船閘人字閘門合攏對位檢測裝置優化設計

龍瀟飛

（長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000）

1 引言

隨著內河航運事業的迅猛發展，過閘船舶日益增多，為保障船閘安全、穩定、高效運行，船閘運行越來越多地運用智能化手段對設備運行狀態以及運行參數進行調整與監控。其中，船閘人字閘門關閉后，左右兩扇門體之間的門縫值與錯位值決定著門體是否正常合攏，在閘室充泄水過程中，門縫過大會導致較大的錯位值產生，而錯位值過大會造成閘門受力不均，嚴重時會對閘門結構造成永久性損傷。

某高水頭單級船閘通過激光測距儀在線監測閘門門縫的變化值以及錯位值，完善人字門運行安全監測漏洞。但由于激光測距儀安裝在某高水頭船閘人字門門頭，日常工作環境較為惡劣，長期受到陽光、溫度與雨水等環境因素影響，導致激光測距儀高頻率出現“死機”現象。激光測距儀“死機”后，船閘運維人員無法讀取人字門的門縫與錯位等數據，影響船閘關鍵參數在線監測，這常常需要工作人員到現場進行設備的調整來恢復讀值。為解決上述問題，本文針對現階段合攏對位檢測裝置中的激光測距部分進行分析優化。

2 設備現狀

某高水頭單級船閘在關終合攏情況下人字門合攏對位檢測裝置如圖1 所示。

圖1 人字門合攏對位檢測裝置

圖2 熱成像儀測量畫面

現階段人字門合攏對位檢測裝置的基本原理是：檢測門縫值時，激光測距儀水平安裝于一側閘門的支架上，通過檢測對側門體上的標靶距離，根據關終門體測量出的距離值為零點計算得出實時門縫值；錯位值通過垂直安裝的激光測距儀測量另一側門體上與水平面呈45°傾角安裝的標靶，將高度變化值轉化為門體相對水平距離值。

現階段運行過程中，擔任門縫與錯位檢測的激光測距儀出現高頻率故障，同時與天氣、季節變化有關，在天氣晴朗的夏季中午及下午故障高發。據此推斷，造成激光測距儀故障的主要原因可能是環境光強度過高或者陽光直射下產生的高溫所造成。為了明確裝置故障的原因，確定改進方向，為此進行現場試驗進行論證。

實驗采用了FLUCK 公司的熱成像儀對高溫天氣下的激光測距儀進行測溫。在多次進行溫度采集后發現激光測距儀夏季實際工作溫度在超過60℃任正常工作，由于傳感器工作溫度設計為-10℃～+60℃，傳感器在超過一定的工作溫度范圍內仍然正常運行，體現出了該型號激光測距儀的穩定性，同時排除了溫度是造成儀器故障的主要原因。

對環境光強是否為誘發激光測距儀故障的原因進行實驗，由于陽光照射強度較難選定特定光照強度值，實驗使用光強測定儀與人造光源照射選取特定光強，將其照射激光測距儀接收端5 秒，光強每上升5000Lux 進行一次測量，直至設備出現故障。

表1 光照強度實驗

再次對55000Lux 到60000Lux 每1000Lux 進行光照實驗。

表2 光照強度實驗（二）

從實驗中可得出結論光強在56000Lux 及以上照射時，激光測距儀出現無法自行恢復的故障。結合溫度實驗可以判斷出誘發激光測距儀故障的主要原因為環境光強度過高所造成。

故障原因確定之后，研究設計合適結構形式的遮光裝置成為需要解決的關鍵問題。

3 結構優化設計

由于運行于某大型高水頭單級船閘的激光測距儀工作環境惡劣，根據傳感器所處環境，設備需阻擋陽光直射，同時具有一定防止雨水與隔熱的功能。傳感器與標靶處于兩個移動門體之上，同時遮擋裝置太大容易產生與閘室船舶碰撞的風險，因此設計裝置必須小巧不突出門體。考慮到檢測裝置安裝在室外工作，材料選用了不銹鋼，既美觀又確保檢測裝置工作穩定耐腐蝕。

根據以上思路，我們設計優化了新的合攏對位檢測裝置，如圖3 所示。

圖3 合攏對位檢測裝置（優化后）

優化后的裝置在門體正常調整合攏后校對，將測得門縫值與錯位值設為零值。在正常的關門合攏流程中，門縫值為門縫測量值與校對值的差值，錯位值還需減去門縫值。針對現階段的合攏對位檢測裝置運行工況進行分析，根據故障記錄統計，80%以上的故障發生在錯位檢測傳感器上，而門縫檢測傳感器相對穩定可靠，我們重點對錯位傳感器安裝支架進行了重新設計。由于現階段的錯位傳感器垂直安裝時易受到水面反射光與周圍門體結構、水工建筑等的反射光，為此新設計的裝置將錯位激光測距儀水平放置，標靶設置為一個14.04°角度傾斜的反射板，在實現相同功能情況下減少雜光影響。

重新設計的激光測距儀安裝支架將傳感器內置在相對封閉的腔體之中，實現隔絕雨水、陽光直曬問題，沿傳感器的發射端與接收端設計相應的遮光筒，減少接收端接收到的光線入射角，同時內壁設置吸光材料，做到最大程度削減雜光對激光測距儀接收端的影響。

如圖4，新設計的激光測距儀支架與其蓋板之間通過橡膠條密封防止雨水進入其中，蓋板通過螺紋固定。在裝置底部同時設計有走線槽、通風板，若有雨水滲漏進入可通過底部通風板流出。傳感器安裝支架的前端設計有沿測距光的遮光通道，底部設計有一定斜率，使雨水無法進入，設計遮光通道長度為X，遮光通道高為Y，則可以根據設計值計算出，可照入陽光最大夾角tanα=Y/X=0.5，通過計算陽光夾角α ≈26°33′。

圖4 激光測距儀安裝支架

通過查詢資料，對比一年的陽光入射角可以知道某大型高水頭船閘夏至8：00 至17：00 陽光入射角大于α，在陽光入射角最小且日光不夠強烈的冬至10：00至15：00 入射角大于α，設計理論計算滿足遮光要求。

4 設計原理誤差

人字門在關終位置附近運行時，無論左門超前還是右門超前的“門縫與錯位”變化狀況是對等的。也就是說分析左門超前或者右門超前產生的檢測誤差是等價的。下面主要以一邊門超前進行設計原理誤差進行驗算。

本文優化結構中的設計原理誤差是由于人字門在運行時，門體運行軌跡實際為一條弧線，在人字門運行后，檢測傳感器激光與標靶之間產生了一個角度變化，角度變化量將對測量值造成一定誤差，此設計誤差應控制為2mm 以內。

根據現階段的裝置設計與相關資料我們可知最大相對角度變化Δθ=0.58°，據此我們可以計算出門縫的最大誤差值。門縫錯位檢測示意圖如圖5 所示。

圖5 門縫錯位檢測原理誤差分析示意圖

ab——為門縫傳感器測距時激光應該發射的方向

ac——為最大相對角度變化Δθ 時，門縫傳感器測距時激光實際發射的方向

af——為錯位傳感器測距時激光應該發射的方向

ad——為最大相對角度變化Δθ 時，錯位傳感器測距時激光實際發射的方向

已知傳感器的最大測距值為300mm，當Δθ ＝0.58°時，產生的測距誤差最大，設門縫與錯位最大測距誤差分別為ΔS、ΔZ，ac ＝ad=300mm，錯位標靶與垂直夾角∠fde=14.04°。

則ΔS ＝ac-ab ＝300-300×cosΔθ=300-300×cos0.58°＝0.015mm

ΔZ=ad-af=ad-（ae-ef）=300-（300×cosΔθ-300×sinΔθ×tan14.04°）=0.774mm

因此，門縫檢測原理誤差≤0.015mm，錯位檢測原理誤差≤0.774mm，錯位檢測實際誤差為錯位傳感器檢測原理誤差與門縫檢測原理誤差的綜合誤差。根據一般誤差的合成方法：已定系統誤差按代數和合成。原則上可以將ΔS+ΔZ=0.789mm 作為錯位實際誤差，由于0.789mm ≤2mm，誤差值在允許設計范圍內，同時對檢測裝置門縫檢測精度的影響較小。

5 主要技術特點

該裝置優化后主要有以下技術特點：

（1）使用激光測距的方式，將門縫狀態數據化、實時化，采用非接觸的方式進行測量，防止裝置互相碰撞，增加了裝置的可靠性。

（2）傳感器置于封閉腔體之類，隔絕了日曬雨淋，同時設計裝有遮光罩，防止陽光直射，減少環境光的入射角度，增加了激光測距儀的工作壽命與工作可靠性。

（3）錯位檢測標靶按一定傾角安裝，將兩門體的相對距離變化通過計算轉化為相對水平變化。

6 結語

本文簡單介紹了現階段船閘合攏對位檢測的數據化方式，激光測距儀在船閘中的運用，在對現有問題進行分析研究后提出了一套問題解決方案。