門左閘墩(中墩)、中墩頂部以及2個(gè)閘房座板等.

為了準(zhǔn)確全面地捕捉閘門重要結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向上的振動(dòng)狀況，同時(shí)考慮到閘門長(zhǎng)期工作在水下以及測(cè)試元件安裝維護(hù)等方面的具體情況，專門設(shè)計(jì)制作了耐高低溫變化和耐壓防水的三軸振動(dòng)加速度傳感器，用于測(cè)量順?biāo)?、垂向及橫向振動(dòng)參數(shù).傳感器采用螺栓固定和防水結(jié)構(gòu)，信號(hào)電纜采用水下專用的多芯屏蔽電纜[7].為了確保一次測(cè)試成功，在測(cè)試系統(tǒng)中采用傳感器冗余配置，即在每個(gè)閘門上均設(shè)置2個(gè)傳感器，以防止意外因素導(dǎo)致傳感器損毀和失效，確保試驗(yàn)順利進(jìn)行.測(cè)點(diǎn)布置見圖1.

2個(gè)閘房座板用于固定閘門的液壓?jiǎn)㈤]機(jī)提升裝置，選用608A11型ICP單軸壓電加速度傳感器，分別安裝在1號(hào)閘房和2號(hào)閘房座板上，以測(cè)量通水期間閘座垂直方向的振動(dòng)參數(shù).

圖1 閘門振動(dòng)測(cè)試對(duì)象及測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Object for vibration tests and layout of measuring points

為方便描述，給三軸和單軸傳感器定義坐標(biāo)系，進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)時(shí)，測(cè)點(diǎn)布置信息如表1所示.

1.2 測(cè)試與分析系統(tǒng)組成

閘門振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)如圖2所示，采用INV303數(shù)據(jù)采集儀器，在通用微機(jī)中安裝東方科卡和DASP大型軟件，構(gòu)成振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)集多路并行無(wú)時(shí)差數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、故障診斷等多功能于一體，采樣頻率范圍為0.001～20kHz，超大容量連續(xù)不間斷采集，采樣過(guò)程隨啟隨停，可以實(shí)現(xiàn)示波、采樣、回放等流程，有效避免錯(cuò)誤采樣.

表1 閘門振動(dòng)測(cè)點(diǎn)信息Table 1 Information of measuring points for vibration tests on gates

圖2 閘門振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)框圖Fig.2 Framework of vibration test and analysis system for gates

2 閘門振動(dòng)測(cè)試內(nèi)容與分析

在倒虹吸工程通水期間，對(duì)出口處1號(hào)和2號(hào)閘門、閘墩及閘頂和閘房座板等處的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行不定時(shí)采集分析，主要測(cè)試內(nèi)容包括兩個(gè)方面，即A線通水過(guò)程中對(duì)1號(hào)閘門各運(yùn)行工況下的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，在B線通水過(guò)程中對(duì)2號(hào)閘門大流量下的振動(dòng)監(jiān)測(cè)，這兩方面的測(cè)試內(nèi)容基本上包含了閘門的主要工作環(huán)境和狀態(tài)，所得測(cè)試結(jié)果具有代表性.

2.1 1號(hào)閘門各運(yùn)行工況振動(dòng)監(jiān)測(cè)

本文中的閘門運(yùn)行工況是指閘門不同的開度變化以及閘門前輸水管線出口處的流量大小變化.閘門的開度變化是通過(guò)液壓提升裝置控制閘門提高和下壓實(shí)現(xiàn)的，流量的大小變化取決于倒虹吸入口處水位的高低，由出口管線上安裝的超聲波流量計(jì)測(cè)得.

在A線輸水過(guò)程中，多次改變閘門開度，整個(gè)振動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)程持續(xù)長(zhǎng)達(dá)9d，采集數(shù)據(jù)共40次，最短記錄時(shí)長(zhǎng)5s，而最長(zhǎng)記錄時(shí)長(zhǎng)達(dá)2335s(約39min)，重點(diǎn)是及時(shí)采集閘門在運(yùn)行工況發(fā)生變化時(shí)刻的瞬時(shí)振動(dòng)信號(hào).

將40次試驗(yàn)的工況進(jìn)行編號(hào)，其中試驗(yàn)序號(hào)1～18的工況是閘門開度0.141m，對(duì)應(yīng)流量變化范圍為4.96～5.31m3/s，由于測(cè)得的振動(dòng)位移量較小，在此不予分析討論.試驗(yàn)序號(hào)19～40的工況比較復(fù)雜，通過(guò)測(cè)試得到較大的振動(dòng)位移量，相應(yīng)的工況信息如表2所示.

將40種運(yùn)行工況下測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，得到數(shù)據(jù)文件.用C++語(yǔ)言編寫了數(shù)據(jù)后處理與分析程序，通過(guò)該程序可以對(duì)長(zhǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合1號(hào)閘門的測(cè)點(diǎn)信息，得到該閘門在通水時(shí)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)趨勢(shì)圖如圖3所示.通過(guò)振動(dòng)趨勢(shì)圖可以獲得閘門振動(dòng)與運(yùn)行工況之間的關(guān)系，其中，捕捉到振動(dòng)峰值現(xiàn)象的試驗(yàn)序號(hào)為23和31，對(duì)應(yīng)表1中的閘門開度0.220m和0.310m.

小開度下閘門系統(tǒng)的劇烈振動(dòng)是由外部水流的干擾引起的，包括水流及波浪對(duì)閘門的沖擊，水躍對(duì)閘門的脈動(dòng)作用，以及在動(dòng)水中啟閉操作時(shí)復(fù)雜的脈動(dòng)水壓作用力的影響.閘門具有一定的自振頻率，它是閘門結(jié)構(gòu)本身的固有參數(shù)，決定于閘門結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量分布和材料性質(zhì)等，而閘門振動(dòng)的大小取決于閘門結(jié)構(gòu)自振頻率與激勵(lì)頻率的關(guān)系及結(jié)構(gòu)的剛度.如果水流的脈動(dòng)頻率接近閘門的自振頻率時(shí)，不管這種激勵(lì)頻率是外力固有的，還是由于閘門結(jié)構(gòu)與水流發(fā)生耦合而次生的，都將導(dǎo)致閘門發(fā)生共振，如果振幅達(dá)到很大值，還將使閘門整體或局部發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)，在閘門結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)不平常的應(yīng)力和應(yīng)變，使閘門受到損害，這是該輸水工程上不可忽視的一個(gè)重要問(wèn)題[1，8-12].

表2 1號(hào)閘門工況信息Table 2 Work conditions for gate No.1

圖3 1號(hào)閘門振動(dòng)趨勢(shì)Fig.3 Work conditions for gate No.2

2.2 2號(hào)閘門大流量振動(dòng)監(jiān)測(cè)

在B線輸水過(guò)程中，調(diào)節(jié)閘門開度，并且改變倒虹吸入口流量，從10.20m3/s到4.99m3/s再到16.50m3/s的大流量，對(duì)2號(hào)閘門、左側(cè)閘墩(中墩)和閘房座板等處的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行不定時(shí)采集分析，大流量測(cè)試過(guò)程持續(xù)時(shí)間近100min.將4次試驗(yàn)的工況進(jìn)行編號(hào)，相應(yīng)的工況信息如表3所示.

將4種運(yùn)行工況下測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析和處理，結(jié)合2號(hào)閘門的測(cè)點(diǎn)信息，得到該閘門在通水時(shí)各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，圖4所示為各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)趨勢(shì)圖.比較圖3和圖4，雖然1號(hào)閘門和2號(hào)閘門的結(jié)構(gòu)形式、測(cè)點(diǎn)布置都一樣，但是結(jié)合了A，B兩條輸水管線不同的試運(yùn)行情況，比較全面地反映了閘門在不同流量、不同開度下的振動(dòng)實(shí)況.

由測(cè)試系統(tǒng)可以直接得到典型測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)波形圖(位移、速度和加速度)，圖5為加速度振動(dòng)波形圖.從圖5和表3可以看出，2號(hào)閘門在大流量試通水期間，由于工況改變引起振動(dòng)加速度數(shù)值的突變，其時(shí)間段所對(duì)應(yīng)的通水工況包含閘門開度0.301m.圖5與圖3、圖4不同之處在于反應(yīng)的是在時(shí)域內(nèi)的大量連續(xù)的閘門振動(dòng)數(shù)據(jù)信息，可用于進(jìn)一步分析閘門的隨機(jī)振動(dòng).

表3 2號(hào)閘門工況信息Table 3 Work condition for gate No.2

圖4 2號(hào)閘門振動(dòng)趨勢(shì)Fig.4 Vibration trend curves for gate No.2

2.3 閘房座板振動(dòng)測(cè)試

使用單軸加速度傳感器，對(duì)1號(hào)閘房的座板在各運(yùn)行工況下的垂向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)2號(hào)閘房的座板在大流量時(shí)的垂向振動(dòng)進(jìn)行測(cè)試，得到閘房座板振動(dòng)趨勢(shì)如圖6所示，可以看出，與使用三軸加速度傳感器對(duì)1號(hào)閘門和2號(hào)閘門的監(jiān)測(cè)結(jié)果相比較，兩者具有相當(dāng)好的一致性，從而驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的正確與合理性.

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，閘門結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是一種寬頻瞬態(tài)激勵(lì)振動(dòng)，其中閘墩振動(dòng)幅度小于閘門，閘房座板的振幅最大.閘門固有頻率分布較廣，因此容易激發(fā)出各階固有頻率振動(dòng)，而閘墩的模態(tài)阻尼比較大，雖然在工況改變時(shí)，振動(dòng)幅值會(huì)明顯增大，但持續(xù)時(shí)間并不長(zhǎng)，一般不會(huì)引起共振，所以是安全的.考慮到倒虹吸出口閘門周邊基礎(chǔ)環(huán)境等因素，雖然瞬態(tài)激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)幅值并不十分大，也應(yīng)在輸水過(guò)程中嚴(yán)格監(jiān)視振動(dòng)情況，如能實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，將為閘門運(yùn)行增加一道重要的安全保障.

圖5 2號(hào)閘門振動(dòng)波形Fig.5 Vibration waveforms for gate No.2

圖6 閘房座板振動(dòng)趨勢(shì)Fig.6 Vibration trend curves for gate seats

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)閘門結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在各種輸水運(yùn)行工況下振動(dòng)響應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行了大量的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集記錄和分析，得到了比較全面的閘門結(jié)構(gòu)振動(dòng)與各種工況之間的關(guān)系數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)多次振動(dòng)都與工況瞬時(shí)變化密切相關(guān)，并且振動(dòng)位移和加速度主要與閘門開度變化有關(guān)，因此，要制定合理的閘門運(yùn)行規(guī)范，使之避開長(zhǎng)期滯留在劇烈振動(dòng)的開度，即0.220m和0.310m等.另外，從測(cè)試結(jié)果看，閘門的微小振動(dòng)長(zhǎng)期存在，可能造成閘門導(dǎo)輪螺栓松弛或脫落，因此，建議在停水期間定期檢查維護(hù).

由于本次測(cè)試項(xiàng)目多，測(cè)試通道多，波形記錄時(shí)間長(zhǎng)，所以獲得了較為全面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料，這有助于分析閘門結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的隨機(jī)振動(dòng)特性，如概率密度函數(shù)、概率分布函數(shù)、相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)等，并為研究水流脈動(dòng)壓力對(duì)閘門振動(dòng)的影響作了較好的數(shù)據(jù)儲(chǔ)備，對(duì)于進(jìn)一步研究閘門的流激振動(dòng)機(jī)制，該測(cè)試系統(tǒng)也是正確可行的.

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