表孔弧形閘門(mén)空載啟閉異常振動(dòng)原因試驗(yàn)研究

胡康軍，劉冰潔

(水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所，杭州310012)

1 工程概況

碗窯水庫(kù)位于浙江省西南部江山市境內(nèi)，壩址在江山港支流達(dá)河溪下游碗窯村近旁，距江山市區(qū)12 km，是一座以灌溉為主，結(jié)合供水、發(fā)電、防洪等綜合利用的大(2)型水利工程。水庫(kù)壩址控制流域面積212.5 km2，具有多年調(diào)節(jié)性能，水庫(kù)壩后電站裝機(jī)容量為2×6.3 MW。

主壩壩型為碾壓混凝土重力壩，壩頂高程198.0m，壩頂長(zhǎng) 390 m，寬8.5 m，最大壩高 79 m。全壩共分11個(gè)壩段，其中5個(gè)壩段為溢流段，設(shè)5孔泄洪閘，安裝5扇8 m×10 m露頂弧型鋼閘門(mén)。

5#弧型工作閘門(mén)無(wú)水狀態(tài)運(yùn)行時(shí)存在異常振動(dòng)，無(wú)法正常工作，需對(duì)該閘門(mén)進(jìn)行安全評(píng)估。本文從弧門(mén)支鉸及埋件位置現(xiàn)狀入手，通過(guò)對(duì)異常振動(dòng)全過(guò)程弧門(mén)位置、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、啟閉力的原型試驗(yàn)［1－2］，結(jié)合弧門(mén)有限元振動(dòng)模態(tài)理論分析結(jié)果，對(duì)弧門(mén)空載啟閉異常振動(dòng)原因進(jìn)行研究。研究成果對(duì)表孔弧門(mén)異常振動(dòng)運(yùn)行的安全評(píng)估和故障處理具有重要參考價(jià)值。

2 弧門(mén)支鉸及埋件位置狀態(tài)檢測(cè)

弧門(mén)支鉸及埋件的位置狀態(tài)與弧門(mén)的運(yùn)行直接相關(guān)，是分析弧門(mén)異常振動(dòng)的基礎(chǔ)。弧門(mén)支鉸及埋件位置狀態(tài)檢測(cè)主要儀器工具為:全站儀TCR1201(測(cè)角精度≤1″，測(cè)距精度0.9 mm+0.1 mm/km)、鋼卷尺、鋼直尺、鉛垂線等;檢測(cè)主要項(xiàng)目為:弧門(mén)支鉸軸的位置、弧門(mén)底檻、側(cè)止水板以及側(cè)輪導(dǎo)板工作表面平面度?；￠T(mén)支鉸及埋件位置狀態(tài)檢測(cè)成果見(jiàn)表1。

表1 弧門(mén)支鉸及埋件安裝偏差Table 1 Deviations of the installation of gate hinge and embedded plates mm

從檢測(cè)成果看，弧門(mén)底檻、側(cè)止水板和側(cè)輪導(dǎo)板的平面度以及左側(cè)支鉸軸高程偏差均已超出現(xiàn)行規(guī)范要求［3］;對(duì)弧門(mén)空載異常振動(dòng)現(xiàn)象而言，左側(cè)支鉸軸高程偏差超標(biāo)的影響將更大。

3 不同開(kāi)度下弧門(mén)位置檢測(cè)

雙吊點(diǎn)弧門(mén)在不同開(kāi)度下的位置狀態(tài)綜合反映該弧門(mén)和啟閉機(jī)安裝的情況，采用全站儀對(duì)主梁與左右支臂交接處2測(cè)點(diǎn)在弧門(mén)不同開(kāi)度下的位置狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)成果見(jiàn)圖1。

圖1 不同開(kāi)度弧門(mén)上主梁右測(cè)點(diǎn)相對(duì)左測(cè)點(diǎn)的高程差Fig.1 Elevation differences between the right point and the left point on the upper main beam at different openings

從檢測(cè)成果看，當(dāng)弧門(mén)啟門(mén)到開(kāi)度7.6 m時(shí)，右測(cè)點(diǎn)比左測(cè)點(diǎn)高程高88 mm，遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值［4］?；￠T(mén)左右2測(cè)點(diǎn)的高程差隨弧門(mén)開(kāi)度的增加基本上成線性增加，其原因主要有:①閘門(mén)、啟閉機(jī)安裝方面，卷筒軸線與弧門(mén)門(mén)葉母線不平行造成左右2鋼絲繩與豎直方向的空間夾角不一致，移動(dòng)相同長(zhǎng)度的鋼絲繩在高程方向的位移就出現(xiàn)偏差;再加上閘門(mén)置于底檻時(shí)2鋼絲繩在卷筒處的間距最小，而隨著閘門(mén)開(kāi)度增加，其間距變大，這加大了位移偏差。②啟閉機(jī)制造方面，由于左右2吊點(diǎn)是剛性同步，卷筒直徑偏差使相同時(shí)間移動(dòng)的鋼絲繩長(zhǎng)度不一致。③閘門(mén)、啟閉機(jī)安裝和啟閉機(jī)制造的綜合誤差。該現(xiàn)象將直接影響到弧門(mén)啟閉過(guò)程啟閉力和支臂的動(dòng)應(yīng)力等特性。

4 弧門(mén)振動(dòng)模態(tài)理論分析

為了給現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)及其分析提供參考，采用有限元分析軟件對(duì)弧門(mén)進(jìn)行模態(tài)分析?；￠T(mén)不同開(kāi)度工況剛體模態(tài)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，部分剛體模態(tài)見(jiàn)圖2;弧門(mén)彈性模態(tài)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，支臂一階模態(tài)見(jiàn)圖3。

表2 弧門(mén)剛體模態(tài)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of rigid modes of arc gate

圖2 弧門(mén)剛體模態(tài)Fig.2 Rigid modes of arc gate

表3 弧門(mén)結(jié)構(gòu)彈性模態(tài)Table 3 Elastic modes of arc gate

圖3 支臂振動(dòng)一階振型Fig.3 First-order vibration modes of the arm

從分析成果看:弧門(mén)結(jié)構(gòu)剛體模態(tài)受弧門(mén)開(kāi)度(不同鋼絲繩長(zhǎng)度)影響較大，切振頻率從3.28 Hz變到4.97 Hz，在弧門(mén)開(kāi)啟條件下，其剛體模態(tài)主要為整體振型;弧門(mén)彈性模態(tài)基本不受弧門(mén)開(kāi)度變化的影響，弧門(mén)支臂彈性模態(tài)的第一階至第三階頻率在16.41～22.52 Hz之間，彈性模態(tài)主要是支臂的扭振、切振和側(cè)振。

5 弧門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)

5.1 結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)的內(nèi)容及方法

結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)的內(nèi)容包括空載狀態(tài)弧門(mén)運(yùn)行的振動(dòng)、工作應(yīng)力和啟閉力的測(cè)試。

振動(dòng)測(cè)試采用A302三軸無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)、BS903無(wú)線網(wǎng)關(guān)和電腦組成的無(wú)線振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng);工作應(yīng)力測(cè)試和啟閉力測(cè)試采用SG404無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、BS903無(wú)線網(wǎng)關(guān)和電腦組成的無(wú)線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試框圖見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)線振動(dòng)、應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of wireless vibration and strain measuring system

振動(dòng)測(cè)試布置4個(gè)三軸加速度傳感器，工作應(yīng)力測(cè)試布置8個(gè)單向應(yīng)變片，啟閉力測(cè)試布置4個(gè)雙向應(yīng)變片。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)弧門(mén)空載啟閉運(yùn)行的振動(dòng)噪聲以及理論振動(dòng)模態(tài)分析成果，振動(dòng)測(cè)試的采樣頻率用200 Hz，工作應(yīng)力測(cè)試和啟閉力測(cè)試的采樣頻率用100 Hz。弧門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Arrangement of sensors for vibration test

啟閉力測(cè)試通過(guò)開(kāi)式小齒輪軸的扭矩測(cè)試結(jié)果，經(jīng)轉(zhuǎn)換得到，試驗(yàn)開(kāi)度為弧門(mén)正常開(kāi)啟的最大開(kāi)度，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。振動(dòng)測(cè)試和工作應(yīng)力測(cè)試的試驗(yàn)開(kāi)度為弧門(mén)經(jīng)歷異常振動(dòng)后振動(dòng)噪聲明顯下降后的位置，試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。

5.2 振動(dòng)測(cè)試成果

(1)整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值分布為:左支臂的振動(dòng)幅值最大，右支臂次之，上、下主梁最小。左支臂徑向幅值最大14.44 m/s2，約為該支臂其它2個(gè)方向的3倍;右支臂徑向和側(cè)向的振動(dòng)幅值與左支臂其它2個(gè)方向的振動(dòng)幅值相當(dāng)，約為右支臂切向振動(dòng)幅值的4倍;上、下主梁的振動(dòng)幅值相當(dāng)，其上下方向振動(dòng)的幅值均較其它方向的大。分析結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 弧門(mén)振動(dòng)最大幅值分布Table 4 Distribution of the maximum vibration amplitudes

(2)在啟閉過(guò)程中，左右支臂的切向振動(dòng)頻率均為0.012 21 Hz，與卷筒軸的轉(zhuǎn)頻相同，該頻率相當(dāng)于弧門(mén)結(jié)構(gòu)剛體模態(tài)理論分析時(shí)外加激勵(lì)的頻率，該方向的振動(dòng)正常;左支臂的徑向振動(dòng)頻率為82.01 Hz，右支臂的徑向振動(dòng)頻率為47.16 Hz。

(3)啟門(mén)過(guò)程左右支臂的側(cè)向振動(dòng)頻率均為47.16 Hz;閉門(mén)過(guò)程左右支臂的側(cè)向振動(dòng)頻率均為21.24 Hz，接近理論分析的支臂三階側(cè)向振動(dòng)模態(tài)的頻率21.09 Hz。

5.3 工作應(yīng)力測(cè)試成果

(1)支臂工作應(yīng)力基本上為壓應(yīng)力，靠近支鉸測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力大于遠(yuǎn)離支鉸測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力，面對(duì)擋墻測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力小于背對(duì)擋墻測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力。左支臂上測(cè)點(diǎn)在啟門(mén)過(guò)程中的工作應(yīng)力一直保持在32～36.5 MPa，在此過(guò)程中，工作應(yīng)力沒(méi)因受力條件改善而變化;該支臂受到的其它附加約束力抵消了弧門(mén)由位置變化本應(yīng)使支臂工作應(yīng)力的減小。右支臂上測(cè)點(diǎn)在啟門(mén)過(guò)程中的實(shí)測(cè)最大工作應(yīng)力為27.2 MPa，在此過(guò)程中，工作應(yīng)力值隨受力條件改善而降低，受力狀態(tài)正常。部分開(kāi)度位置工作應(yīng)力值見(jiàn)表5，實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖6。

表5 部分開(kāi)度位置工作應(yīng)力Table 5 Working stresses of arms at different openings MPa

圖6 左、右支臂測(cè)點(diǎn)啟閉過(guò)程工作應(yīng)力曲線Fig.6 Stress curves of measuring points on the left and right arms during opening and closing

(2)支臂工作應(yīng)力曲線頻譜分析結(jié)果顯示:左支臂在啟閉過(guò)程中工作應(yīng)力的頻率為3.046 Hz和3.540 Hz，該頻率與弧門(mén)4.35 m開(kāi)度的剛體模態(tài)中繞上軸線旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的頻率3.55 Hz接近;右支臂在啟閉過(guò)程中工作應(yīng)力的頻率為0.012 21 Hz，該頻率接近卷筒軸的轉(zhuǎn)頻。

5.4 啟閉力測(cè)試成果

(1)弧門(mén)在啟門(mén)階段左右2吊點(diǎn)啟門(mén)力的最大差值為16 kN，閉門(mén)階段左右2吊點(diǎn)持住力的最大差值為25 kN，見(jiàn)圖7。啟門(mén)階段，左右2吊點(diǎn)啟和停所出現(xiàn)的時(shí)間差隨弧門(mén)開(kāi)度增加而逐漸增大，這與采用全站儀測(cè)量左右2測(cè)點(diǎn)高程差隨弧門(mén)開(kāi)度增加而逐漸增大的成果吻合。

圖7 全站儀測(cè)高程全過(guò)程的啟門(mén)力及部分段頻譜Fig.7 Lifting forces measured by total station during the whole process and part of the spectrum

(2)對(duì)弧門(mén)連續(xù)啟閉操作和全站儀不同開(kāi)度測(cè)量啟閉操作各階段啟閉力曲線的頻譜分析結(jié)果顯示:

①開(kāi)式小齒輪軸上所測(cè)啟閉力的頻率主要包括:基頻(小齒輪軸的轉(zhuǎn)頻)0.048 83 Hz、小齒輪的嚙合頻率0.781 3 Hz及其倍頻3.418 ～3.613 Hz(該頻率與弧門(mén)1.35和4.35 m開(kāi)度的剛體模態(tài)中2階、3階的切振或是繞上軸線旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的頻率3.28～3.63 Hz接近)，分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)弧門(mén)啟閉過(guò)程的振動(dòng)噪聲現(xiàn)象吻合。

②在開(kāi)度小于4.39 m時(shí)，啟閉力主頻譜的頻率包含開(kāi)式小齒輪軸的轉(zhuǎn)頻、小齒輪的嚙合頻率和弧門(mén)剛體模態(tài)的振動(dòng)頻率;當(dāng)弧門(mén)開(kāi)度大于4.39 m時(shí)，啟閉力主頻譜的頻率為開(kāi)式小齒輪軸的轉(zhuǎn)頻和小齒輪的嚙合頻率。這說(shuō)明在開(kāi)度小于4.39 m時(shí)弧門(mén)出現(xiàn)的振動(dòng)為剛體模態(tài)振動(dòng)。

6 結(jié)論

(1)弧門(mén)開(kāi)啟7.6 m時(shí)，上主梁右測(cè)點(diǎn)比左測(cè)點(diǎn)高程高88 mm和左側(cè)支鉸軸高層偏差均已超出現(xiàn)行規(guī)范要求。在這2大因素影響下，現(xiàn)場(chǎng)左支鉸面向擋墻側(cè)與支鉸座的間隙達(dá)12 mm(設(shè)計(jì)圖紙中，兩側(cè)的間隙之和僅為10 mm)，另一側(cè)則與支鉸座緊密接觸，致使門(mén)葉產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，門(mén)葉的左頂角和右底角在某些開(kāi)度區(qū)間與邊墻發(fā)生摩擦，成為弧門(mén)產(chǎn)生異常振動(dòng)的主要原因。

(2)弧門(mén)振動(dòng)原型試驗(yàn)結(jié)果顯示:空載啟閉異常振動(dòng)主要為剛體模態(tài)振動(dòng)，出現(xiàn)在弧門(mén)開(kāi)度小于4.39 m位置。

(3)在弧門(mén)空載啟閉時(shí)，左支臂上測(cè)點(diǎn)在啟門(mén)過(guò)程的實(shí)測(cè)附加動(dòng)應(yīng)力一直保持在較高水平(36.5 MPa)，對(duì)支臂(Q235材料)來(lái)說(shuō)已接近其許可應(yīng)力(按屈曲失穩(wěn)計(jì))的一半，不利于該閘門(mén)的安全運(yùn)行。

(4)對(duì)弧門(mén)空載啟閉異常振動(dòng)問(wèn)題，建議首先從可能造成弧門(mén)左、右兩側(cè)位置高程差隨啟門(mén)開(kāi)度增大而增大的因素入手(如左右2卷筒直徑差、啟閉機(jī)相對(duì)閘門(mén)的安裝位置等)。

［1］徐建光，李長(zhǎng)河，王延斌，等.表孔弧形閘門(mén)空載振動(dòng)原型試驗(yàn)研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2004，23(3):88－92.(XU Jian-guang，LI Chang-he，WANG Yan-bin，et al.Prototype Test Research on Non-load Vibration of Arc Steel Gate［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2004，23(3):88 －92.(in Chinese))

［2］吳杰芳，張林讓?zhuān)?嶺，等.閘門(mén)流激振動(dòng)全水彈性模型試驗(yàn)的原型驗(yàn)證［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2005，22(5):62 － 64.(WU Jie-fang，ZHANG Lin-rang，YU Ling，et al.Verification of Perfect Hydroelastic Model Test of Flow Induced Gate Vibration by Prototype Observation［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2005，22(5):62 －64.(in Chinese))

［3］DL/T5018—2004，水利水電工程鋼閘門(mén)制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范［S］.2004:59 －61.(DL/T5018—2004，Specification for Manufacture，Installation and Acceptance of Steel Gate in Hydraulic and Hydroelectric Engineering［S］.2004:59 －61.(in Chinese))

［4］DL/T5019—94，水利水電工程啟閉機(jī)制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范［S］.1994:20.(DL/T5019—94，Specification for Manufacture，Erection and Formal Acceptance of Gate Hoists in Hydraulic and Hydroelectric Engineering［S］.1994:20.(in Chinese))