淺述水工鋼閘門卷揚式啟閉力動態檢測

王長江鄭圣義舒劉海（.中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 30000 .河海大學 南京 0098）

淺述水工鋼閘門卷揚式啟閉力動態檢測

王長江1鄭圣義2舒劉海1
（1.中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230000 2.河海大學 南京 210098）

目前，電阻應變片在動態測試方面的應用較多，多見于振動測試方面，在閘門啟閉力方面的應用較少。而掛靠在河海大學的水利部水工金屬結構安全監測中心所承擔的監測項目中，有關于閘門啟閉力的監測就用到了電阻應變片這一先進方法。

動態測試 電阻應變儀 閘門啟閉力

1 啟閉力檢測現狀及發展

目前水工鋼閘門啟閉機的使用及維護一般采用定期和事后檢查、維修等策略，再結合專家經驗和定性分析的方法來確定閘門啟閉機的維修、更新周期和方案。這種傳統的定性分析方法本質上是半經驗半理論的，尤其在子結構對設備整體安全度的貢獻權重、設備的現役安全度及壽命預測方面，其評估結果受人的因素影響，缺乏足夠充分的理論依據。

未來的閘門啟閉機檢測應像水利部水工金屬結構安全監測中心所述那樣，完整的、科學的水工鋼閘門啟閉機考核內容應主要包括：靜載考核、動載考核和電氣設備檢測。靜載考核主要檢測啟閉機結構的承載能力；動載考核主要驗證啟閉機各機構和安全裝置的功能；電氣設備檢測主要檢測電機的各項電氣參數是否滿足安全運行要求。

閘門啟閉力檢測主要運用動態測試系統，通過拉壓傳感器或電阻應變片測量閘門的實際啟閉力，檢測狀態應盡可能接近設計狀態。在無法做到的情況下，則應根據實測數據反演計算出閘門在設計水位下的啟閉力，并與啟閉機的額定啟閉力相比較，可得到啟閉機閉閘門的安全系數，判斷啟閉機啟閉閘門的可靠程度。

閘門在啟閉過程中的啟閉力是不斷變化的，因此，啟閉力檢測應對啟閉閘門全過程的啟閉力進行采集，以確定閘門的最大啟門力和最小閉門力。根據閘門啟閉力的這一特性，采用動態信號測試系統進行啟閉力檢測。

2 檢測儀器及原理

動態測試閘門啟閉力的儀器是YD-28型動態電阻應變儀。該儀器是一種具有自動平衡功能的動態電阻應變儀，主要用于實驗應力分析及動力強度研究中測量結構及材料任意部位變形的動態應變測量。如配用電阻應變式傳感器，可以測量力、壓力、扭矩、位移、振幅、速度、加速度等物理變化過程。

電阻應變計是用極細的金屬電阻絲繞成或用金屬箔片印刷腐蝕而成。用粘貼劑將應變計牢固地貼在試件上。當被測試件在外力作用下，長度發生相對變化△L/L，粘貼在試件上的電阻應變計也相應變化，電阻應變計的電阻值也發生了變化△R/R。這樣就把機械量—變形轉換電量—電阻值的變化用靈敏的電阻測量儀器—電橋。測出電阻值的變化△R/R，就可以換算出相應的應變ε。如果這電橋用應變來刻度，就可以直接讀出應變，完成了非電量的電測。應變儀就是按照該原理進行定標的，電阻應變計的“應變效應”是指上述機械量轉換成電量的關系，用電阻應變計的“靈敏系數”K來表征：

3 閘門啟閉力檢測

3.1 測點布置

閘門啟閉力檢測采用應變片法。在啟閉機減速器輸出軸上，對稱布置兩片可消除溫度影響的自補償雙向電阻應變片。現以某工程閘門檢測結果為例，具體闡述啟閉機啟閉力檢測情況。

3.2 檢測工況

該工程閘門采用卷揚式啟閉機（QP-2×450kN），現場根據閘門和啟閉機的運行狀況，決定對3#、5#、10#、16#閘門進行啟閉力檢測。檢測工況如下：

工況一：閘門上下游無水，閘門空載。工況二：

圖1 實測應變過程曲線

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

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

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

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

其中閘門空載狀況時（工況一），3#、5#閘門啟閉力沒有進行檢測。

閘門全關時檢測系統調零。閘門由全關開啟到一定開度，停一段時間，再到全關為一個檢測過程。檢測過程重復進行2～3次。工況一時，閘門的最大開度為10m，工況二時，閘門的最大開度為5m。

3.3 檢測成果與分析

3.3.1 檢測數據處理

由于電阻應變片布置在傳動軸上，實測數據為傳動軸的應變值，反映的是啟閉力作用下傳動軸的剪應力。為了獲得啟閉力，必須對實測數據進行處理。

根據廣義虎克定律，主應力與主應變的關系式為：

式中：σ1=τmax，σ2=0，σ3=－τmax（τmax為最大剪應力）。

最大剪應力：τmax=

由此可求得傳動軸的扭矩Mn：

通過推導可求得啟閉機單側卷筒處兩根鋼絲繩總拉力F拉：

式中：F拉—啟閉機單側卷筒處兩根鋼絲繩總拉力kN；

ε—單側傳動軸與軸線成45°方向的應變值；

E—彈性模量（E=2.06×105MPa）；

表1 實測最大（最小）應變值和對應啟閉力

μ—泊松比（μ=0.3）；

Wn—抗扭截面模量MPa；

d—傳動軸直徑（d=0.18m）；

Z1—開式大齒輪齒數（77個）；

Z2—開式小齒輪齒數（16個）；

r—卷筒半徑（r=0.5m）；

η開式齒輪—開式齒輪傳動效率，取0.93；

η卷筒—卷筒傳動效率，取0.95。

代入相關數據，可以求得兩根鋼絲繩總拉力F拉與應變的關系式：

3.3.2 檢測成果計算與分析

根據實測最大（最小）應變值，利用式（2），可以得到實測最大啟門力和最小閉門力的計算結果，列于表1，實測應變過程曲線如圖1。

根據表中數據可以知道：

（1）在實測水位下，3#、5#、10#和16#閘門實測最大啟門力分別為775.8kN、776.9kN、734.3kN和721.0kN，均小于啟閉機的額定容量（2×450kN）。

（2）在實測水位下，3#、5#、10#和16#閘門實測最小閉門力分別為-412.7kN、-366.6kN、-392.8kN和-427.9kN，閘門能依靠自重關閉。

4 總結

該測試方法比較科學，加之先進的應變儀，使得測試結果比較準確。唯一的不足之處就是測試過程中所測的測點較少，使得測試結果的普遍性較差，同時所得數據所反映的力的類型也很有局限（剪力，彎矩等）。以后應加深對多測點的研究與計算，使結果更具普遍性與科學性