基于某水利工程平面鋼閘門振動機理試驗研究

林立旗 張懷仁 洪偉 耿紅磊

摘? 要：閘門振動易引發(fā)自身結構的疲勞損傷，在某種條件下甚至會誘發(fā)閘門失穩(wěn)。誘發(fā)閘門振動的機理非常復雜，特殊條件下甚至造成閘門失穩(wěn)，本文基于某水利工程平面閘門的動力特性、振動響應、脈動頻率等相關振動參數(shù)的測試，結合其流固耦合分析情況，探討該平面鋼閘門振動產生的機理，提出相應的減震解決方案，為后續(xù)工程建設提供借鑒。

關鍵詞：平面鋼閘門? 測試? 自振激勵? 振動機理

中圖分類號：TV312;TV663.4? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）05（c）-0024-06

Experimental study on the vibration mechanism of plain gate in hydrographic engineering

Lin Liqi1? Zhang Huairen1*? Hong Wei2? Geng Honglei1

（1.National Center of Quailty Inspection and Testing for Hydro Steel Structure The Ministry of Water Resources P.R.China， zhengzhou， Henan Province 450044? China; 2.Bureau of Comprehensive Development

Ministry of Water Resources， Beijing， 100053? China）

Abstract： Gate vibration is easy to cause fatigue damage of its own structure， and even induce gate instability under certain conditions. The mechanism of inducing gate vibration is very complex， and even causes gate instability under special conditions. Based on the test of relevant vibration parameters such as dynamic characteristics， vibration response and pulsation frequency of plane gate of a hydraulic project， combined with its fluid structure coupling analysis， this paper discusses the mechanism of plane steel gate vibration and puts forward corresponding damping solutions， Provide reference for follow-up project construction.

Key Words： Plane gate; Test; Natural vibration excitation; Vibration mechanism

閘門振動是一種特殊的水力學問題，涉及水流條件、閘門結構及其相互作用，屬流體誘發(fā)振動[1]。根據對平面閘門事故原因分析，平面閘門破壞多發(fā)生在閘門的啟閉過程，往往伴隨著劇烈的振動，且容易誘發(fā)共振[2-3]，閘門振動易引發(fā)自身結構的疲勞損傷，在某種條件下甚至會誘發(fā)閘門失穩(wěn)。

導致閘門振動的機理非常復雜，至今沒有一個比較成熟的理論研究加以解決。但總體而言，閘門振動是因為流體與閘門結構的相互作用，其誘發(fā)原因分為受迫振動和自激振動[4-5]，因此，開展閘門振動機理研究，通過對閘門振動故障的診斷與分析，找出不利于閘門運行的工作狀況、提出預防閘門振動的措施，對防止閘門因振動失穩(wěn)具有重要的意義。

某水利工程在日常運行管理中發(fā)現(xiàn)，在存在某個特定上下游水位差且閘門小開度運行時，閘門門體存在明顯的振動現(xiàn)象，具體情況為：（1）上游水位在14.20～14.98m，下游水位在12.10～13.30m的情況下，閘門開度約15～80cm時，存在振動現(xiàn)象且上游水面有振動波紋。（2）當上游水位在14.00～14.20m，下游水位在11.40～11.80m的情況下，閘門開度約15～40cm時，振動強烈且上游水面出現(xiàn)振動波紋。

為找出該閘門異常振動產生的原因，本文通過對該平面閘門的動力特性、振動響應、脈動頻率等相關振動參數(shù)的測試研究，結合流固耦合有限元分析情況，分析該閘門異常振動的機理，并提出相應的減震解決方案。

1? 振動測試及數(shù)據分析

1.1 動力特性測試

通過對閘門提出孔口及閘門全部在門槽內不同工況下，采用隨機激勵方式對該閘門進行動力特性測試（振型如圖1、圖2所示），其結果為該閘門1階固有頻率分布在32.2～34.2Hz之間，2階固有頻率分布在70.3～73.2Hz之間。

1.2 振動響應測試成果與分析

在閘門上游水位為14.50m，下游水位為12.27m的情況下，閘門由全開狀態(tài)運行至全關測試結果分析如下：（1）閉門過程中各測點的振動趨勢相似，均未出現(xiàn)強烈振動;（2）閉門時出現(xiàn)瞬時強烈振動，振動持續(xù)時間極短，振動幅值較大;（3）閉門過程中最大振動加速度為2.2m/s?，所有測點最大振動加速度對應頻率集中分布在30.3～39.1Hz之間。

在閘門上游水位為14.50m，下游水位為12.27m的情況下，閘門由全關狀態(tài)運行至全開測試結果分析如下：（1）啟閉過程中閘門上各測點的振動趨勢相似，在200mm開度時振動幅值達到最大，持住時閘門出現(xiàn)強烈振動（振動加速度曲線和頻譜如圖3所示）;（2）閘門啟門至200mm位置過程中最大振動加速度為50.0m/s?;（3）閘門在200～600mm開度運行及持住過程中，各測點振動幅值較大，閘門出現(xiàn)間歇性強烈振動;（4）閘門在700mm以上開度運行中，各測點振動幅值較小，閘門未出現(xiàn)強烈振動。

1.3 脈動頻率測試成果

在閘門啟門和閉門過程中，該閘門上所有測點水下脈動壓力趨勢大致相同，振動幅值隨著開度增大先增大后減小，最大脈動壓力振動幅值對應頻率集中分布在23.4～35.2Hz之間（水下脈動壓力曲線和頻譜如圖4所示），接近閘門1階固有頻率，各測點的脈動壓力能量主要集中在低頻部分。

2? 流固耦合分析

在閘門運行過程中必然存在水流和閘門的相互作用，水流作用于閘門引起閘門的振動，反過來閘門的振動又影響了周圍流場的分布，把這種現(xiàn)象稱為流激振動。閘門流激振動是一種激起極其復雜的流體與結構相互作用現(xiàn)象，屬于典型的流固耦合（Fluid solid Interaction FsI）現(xiàn)象[6-8]。流固耦合力學的重要特征是兩相介質之間的交互作用，固體在流體動載荷作用下會產生變形或運動，而固體的變形或運動又反過來影響流場，從而改變流體載荷的分布和大小，正是這種相互作用，將在不同條件下產生各種不同的流固耦合現(xiàn)象。

2.1 流固耦合有限元分析過程

為保證計算精度和計算時間，流體計算部分采用2D平面模型計算，固體計算部分采用三維整體閘門模型諧響應分析，采用System Coupling進行耦合。具體分析方法如下：采用ANSYS Fluent模塊，求解出閘門在設計水頭、600mm開度、背部水深1.4m工況下，水流作用在閘門面板后方上的流場壓強;利用ANSYS模態(tài)分析模塊，計算閘門的前3階固有頻率;利用ANSYS諧響應分析模塊，通過模態(tài)疊加法，將包含正弦頻率的流場壓強施加在面板上，并設置流場壓強的頻率范圍，進而求解出閘門在哪種頻率下出現(xiàn)最大的振動。

2.2? 流體計算

采用ANSYS Fluent模塊，流體模型采用系統(tǒng)自帶的標準水流模型，粘性方程采用k-epsilon模型，參數(shù)默認，進口流速為1m/s，出口壓力為0（系統(tǒng)自動計算出口流速），迭代次數(shù)及殘差默認設置，計算結果見圖5～圖8。

采用流固耦合方法，利用Fluent計算閘門在最高設計水頭，閘門開度0.6m下門葉底緣前后方水流壓力及流速。由圖5～8可以得出，水流流過閘門底緣后，在門葉底緣上方一定距離產生較強的渦流，從而對閘門背水面底部形成負壓，該負壓因水流渦流作用下形成脈動壓力。負壓數(shù)值為-3.731kPa。

2.3 閘門三維諧響應計算

諧響應分析是結構動力學有限元分析的一種手段，目的在于計算出結構在幾種頻率下的響應值（通常是位移）對頻率的曲線，從而使設計人員能預測結構的持續(xù)性動力特性，驗證設計是否能克服共振、疲勞以及其他受迫振動引起的有害效果[9-11]。

諧響應掃頻分析中，脈動壓力為-0.007MPa，作用在閘門底緣后部面板上，根據閘門前兩階自振頻率及振型，設定掃描頻率區(qū)間為10～60Hz，采樣區(qū)間120段（諧響應掃頻分析的結果見圖9）。

從頻域圖中可以看到，從20～30Hz區(qū)間內，閘門底部振動振幅逐步加大，當閘門底部脈動壓力的頻率為31Hz左右時，閘門底緣將出現(xiàn)最大振幅（其脈動壓力頻率和振幅值為理論計算值，不完全代表實際值），同閘門自振頻率即固有頻率較為接近。閘門在該工況下出現(xiàn)共振。從計算結果中可以得出結論：閘門在200～600mm開度區(qū)間時，由于下游水位較高，水流泄流不暢，在閘門背后產生紊流，該紊流脈動沖擊壓力的頻率同閘門自身固有頻率耦合，從而產生共振，導致閘門發(fā)生強烈的振動。

采用模態(tài)分析法分析閘門前兩階自振頻率，可以看出，在水流脈動激勵下下閘門表現(xiàn)為底部底緣部分前后擺動，因此可以推斷出，若水流脈動頻率達到1階固有頻率附近時，閘門底部將首先出現(xiàn)劇烈振動，振動形式為底緣中部前后擺動，最終使閘門整體產生劇烈振動，最后以致達到共振。

3? 閘門振動測試結果的評價

對于閘門振動測試結果的評價與分析，國內暫無相關的技術標準和規(guī)范性文件。本項目閘門振動強烈程度參照采用美國阿肯色河通航樞紐中提出的以振動位移均方根值來劃分水工鋼閘門振動強弱的標準作為依據，通過各測點的振動加速度最大值和此時刻該測點頻率值計算振動位移，振動強烈程度如表1所示。

水工金屬結構的振動評價與分析，國內暫無相關的技術標準和規(guī)范性文件。借鑒機械系統(tǒng)共振判斷方法，本項目基于振動時程響應包絡線方法判斷閘門是否達到共振。由該閘門各個工況下各測點振動烈度可知，在水流激勵的作用下，某些開度（時間）其振幅不斷增大且持續(xù)一段時間，在達到最大振幅后迅速衰減，然后不斷重復類似過程，因此，該閘門已發(fā)生間歇性強烈受迫振動。

4? 振動機理分析

通過對該閘門進行動力特性測試、振動響應測試、脈動壓力測試、流固耦合分析，結果表明，閘門在啟門過程中，當該閘門處于某一特定開度下（200～600mm開度），閘門整體出現(xiàn)劇烈振動的情況且上游水面出現(xiàn)振動波紋，最大振動加速度為51.4m/s?，對應頻率為40.3Hz，最大振動位移為0.7mm。振動響應最大時的頻率和水流脈動壓力最大的頻率都接近閘門1階固有頻率，閘門在啟門和持住過程中振動強度遠大于閉門過程;超過該開度下閘門振動逐漸減小，且閘門下游水位對振動的劇烈程度有密切相關的影響。

根據該閘門振動參數(shù)測試成果，結合該閘門實際振動狀況及流固耦合計算可知，當閘門在200～600mm開度區(qū)間時，水流流過閘門底緣，由于下游水位較高水流泄流不暢，在閘門背后產生淹沒水躍，該淹沒水躍周期性沖擊壓力的頻率同閘門自身固有頻率耦合，從而產生共振，導致閘門發(fā)生強烈的振動。當閘門開度繼續(xù)加大，水流下泄順暢，淹沒水躍減弱，閘門振動減小。產生這種現(xiàn)象的原因是流體（水流）對固體（閘門）的雙向耦合作用產生的渦致振動，這種自激振動在閘門小開度運行且上下游水位差特定的情況下易發(fā)生。

5? 結論與建議

5.1 結論

根據現(xiàn)場測試成果、流固耦合分析及對閘門振動機理的研究，該平面鋼閘門小開度運行且上下游水位差特定的情況下，振動響應最大頻率和水流脈動壓力頻最大的頻率已接近閘門1階固有頻率且有強烈受迫振動現(xiàn)象，此區(qū)域為閘門無法避開運行區(qū)域，具備發(fā)生共振的必要條件，嚴重影響著工程的安全運行。

5.2 建議

（1）管理部門應制定合理運行規(guī)程，對閘門進行合理調度運行，避免閘門在振動強烈開度區(qū)間長時間持住或啟閉運行。

（2）對閘門采用加固手段，加大閘門剛度，提高閘門結構的固有頻率。

（3）優(yōu)化閘門過流方式、止水型式、支承型式，改善閘門的過流狀態(tài)，通過增加導流板等措施減小水流擾流脈動壓力產生的頻率。

參考文獻

[1] 董愛玲.基于ANSYS的某型號平面鋼閘門結構振動特性分析研究[J].水利技術監(jiān)督，2020（2）：151-154.

[2] 丁鵬，岳高峰，余鵬翔，等.某水電站閘門振動響應檢測及評價[J].水力發(fā)電，2020，46（3）：77-79.

[3] 劉鵬，徐國賓.平板閘門流激振動效應對啟門力的影響[J].南水北調與水利科技，2020，18（1）：144-149.

[4] 葛凱，張斌.懷洪新河西壩口節(jié)制閘工作閘門振動原因分析[J].江淮水利科技，2020（2）：24-36.

[5] 劉竹麗，陳赟，伊元忠.不同開度下平面鋼閘門流固耦合數(shù)值模擬研究[J].人民黃河，2020，42（11）：79-83.

[6] 陳赟.閘門流激振動及水流流態(tài)數(shù)值模擬研究[D].鄭州：鄭州大學，2019.

[7] 郭桂禎.平板閘門垂向流激振動特性與數(shù)值計算研究[D].天津：天津大學，2011.

[8] 劉月樓.平面直升閘門流激振動實驗研究[D].昆明：昆明理工大學，2018.

[9] 駱少澤，張陸陳，樊寶康.超大弧形閘門流激振動實驗研究[J].工程力學，2009，26（增刊2）：241-244.

[10]于蘭峰.塔式起重機結構剛性及動態(tài)優(yōu)化研究[D].成都：西南交通大學，2006.

[11]張憲，何洋，鐘江，等.疲勞振動試驗臺的模態(tài)與諧響應分析[J].機械設計與制造，2008（4）：12-14.