淺述水工鋼閘門(mén)卷?yè)P(yáng)式啟閉力動(dòng)態(tài)檢測(cè)

王長(zhǎng)江鄭圣義舒劉海（.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 30000 .河海大學(xué) 南京 0098）

淺述水工鋼閘門(mén)卷?yè)P(yáng)式啟閉力動(dòng)態(tài)檢測(cè)

王長(zhǎng)江1鄭圣義2舒劉海1
（1.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230000 2.河海大學(xué) 南京 210098）

目前，電阻應(yīng)變片在動(dòng)態(tài)測(cè)試方面的應(yīng)用較多，多見(jiàn)于振動(dòng)測(cè)試方面，在閘門(mén)啟閉力方面的應(yīng)用較少。而掛靠在河海大學(xué)的水利部水工金屬結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)中心所承擔(dān)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中，有關(guān)于閘門(mén)啟閉力的監(jiān)測(cè)就用到了電阻應(yīng)變片這一先進(jìn)方法。

動(dòng)態(tài)測(cè)試 電阻應(yīng)變儀 閘門(mén)啟閉力

1 啟閉力檢測(cè)現(xiàn)狀及發(fā)展

目前水工鋼閘門(mén)啟閉機(jī)的使用及維護(hù)一般采用定期和事后檢查、維修等策略，再結(jié)合專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和定性分析的方法來(lái)確定閘門(mén)啟閉機(jī)的維修、更新周期和方案。這種傳統(tǒng)的定性分析方法本質(zhì)上是半經(jīng)驗(yàn)半理論的，尤其在子結(jié)構(gòu)對(duì)設(shè)備整體安全度的貢獻(xiàn)權(quán)重、設(shè)備的現(xiàn)役安全度及壽命預(yù)測(cè)方面，其評(píng)估結(jié)果受人的因素影響，缺乏足夠充分的理論依據(jù)。

未來(lái)的閘門(mén)啟閉機(jī)檢測(cè)應(yīng)像水利部水工金屬結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)中心所述那樣，完整的、科學(xué)的水工鋼閘門(mén)啟閉機(jī)考核內(nèi)容應(yīng)主要包括：靜載考核、動(dòng)載考核和電氣設(shè)備檢測(cè)。靜載考核主要檢測(cè)啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)的承載能力；動(dòng)載考核主要驗(yàn)證啟閉機(jī)各機(jī)構(gòu)和安全裝置的功能；電氣設(shè)備檢測(cè)主要檢測(cè)電機(jī)的各項(xiàng)電氣參數(shù)是否滿足安全運(yùn)行要求。

閘門(mén)啟閉力檢測(cè)主要運(yùn)用動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)拉壓傳感器或電阻應(yīng)變片測(cè)量閘門(mén)的實(shí)際啟閉力，檢測(cè)狀態(tài)應(yīng)盡可能接近設(shè)計(jì)狀態(tài)。在無(wú)法做到的情況下，則應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演計(jì)算出閘門(mén)在設(shè)計(jì)水位下的啟閉力，并與啟閉機(jī)的額定啟閉力相比較，可得到啟閉機(jī)閉閘門(mén)的安全系數(shù)，判斷啟閉機(jī)啟閉閘門(mén)的可靠程度。

閘門(mén)在啟閉過(guò)程中的啟閉力是不斷變化的，因此，啟閉力檢測(cè)應(yīng)對(duì)啟閉閘門(mén)全過(guò)程的啟閉力進(jìn)行采集，以確定閘門(mén)的最大啟門(mén)力和最小閉門(mén)力。根據(jù)閘門(mén)啟閉力的這一特性，采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行啟閉力檢測(cè)。

2 檢測(cè)儀器及原理

動(dòng)態(tài)測(cè)試閘門(mén)啟閉力的儀器是YD-28型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀。該儀器是一種具有自動(dòng)平衡功能的動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，主要用于實(shí)驗(yàn)應(yīng)力分析及動(dòng)力強(qiáng)度研究中測(cè)量結(jié)構(gòu)及材料任意部位變形的動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量。如配用電阻應(yīng)變式傳感器，可以測(cè)量力、壓力、扭矩、位移、振幅、速度、加速度等物理變化過(guò)程。

電阻應(yīng)變計(jì)是用極細(xì)的金屬電阻絲繞成或用金屬箔片印刷腐蝕而成。用粘貼劑將應(yīng)變計(jì)牢固地貼在試件上。當(dāng)被測(cè)試件在外力作用下，長(zhǎng)度發(fā)生相對(duì)變化△L/L，粘貼在試件上的電阻應(yīng)變計(jì)也相應(yīng)變化，電阻應(yīng)變計(jì)的電阻值也發(fā)生了變化△R/R。這樣就把機(jī)械量—變形轉(zhuǎn)換電量—電阻值的變化用靈敏的電阻測(cè)量?jī)x器—電橋。測(cè)出電阻值的變化△R/R，就可以換算出相應(yīng)的應(yīng)變?chǔ)?。如果這電橋用應(yīng)變來(lái)刻度，就可以直接讀出應(yīng)變，完成了非電量的電測(cè)。應(yīng)變儀就是按照該原理進(jìn)行定標(biāo)的，電阻應(yīng)變計(jì)的“應(yīng)變效應(yīng)”是指上述機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電量的關(guān)系，用電阻應(yīng)變計(jì)的“靈敏系數(shù)”K來(lái)表征：

3 閘門(mén)啟閉力檢測(cè)

3.1 測(cè)點(diǎn)布置

閘門(mén)啟閉力檢測(cè)采用應(yīng)變片法。在啟閉機(jī)減速器輸出軸上，對(duì)稱(chēng)布置兩片可消除溫度影響的自補(bǔ)償雙向電阻應(yīng)變片?，F(xiàn)以某工程閘門(mén)檢測(cè)結(jié)果為例，具體闡述啟閉機(jī)啟閉力檢測(cè)情況。

3.2 檢測(cè)工況

該工程閘門(mén)采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)（QP-2×450kN），現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)閘門(mén)和啟閉機(jī)的運(yùn)行狀況，決定對(duì)3#、5#、10#、16#閘門(mén)進(jìn)行啟閉力檢測(cè)。檢測(cè)工況如下：

工況一：閘門(mén)上下游無(wú)水，閘門(mén)空載。工況二：

圖1 實(shí)測(cè)應(yīng)變過(guò)程曲線

（1）3#閘門(mén)：上游水位23.21m，下游無(wú)水，閘門(mén)水壓力為10508.7kN；

（2）5#閘門(mén)：上游水位23.12m，下游無(wú)水，閘門(mén)水壓力為10357.4kN；

（3）10#閘門(mén)：上游水位23.07m，下游無(wú)水，閘門(mén)水壓力為10273.8kN；

（4）16#閘門(mén)：上游水位23.16m，下游無(wú)水，閘門(mén)水壓力為10454.5kN。

其中閘門(mén)空載狀況時(shí)（工況一），3#、5#閘門(mén)啟閉力沒(méi)有進(jìn)行檢測(cè)。

閘門(mén)全關(guān)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)零。閘門(mén)由全關(guān)開(kāi)啟到一定開(kāi)度，停一段時(shí)間，再到全關(guān)為一個(gè)檢測(cè)過(guò)程。檢測(cè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行2～3次。工況一時(shí)，閘門(mén)的最大開(kāi)度為10m，工況二時(shí)，閘門(mén)的最大開(kāi)度為5m。

3.3 檢測(cè)成果與分析

3.3.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)處理

由于電阻應(yīng)變片布置在傳動(dòng)軸上，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為傳動(dòng)軸的應(yīng)變值，反映的是啟閉力作用下傳動(dòng)軸的剪應(yīng)力。為了獲得啟閉力，必須對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

根據(jù)廣義虎克定律，主應(yīng)力與主應(yīng)變的關(guān)系式為：

式中：σ1=τmax，σ2=0，σ3=－τmax（τmax為最大剪應(yīng)力）。

最大剪應(yīng)力：τmax=

由此可求得傳動(dòng)軸的扭矩Mn：

通過(guò)推導(dǎo)可求得啟閉機(jī)單側(cè)卷筒處兩根鋼絲繩總拉力F拉：

式中：F拉—啟閉機(jī)單側(cè)卷筒處兩根鋼絲繩總拉力kN；

ε—單側(cè)傳動(dòng)軸與軸線成45°方向的應(yīng)變值；

E—彈性模量（E=2.06×105MPa）；

表1 實(shí)測(cè)最大（最?。?yīng)變值和對(duì)應(yīng)啟閉力

μ—泊松比（μ=0.3）；

Wn—抗扭截面模量MPa；

d—傳動(dòng)軸直徑（d=0.18m）；

Z1—開(kāi)式大齒輪齒數(shù)（77個(gè)）；

Z2—開(kāi)式小齒輪齒數(shù)（16個(gè)）；

r—卷筒半徑（r=0.5m）；

η開(kāi)式齒輪—開(kāi)式齒輪傳動(dòng)效率，取0.93；

η卷筒—卷筒傳動(dòng)效率，取0.95。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可以求得兩根鋼絲繩總拉力F拉與應(yīng)變的關(guān)系式：

3.3.2 檢測(cè)成果計(jì)算與分析

根據(jù)實(shí)測(cè)最大（最?。?yīng)變值，利用式（2），可以得到實(shí)測(cè)最大啟門(mén)力和最小閉門(mén)力的計(jì)算結(jié)果，列于表1，實(shí)測(cè)應(yīng)變過(guò)程曲線如圖1。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以知道：

（1）在實(shí)測(cè)水位下，3#、5#、10#和16#閘門(mén)實(shí)測(cè)最大啟門(mén)力分別為775.8kN、776.9kN、734.3kN和721.0kN，均小于啟閉機(jī)的額定容量（2×450kN）。

（2）在實(shí)測(cè)水位下，3#、5#、10#和16#閘門(mén)實(shí)測(cè)最小閉門(mén)力分別為-412.7kN、-366.6kN、-392.8kN和-427.9kN，閘門(mén)能依靠自重關(guān)閉。

4 總結(jié)

該測(cè)試方法比較科學(xué)，加之先進(jìn)的應(yīng)變儀，使得測(cè)試結(jié)果比較準(zhǔn)確。唯一的不足之處就是測(cè)試過(guò)程中所測(cè)的測(cè)點(diǎn)較少，使得測(cè)試結(jié)果的普遍性較差，同時(shí)所得數(shù)據(jù)所反映的力的類(lèi)型也很有局限（剪力，彎矩等）。以后應(yīng)加深對(duì)多測(cè)點(diǎn)的研究與計(jì)算，使結(jié)果更具普遍性與科學(xué)性