平面鋼閘門實時在線監測設計

舒劉海，劉鵬鵬

（中水淮河規劃設計研究有限公司，安徽合肥，230601）

水利水電工程中，平面鋼閘門布置緊湊，制造較易，被廣泛用于水利水電工程的泄水系統、引水發電系統、灌溉系統、航運系統等。中國水利工程使用最早、最多的閘門是平面閘門，目前已普遍采用焊接鋼閘門，其設計、制造、安裝及運用等諸方面均已達到世界先進水平。

因啟閉力大、局部開啟條件差、有門槽等缺點，平面閘門的應用受到了一定限制，但平面鋼閘門是必不可少的閘門型式（事故檢修閘門都采用平面閘門），對平面閘門進行研究是必要的。而當前一些工程的管理仍相對落后，采用大量人工排查隱患，這必然存在工作量大、效率低等缺點，與現在提倡的智能化發展相左。筆者探討通過布置合適的傳感器監測閘門運行過程實時狀態，從而及時發現隱患。

1 有限元分析

對某閘門結構進行有限元分析，為確定傳感器布置位置提供參考。

1.1 平面鋼閘門全關擋水靜應力分析

基本參數如下：門孔口高3 m，寬5.5 m。上游設計水頭5.60 m，下游無水。

平面閘門計算采用三維有限元。為方便有限元建模，先在三維建模軟件CREO中建立幾何模型，再導入Ansys Workbench中。

建立空間直角坐標系，原點在閘門底部，x軸沿主梁方向向右，z軸垂直向下，y軸指向上游。

閘門全關狀態下，邊界和約束條件兩側主輪軸外側約束y方向位移，側輪約束x方向位移，底部與地面接觸約束z方向位移，啟閉設備不受力。當受靜水壓時，水壓施加在面板上。

圖1 閘門整體變形位移Fig.1 The deformation and displacement of the gate

閘門整體中間變形明顯，兩側變形逐漸減小，且越往底部變形越大，原因在于此門垂直水流方向形如簡支梁結構，兩端簡單支撐，中間受靜水壓的作用，隨著水深增加，水壓越大，且越往中間對稱面位置，閘門產生的撓度位移越大，最大變形位移在底部梁格內，為1.036 3 mm。

圖2 閘門整體應力分布Fig.2 Distribution of stress on the gate

面板整體應力分布較均勻，中部稍偏下位置應力較大。三個主梁腹板中，應力較大的是下主梁腹板，且三個主梁腹板應力較大位置均出現在與內邊梁腹板交叉部位，邊梁應力較大部位集中在上下定輪軸孔附近。下主梁后翼緣處應力較大，中主梁后翼緣次之。應力最大位置在下主橫梁后翼緣靠近邊梁位置，其值為86.187 MPa。

1.2 模態分析

閘門振動也是一個較為突出的問題，從數值分析方面對閘門模態進行分析。

模擬計算出的平面鋼閘門結構有無限多階模態，即閘門結構模態參數與模態振型有無限多階，但是對實際工程起指導性作用的僅為前幾階模態參數與模態振型。筆者只提取平面鋼閘門在不同工況下的前五階模態參量，見圖3～7及表1。

圖3 全關擋水一階振型Fig.3 First order vibration mode as water retaining with gate fully closed

圖4 全關擋水二階振型Fig.4 Second order vibration mode as water retaining with gate fully closed

圖5 全關擋水三階振型Fig.5 Third order vibration mode as water retaining with gate fully closed

圖6 全關擋水四階振型Fig.6 Fourth order vibration mode as water retaining with gate fully closed

圖7 全關擋水五階振型Fig.7 Fifth order vibration mode as water retaining with gate fully closed

表1 閘門有水關閉自由振動特點Table 1 Characteristics of free vibration when the gate is closed with water pressure

2 平面閘門實時在線監測系統設計

根據有限元分析結合相關文獻統計[1]，強度破壞、結構變形、振動破壞、動力失穩均是水工金屬結構設備失事破壞的主要形式，都由應力過大、共振、門體失穩卡阻等問題引發。針對事故產生的可能原因，設計相應的監測內容與方法，從主要部位的應力狀況、振動情況、運行姿態和定輪運行狀態等方面入手，可及時發現隱患。

平面鋼閘門實時在線監測物理層次上分為三層：傳感器、數據采集模塊和工作站。傳感器采集測點位置實時數據，將非電信號轉變成電信號傳輸至下一單元；數據采集模塊對傳感器采集的數據進行預處理，再傳輸到工作站；工作站對傳輸來的數據進行處理分析，判斷運行情況是否正常，對超過預設數值的數據給予報警反饋。

圖8 實時在線監測原理圖Fig.8 Working principles of the real-time online monitoring system

2.1 監測點位置設計

各傳感器位置布置見圖9。

2.1.1 應力監測點位置設計

應力監測包括對構件靜應力和動應力的實時在線監測。閘門運行中許多構件都會承受一定的應力，當應力超出構件允許范圍，就會使閘門失效，嚴重時會給閘門帶來不可逆的損壞。因此，應對閘門應力較大區域和關鍵區域進行監測，如主梁、面板、支臂、吊耳等，然后根據實際測出的工作應力值進行解析，從而得到靜應力值和動應力值，并在應力值超標時發出預警和報警。

為了更好地發揮在線監測功能，傳感器防水、溫度補償等都是基礎要求，此外還要注意傳感器靈敏度和刷新率。

表2 應力監測點位置表Table 2 Locations of the points for stress monitoring

2.1.2 激流振動監測點位置設計

在閘門不同位置安裝加速度傳感器，閘門在受到水流沖擊及開閉時，加速度傳感器可以采集到不同位置的振動數據，再將采集到的數據通過處理器濾波、降噪、平均、回歸，實時進行時域和頻域分析，并在振動位移超標和振動頻率接近固有頻率時預警和報警。

依據Q/MA61UHLTX·002-2017《水工金屬結構實時在線監測評價準則》，企業標準采納公式logA＜3.14-1.16 logf，判斷閘門結構的動態特性和安全性。其中A為振動幅值，f為振動頻率。根據度汛過程中的監測數據，得到A-f曲線圖，判斷閘門振動響應的振幅、頻率是否滿足公式要求，當不滿足公式關系時，表明閘門的振動特性狀態不良，應當及時預警、報警。

依據Q/MA61UHLTX·002-2017《水工金屬結構實時在線監測評價準則》，企業標準采納美國阿肯色河通航樞紐管理局“振動構件平均位移劃分振動危害的判別標準”，采取“中等危害”、“嚴重危害”的指標作為ROMS系統的預警、報警閾值。振動構件平均位移劃分與振動危害程度的判別標準見表3。

表3 振動構件平均位移劃分振動危害的判別標準Table 3 Classification of vibration hazards by average displacement of vibrating components

閘門啟閉過程中，分析計算實測的流激振動數據后，得到振動位移的振幅時域曲線，通過對振幅時域數據進行智能化判斷，顯示預警、報警的頻次和時段。三向加速度測點位置見表4。

表4 三向加速度測點位置表Table 4 Locations of the points for monitoring of acceleration in 3 directions

要注意傳感器靈敏度和刷新率，太低的靈敏度肯定監測不到較低頻率和較小振幅的振動，較低的刷新率可能漏檢短促振動。

2.1.3 定輪運行狀態監測點設計

對平面鋼閘門4個定輪結構的運行姿態進行監測，監測啟閉門過程中定輪轉動情況。測點安裝位置為：左下定輪內側端面、左上定輪內側端面右下定輪內側端面、右上定輪內側端面。此類傳感器可采用磁渦流效應傳感器，在定輪上安裝一能改變渦流效應的物塊，傳感器對準物塊，當渦流突變一次即定輪轉動一周。

2.1.4 閘門運行姿態監測點設計

采用傾角傳感器測量閘門運行姿態，傾角傳感器布置在閘門垂直中心線上，高度處于上主梁。

閘門姿態檢測模塊包括傾角及邊距兩個參數，其中邊距b是弧形閘門傾斜后，閘門側邊到側軌（設計邊界）之間的距離，由閘門測點處的傾角β近似計算得到。閘門姿態監測模塊可滿足以下功能：當閘門邊距b小于規定值bmin時，即傾角儀監測到的傾斜角度達到臨界值βe時，報警提示。

圖10 傾角儀原理圖Fig.10 Working principles of the clinometer

2.2 系統各部分間信號傳輸方式

實時在線監測系統將傳感器安裝至需監測的設備上，采集的數據通過專用集成線纜傳送給采集箱模塊，數據采集模塊至工作站為有線連接，線纜為超六類雙屏蔽千兆網線。數據采集模塊輸出的數據也可以通過通信網、物聯網、互聯網及移動互聯網等互聯體系匯集至數據庫，并在云端平臺進行大數據分析和計算整合，同時對照規范，及時判斷應力、振動等各項指標是否符合要求。

3 監測數據與有限元數據對比

自安裝完成后，在線監測系統運行正常，表5為在線監測與有限元分析監測點位置的最大應力數據對比表，數據時間自2021年3月1日至5月1日，閘門上游水頭最高為5.5 m，閘門處于全關狀態。

表5 在線監測與有限元分析監測點位置最大應力對比Table 5 Comparison between maximum stress values gained by monitoring points and by finite element analysis

特征水位下，閘門各應力監測點的數值普遍較小，應力變化趨勢跟有限元分析數據一致，符合設計規范關于Q345材料的許用應力要求，從閘門擋水靜應力角度，可判斷為安全。

4 結語

通過在平面鋼閘門設備上布置實時在線監測系統，能夠對設備的運行情況進行全方位的監測，從而對設備運行進行合理化管理，促進設備更好地發揮作用，有利于水利水電工程金屬結構的穩定運行。除此之外，通過對設備進行實時全方位的監測，還能為技術革新提供廣闊的平臺和基礎。本在線監測系統實現了對閘門自動化、智能化、科學化的全天候監測，準確發現和判別缺陷、故障現象和原因，代替了常規的人工檢查，大大縮減了人力成本，還能在第一時間提供預警、報警和安全評價報告，將安全管理提高到一個更高的水平。