北疆大型水工平面闸门的振动测试

韩 璞，薛惠芳，2，何 青

(1.华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 102206;2.南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 210009; 3.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206)

北疆某大型水利枢纽位于沙漠地区，其倒虹吸工程采用A，B 2条输水管道，进水口与出水口高差超过30m，通过出水口的闸门开度控制倒虹吸管道的引水流量，在试通水期间，位于倒虹吸出口的2个平面闸门均出现不同程度的振动.由于闸墩是建在沙丘上的混凝土结构，闸门的振动是否会激励闸墩产生振动，从而导致闸墩结构失稳或变形，是必须要考虑的工程运行安全问题.另外，闸门的长期振动也会导致闸门边缘上滚轮的紧固螺栓松动和闸门启闭机底座上的紧固螺栓松动等，因此，监测闸门和闸墩的振动、掌握启闭机底座下面的闸房座板的振动情况是十分必要的[1].

为了适时调节闸门开度以确保下泄流量和倒虹吸处于正常状态，工作闸门需长时间作局部开启运行，而出口闸门的水力特性和振动诱发原因是极其复杂的流固耦合问题.通过测试，了解闸门在开启和关闭过程中不同运行工况下的振动特性，从而制定科学合理的运行规范，是保证闸门长期安全运行的必要措施.此外，闸门振动的现场实测与分析，有助于分析研究振动的诱发原因和闸门流激振动的理论研究[2].

本文针对试通水期间出现振动现象的两个闸门，设计制作振动测试传感器以及振动测试系统，结合水利枢纽的二次试通水运行调试，对不同工况下的2个闸门及闸墩进行振动监测，为制定闸门运行规范提供理论依据，也为研究闸门流激振动机理储备试验数据.

1 闸门振动测试对象与系统

描述结构振动的3种基本参数是位移、速度和加速度，它们都是时间的函数.在本工程试验中，振动信号的分析主要是时域分析，运用测振传感器，测得闸门结构的振动信号以位移、速度或加速度的单位指示出它们的峰值、峰-峰值、平均值等，即能掌握闸门结构振动的位移幅值、振动烈度、振动趋势等.但是，水流激发的闸门振动是非常复杂的随机振动，这些随机振动过程也并非毫无规律，只要获得足够多、足够长的样本函数(即时间历程记录)，就可以求得其概率意义上的统计特征参数，即统计规律[3-6].

1.1 测试对象与测点布置

倒虹吸出口闸门振动特性测试主要是为了了解闸门、闸墩及闸房座板等结构在各种运行工况下发生振动的实际状况，测试对象如图1所示，包括A线1号闸门和B线2号闸门、1号闸门左闸墩和2号闸门左闸墩(中墩)、中墩顶部以及2个闸房座板等.

为了准确全面地捕捉闸门重要结构在各个方向上的振动状况，同时考虑到闸门长期工作在水下以及测试元件安装维护等方面的具体情况，专门设计制作了耐高低温变化和耐压防水的三轴振动加速度传感器，用于测量顺水向、垂向及横向振动参数.传感器采用螺栓固定和防水结构，信号电缆采用水下专用的多芯屏蔽电缆[7].为了确保一次测试成功，在测试系统中采用传感器冗余配置，即在每个闸门上均设置2个传感器，以防止意外因素导致传感器损毁和失效，确保试验顺利进行.测点布置见图1.

2个闸房座板用于固定闸门的液压启闭机提升装置，选用608A11型ICP单轴压电加速度传感器，分别安装在1号闸房和2号闸房座板上，以测量通水期间闸座垂直方向的振动参数.

图1 闸门振动测试对象及测点布置Fig.1 Object for vibration tests and layout of measuring points

为方便描述，给三轴和单轴传感器定义坐标系，进行振动监测时，测点布置信息如表1所示.

1.2 测试与分析系统组成

闸门振动监测与分析系统如图2所示，采用INV303数据采集仪器，在通用微机中安装东方科卡和DASP大型软件，构成振动测试分析系统，该系统集多路并行无时差数据采集、信号处理、故障诊断等多功能于一体，采样频率范围为0.001～20kHz，超大容量连续不间断采集，采样过程随启随停，可以实现示波、采样、回放等流程，有效避免错误采样.

表1 闸门振动测点信息Table 1 Information of measuring points for vibration tests on gates

图2 闸门振动监测与分析系统框图Fig.2 Framework of vibration test and analysis system for gates

2 闸门振动测试内容与分析

在倒虹吸工程通水期间，对出口处1号和2号闸门、闸墩及闸顶和闸房座板等处的振动信号进行不定时采集分析，主要测试内容包括两个方面，即A线通水过程中对1号闸门各运行工况下的振动监测，在B线通水过程中对2号闸门大流量下的振动监测，这两方面的测试内容基本上包含了闸门的主要工作环境和状态，所得测试结果具有代表性.

2.1 1号闸门各运行工况振动监测

本文中的闸门运行工况是指闸门不同的开度变化以及闸门前输水管线出口处的流量大小变化.闸门的开度变化是通过液压提升装置控制闸门提高和下压实现的，流量的大小变化取决于倒虹吸入口处水位的高低，由出口管线上安装的超声波流量计测得.

在A线输水过程中，多次改变闸门开度，整个振动监测过程持续长达9d，采集数据共40次，最短记录时长5s，而最长记录时长达2335s(约39min)，重点是及时采集闸门在运行工况发生变化时刻的瞬时振动信号.

将40次试验的工况进行编号，其中试验序号1～18的工况是闸门开度0.141m，对应流量变化范围为4.96～5.31m3/s，由于测得的振动位移量较小，在此不予分析讨论.试验序号19～40的工况比较复杂，通过测试得到较大的振动位移量，相应的工况信息如表2所示.

将40种运行工况下测得的振动信号进行分析和处理，得到数据文件.用C++语言编写了数据后处理与分析程序，通过该程序可以对长数据进行分析，结合1号闸门的测点信息，得到该闸门在通水时各测点的振动趋势图如图3所示.通过振动趋势图可以获得闸门振动与运行工况之间的关系，其中，捕捉到振动峰值现象的试验序号为23和31，对应表1中的闸门开度0.220m和0.310m.

小开度下闸门系统的剧烈振动是由外部水流的干扰引起的，包括水流及波浪对闸门的冲击，水跃对闸门的脉动作用，以及在动水中启闭操作时复杂的脉动水压作用力的影响.闸门具有一定的自振频率，它是闸门结构本身的固有参数，决定于闸门结构刚度、质量分布和材料性质等，而闸门振动的大小取决于闸门结构自振频率与激励频率的关系及结构的刚度.如果水流的脉动频率接近闸门的自振频率时，不管这种激励频率是外力固有的，还是由于闸门结构与水流发生耦合而次生的，都将导致闸门发生共振，如果振幅达到很大值，还将使闸门整体或局部发生强烈振动，在闸门结构内出现不平常的应力和应变，使闸门受到损害，这是该输水工程上不可忽视的一个重要问题[1，8-12].

表2 1号闸门工况信息Table 2 Work conditions for gate No.1

图3 1号闸门振动趋势Fig.3 Work conditions for gate No.2

2.2 2号闸门大流量振动监测

在B线输水过程中，调节闸门开度，并且改变倒虹吸入口流量，从10.20m3/s到4.99m3/s再到16.50m3/s的大流量，对2号闸门、左侧闸墩(中墩)和闸房座板等处的振动信号进行不定时采集分析，大流量测试过程持续时间近100min.将4次试验的工况进行编号，相应的工况信息如表3所示.

将4种运行工况下测得的振动信号进行分析和处理，结合2号闸门的测点信息，得到该闸门在通水时各测点的振动数据，图4所示为各测点振动趋势图.比较图3和图4，虽然1号闸门和2号闸门的结构形式、测点布置都一样，但是结合了A，B两条输水管线不同的试运行情况，比较全面地反映了闸门在不同流量、不同开度下的振动实况.

由测试系统可以直接得到典型测点的振动波形图(位移、速度和加速度)，图5为加速度振动波形图.从图5和表3可以看出，2号闸门在大流量试通水期间，由于工况改变引起振动加速度数值的突变，其时间段所对应的通水工况包含闸门开度0.301m.图5与图3、图4不同之处在于反应的是在时域内的大量连续的闸门振动数据信息，可用于进一步分析闸门的随机振动.

表3 2号闸门工况信息Table 3 Work condition for gate No.2

图4 2号闸门振动趋势Fig.4 Vibration trend curves for gate No.2

2.3 闸房座板振动测试

使用单轴加速度传感器，对1号闸房的座板在各运行工况下的垂向振动进行测试，对2号闸房的座板在大流量时的垂向振动进行测试，得到闸房座板振动趋势如图6所示，可以看出，与使用三轴加速度传感器对1号闸门和2号闸门的监测结果相比较，两者具有相当好的一致性，从而验证了测试系统的正确与合理性.

测试数据表明，闸门结构的振动是一种宽频瞬态激励振动，其中闸墩振动幅度小于闸门，闸房座板的振幅最大.闸门固有频率分布较广，因此容易激发出各阶固有频率振动，而闸墩的模态阻尼比较大，虽然在工况改变时，振动幅值会明显增大，但持续时间并不长，一般不会引起共振，所以是安全的.考虑到倒虹吸出口闸门周边基础环境等因素，虽然瞬态激励产生的振动幅值并不十分大，也应在输水过程中严格监视振动情况，如能实现在线监测，将为闸门运行增加一道重要的安全保障.

图5 2号闸门振动波形Fig.5 Vibration waveforms for gate No.2

图6 闸房座板振动趋势Fig.6 Vibration trend curves for gate seats

3 结 语

通过对闸门结构系统在各种输水运行工况下振动响应的现场监测，进行了大量的振动数据采集记录和分析，得到了比较全面的闸门结构振动与各种工况之间的关系数据，发现多次振动都与工况瞬时变化密切相关，并且振动位移和加速度主要与闸门开度变化有关，因此，要制定合理的闸门运行规范，使之避开长期滞留在剧烈振动的开度，即0.220m和0.310m等.另外，从测试结果看，闸门的微小振动长期存在，可能造成闸门导轮螺栓松弛或脱落，因此，建议在停水期间定期检查维护.

由于本次测试项目多，测试通道多，波形记录时间长，所以获得了较为全面的实测数据资料，这有助于分析闸门结构系统的随机振动特性，如概率密度函数、概率分布函数、相关函数和功率谱密度函数等，并为研究水流脉动压力对闸门振动的影响作了较好的数据储备，对于进一步研究闸门的流激振动机制，该测试系统也是正确可行的.

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