閘門(mén)振動(dòng)分析及防振措施

史喆瓊 李繼棟

【摘 要】作為水利水電工程建筑的重要組成部分，閘門(mén)的振動(dòng)直接影響到水利水電工程的安全和啟閉設(shè)備的正常運(yùn)行，掌握閘門(mén)振動(dòng)情況具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文在深入研究閘門(mén)振動(dòng)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，闡述了閘門(mén)各種振動(dòng)現(xiàn)象及其危害，分析振動(dòng)的成因并提出了相應(yīng)的防振措施。

【關(guān)鍵詞】閘門(mén)；振動(dòng)；防振

中圖分類(lèi)號(hào)：TH164 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）18-0037-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.016

【Abstract】As an important part of the water conservancy and hydropower Engineering building， the vibration of the sluice gate directly affects the safety of water conservancy and hydropower projects and the normal operation of the opening and closing equipment. It is of great practical significance to master the vibration of the sluice gate. Therefore， on the basis of the deep study of the vibration of the sluice gate， this paper expounds the various vibration phenomena and the harm of the gate， analyzes the causes of the vibration and puts forward the corresponding anti vibration measures.

【Key words】Sluice gate； Vibration； Anti vibration

0 引言

閘門(mén)是水利水電工程的重要組成部分，大部分閘門(mén)在啟動(dòng)或者關(guān)閉的過(guò)程中，都有一定程度的振動(dòng)情況[1]，對(duì)于振動(dòng)較小的情況，由于對(duì)水工建筑物影響甚小，一般可以忽略不計(jì)；但對(duì)于振動(dòng)較大的情況，可能對(duì)閘門(mén)產(chǎn)生較大的破壞，從而對(duì)整個(gè)水利水電工程產(chǎn)生較嚴(yán)重的后果。針對(duì)這種情況，需要對(duì)閘門(mén)振動(dòng)給予足夠的重視，這樣才能保證水工結(jié)構(gòu)工程順利實(shí)施。

1 閘門(mén)振動(dòng)分類(lèi)及危害

1.1 閘門(mén)振動(dòng)的分類(lèi)

閘門(mén)振動(dòng)主要分為輕微振動(dòng)、劇烈振動(dòng)和兩種情況[2]，一般認(rèn)為，輕微振動(dòng)和劇烈振動(dòng)通過(guò)閘門(mén)的平均振動(dòng)位移劃分，當(dāng)閘門(mén)平均振動(dòng)位移小于0.5mm時(shí)，為輕微振動(dòng)；當(dāng)閘門(mén)平均振動(dòng)位移大于等于0.5mm時(shí)，為劇烈振動(dòng)。

1.2 閘門(mén)振動(dòng)的危害

閘門(mén)的振動(dòng)一方面會(huì)對(duì)閘門(mén)本身產(chǎn)生破壞，另一方面還會(huì)引發(fā)與閘門(mén)連接的設(shè)備的損壞，進(jìn)而影響到整個(gè)工程系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 閘門(mén)振動(dòng)產(chǎn)生的原因

引起閘門(mén)振動(dòng)的原因主要分為兩個(gè)方面，首先，閘門(mén)自身結(jié)構(gòu)引起的振動(dòng)，包括閘門(mén)止水缺陷[3]引發(fā)振動(dòng)和閘門(mén)長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致閘門(mén)結(jié)構(gòu)變形引起的振動(dòng)；其次，外部水流引起的振動(dòng)，包括泄流時(shí)淹沒(méi)出流引發(fā)的振動(dòng)和大風(fēng)吹動(dòng)水面產(chǎn)生浪涌，波浪周期性沖擊閘門(mén)產(chǎn)生的振動(dòng)[4]。

3 波浪沖擊和水躍沖擊引起的震動(dòng)對(duì)閘門(mén)的影響

3.1 波浪沖擊閘門(mén)引起振動(dòng)

在上游出現(xiàn)的較大風(fēng)浪和涌潮作用下，閘門(mén)處于關(guān)閉擋水狀態(tài)，計(jì)算其最大振幅，示意圖如圖1。

設(shè)閘門(mén)寬bm，高lm，自振頻率是wHz，設(shè)上游水位高度為am，彈性模量為E，慣性矩為J，波浪高度是h，波浪力是F，閘門(mén)中間的最大位移為ym，波浪速度為v，風(fēng)速為v0。

根據(jù)分析，將實(shí)際問(wèn)題簡(jiǎn)化，最后簡(jiǎn)化為兩端固定的梁，受一簡(jiǎn)諧力作用，如圖2所示。

根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，位于距之作距離x處的任一單元的振動(dòng)位移表達(dá)式為：

運(yùn)行，得下圖3

分析發(fā)現(xiàn)，一般風(fēng)速引起的波浪不會(huì)使這種中小型閘門(mén)的位移到達(dá)0.5mm，因此閘門(mén)工作在安全環(huán)境中。

3.2 泄流時(shí)閘門(mén)的振動(dòng)

閘門(mén)泄流時(shí)或閘門(mén)在動(dòng)水操作中受到水流作用時(shí)都會(huì)戶(hù)生不同程度的振動(dòng)、一般情況下，振動(dòng)比較微弱，不致影響閘門(mén)的安全運(yùn)行，但在某些特定條件下，閘門(mén)將產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，甚至產(chǎn)生共振或動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象[5]。閘門(mén)泄流示意圖，如圖4.

分析簡(jiǎn)化，相當(dāng)于一端為自由端，一端固定的懸臂梁，如下圖5.由此可以設(shè)想， 若板在某一流速vk下形成自激振動(dòng)，那末相應(yīng)的懸臂梁也必定在這vk下產(chǎn)生自激振動(dòng)，相反，如懸臂梁在某一工作流速V0下不產(chǎn)生自激振動(dòng)，那么相應(yīng)的板一定不會(huì)顫振。

建立坐標(biāo)系，水平向左為X軸正方向，豎直向下為Y軸正方向，梁的彎曲振動(dòng)方程，查詢(xún)文獻(xiàn)，得

此方程的推倒運(yùn)算很復(fù)雜，此處只為粗略估算簡(jiǎn)化力學(xué)模型的靜撓度和頻率，故簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)材料力學(xué)，可知ε=，其中F代表水流作用力，l表示懸臂梁長(zhǎng)度，EJ表示彎曲剛度。

這里懸臂梁起著彈簧的作用，所以梁的彈簧系數(shù)：

4 閘門(mén)的防振措施

預(yù)防閘門(mén)振動(dòng)主要是從振源上直接消除振動(dòng)，如果無(wú)法直接消除，應(yīng)采取相應(yīng)的措施減小振源，或者采取措施減少振動(dòng)工況的運(yùn)行時(shí)間[6]。

4.1 閘門(mén)開(kāi)度調(diào)整

在閘門(mén)泄流時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，調(diào)整閘門(mén)開(kāi)度，盡量避免出現(xiàn)劇烈振動(dòng)的情況。

4.2 閘門(mén)自身結(jié)構(gòu)調(diào)整

首先，閘門(mén)止水要保證密封效果，閘門(mén)安裝時(shí)，進(jìn)行多次試驗(yàn)和調(diào)整，達(dá)到完全不漏水為止；其次，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)安裝要求的情況下，加強(qiáng)閘門(mén)強(qiáng)度，減少使用過(guò)程中閘門(mén)自身產(chǎn)生變形的量。

4.3 工程消浪設(shè)施的設(shè)置

在閘門(mén)上游加設(shè)防浪柵、防浪排，以削弱或減輕波浪對(duì)閘門(mén)的沖擊，也可以在胸墻底部設(shè)置通氣管，以使在正常泄流等情況下?lián)?fù)排氣的作用[7]，這是避免閘門(mén)振動(dòng)等不利情況的重要設(shè)施。

5 結(jié)論

閘門(mén)振動(dòng)危害很大，導(dǎo)致閘門(mén)發(fā)生振動(dòng)的因素涉及到很多方面，本文重點(diǎn)分析了擋水階段波浪沖擊和泄流階段的振動(dòng)，給出了簡(jiǎn)化的分析方法，用來(lái)解決振動(dòng)問(wèn)題，我們除了要在設(shè)計(jì)階段做好處理措施外，還應(yīng)該在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行故障分析，對(duì)振動(dòng)原因做出準(zhǔn)確地判斷，這樣就能針對(duì)性的實(shí)施處理措施，使振動(dòng)現(xiàn)象得到及時(shí)的控制，避免閘門(mén)被破壞。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉永林，劉斌.水工弧形鋼閘門(mén)振動(dòng)的負(fù)阻尼[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，4（4）.

[2]劉永勝.電站進(jìn)水口快速閘門(mén)振動(dòng)特性研究[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2011，10（32）.

[3]諶磊，王正中.弧形鋼閘門(mén)的動(dòng)力穩(wěn)定分析[J].人民黃河，2006，7，28（7）.

[4]吳長(zhǎng)剝，田海乎，王輝斌，唐衛(wèi)乎.水電站隧洞式進(jìn)水口事故工作閘門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)研究[J].機(jī)電與金屬結(jié)構(gòu)，2010，12，36（12）.

[5]孫小峰，馬益全.水工閘門(mén)振動(dòng)問(wèn)題研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)淺析[J].中國(guó)科技信息，2010（23）.

[6]林敦志.閘門(mén)振動(dòng)現(xiàn)象及振動(dòng)特性分析[J].工業(yè)技術(shù)， 2010（16）.

[7]楊瑞紅，何賢鋒，虧小東.閘門(mén)防振減振措施探折[J].水利建設(shè)與管理，2009（2）.