水运船闸工程顶升式跨闸桥故障诊断分析研究

耿红磊，古文倩，张怀仁，方超群，史清坤

(1.水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南 郑州 450044；2.黄河机械有限责任公司，河南 郑州 450006)

0 引言

某水运船闸工程顶升式跨闸桥布置在船闸外闸首，采用4支柱塞式液压油缸沿槽钢轨道垂直顶升桥体，在控制房设置一套泵站控制4个油缸动作。跨闸桥在升降过程中出现桥体振动和液压泵站噪声超标问题，影响跨闸桥的安全运行。为解决跨闸桥振动和泵站噪声超标问题，对跨闸桥的实际运行状况进行专项检测和复核研究，提出解决工程实际问题的方案与建议，确保设备安全运行。

1 专项故障诊断检测

针对跨闸桥升降过程中存在的振动较大问题，采用先进的技术手段对跨闸桥进行专项检测为故障诊断分析研究提供技术支撑[1]，主要检测内容包括以下几方面。

1.1 跨闸桥振动测试

(1)测试工况

为分析跨闸桥升降过程中振动较大的原因，对系统的振动响应进行测试。测试工况为：跨闸桥全行程升降，对整个升降过程中的振动情况进行测试。

(2)测试方法

跨闸桥振动测试采用模态分析仪振动测试系统，测量系统分析频率范围设置为10～1000Hz。测点选择在能代表跨闸桥整体运动的刚性较强的结构部件上，不得安装在刚性差、局部振动过大的部位，并按规定在每个安装面均布置测点。每台设备至少选择4～8个测点，较大或重要的设备可适当增加测点[6]，振动测点布置如图1所示。

图1 振动测点布置图

(3)数据处理

跨闸桥振动测试结果见表1，其中3#和5#测点的最大振动加速度幅值较大，分别为13.3、20.3m/s2。3#测点位于上游侧右侧角位置，方向为竖直方向；5#测点位于上游侧中间位置，方向为竖直方向。从测试结果可以看出，竖直方向振动普遍大于水流方向振动和横向振动；右岸3#测点和12#测点最大振动加速度幅值分别为13.3、8.4m/s2，大于左岸10#测点和9#测点的8.5、6.3m/s2；上游侧中间位置5#测点最大振动加速度为20.3m/s2，大于下游侧中间位置8#测点的6.8m/s2。由振动响应测试结果初步判断振动位置发生在右岸靠近上游侧。

表1 跨闸桥振动响应测试结果

备注：顺水流方向区分左、右。

1.2 跨闸桥轨道安装精度检测

(1)测试工况

跨闸桥在启、闭的运行过程中，轨道与桥体侧向支撑之间的运行干涉也可能造成跨闸桥运行过程中的振动，因此对跨闸桥的轨道的安装精度进行复测。安装精度复测工况为：跨闸桥处于关闭状态，桥体位于0m行程位置。

(2)测试方法

本次跨闸桥轨道安装精度检测采用徕卡TS30全站仪，测量精度为0.5"(0.15mgon)。测点布置为分别在轨道的1#～4#柱上距离地面高度0、1.5、3.0、4.0、5.0m的位置放置测量标志点。轨道的测点的空间位置如图2所示。

图2 跨闸桥轨道空间位置示意图

(3)数据分析

轨道的水平距离检测结果见表2。由结果可以看出，1#、2#槽钢轨道距离与3#、4#槽钢轨道距离最大差值为12.7mm，位于离地高度5.0m测点位置；1#、3#槽钢轨道距离与2#、4#槽钢轨道距离最大差值为26.8mm，位于离地高度4.0m测点位置。轨道距离相对差较大，运行过程会产生干涉或者间隙过大的情况，是跨闸桥运行过程中产生振动的影响因素之一。

表2 跨闸桥轨道水平距离检测结果

1.3 跨闸桥体起升同步偏差检测

(1)测试工况

跨闸桥体与液压油缸之间为硬连接，油缸缸体已埋设在混凝土中，无法对油缸的安装精度进行复测，跨闸桥在启、闭的运行过程中，跨闸桥体和油缸的作用力与系统的启闭力，组成一个动力联合作用的系统，最直接的反应就是液压油缸起升不同步。液压油缸起升不同步也可能造成跨闸桥运行过程中的振动的原因。跨闸桥体起升同步偏差工况为：跨闸桥全行程运行，分别在0、2、3、4、5、6、7m处对桥体进行同步偏差检测。

(2)测试方法

跨闸桥体起升同步偏差测点布置如图3所示，在跨闸桥桥体上放置A、B、C、D、E测点可反映桥体的同步偏差，其中A、B、E点分别靠近2#、1#、3#柱，在不同的起升高度位置测量各标志点的位置偏差。

图3 测量标志点位置示意图

(3)数据分析

测量结果见表3，跨闸桥起升过程中实测最大同步偏差为18.8mm。由于跨闸桥体与活塞杆之间是刚性连接，起升过程中不同步会造成桥体的扭曲，从而产生振动。

表3 跨闸桥体起升同步偏差检测结果T 单位：mm

2 液压系统复核

由于建设单位提供的跨闸桥液压原理图无电气动作表、液压元器件的型号和厂家，因此按照现场收集的资料对液压系统运行中产生振动和噪音可能性进行初步分析和判断。

根据跨闸桥液压原理图和现场查验，跨闸桥的液压系统控制回路主要由以下几部分组成：泵源回路(由比例变量油泵电机组和溢流阀等组成)、方向回路(3位4通电液比例换向阀)、差动回路(2位2通电磁换向阀)、平衡回路(液压缸、双平衡阀块等)。液压系统技术指标中要求4个液压缸同步控制精度为2mm。

2.1 4缸同步控制问题

(1)跨闸桥液压系统采用比例泵或比例换向阀与液压缸位移传感器可组成闭环电液控制系统，但是由于在顶升跨闸桥时采用差动回路，而且位于液压缸进油口附近，由于该油路的干扰，液压系统无法实现闭环控制。

(2)由于4个液压缸分别单独采用双平衡回路，由于平衡回路的特点，很难实现4个液压缸平衡阀的开度同步，因此即便采用电液比例调速，也很难调整4缸同步[2]。

基于上述原因该液压系统无法满足技术指标中关于4个液压缸同步控制精度为2mm的要求。

2.2 液压系统运行振动和噪音原因分析

跨闸桥液压系统的平衡阀、液压缸下腔及活塞组成一个开环系统，液压缸有杆腔为一个负反馈环节。跨闸桥液压系统输入控制压力后平衡阀开启，液压缸活塞便开始运动，此时若活塞速度比设定速度大时，相当于流出有杆腔的流量大于设定流量，有杆腔压力下降，平衡阀控制压力也随之下降，反之控制压力上升。若给平衡阀控制口施加一个较大压力时，当平衡阀通流面积增至稳态值，此时阀芯受力平衡，但由于惯性阀芯仍继续打开，这时阀的通流面积超过稳态值，液压缸无杆腔的压力已不能平衡负载，有杆腔压力减小平衡阀控制压力也随之下降，平衡阀芯又趋于关小。因此平衡阀芯在重复着打开、关闭振荡动作，活塞及活塞杆则在交替加速、减速，进而引起爬行。若平衡阀轻微振荡，活塞及活塞杆轻微爬行，趋于平稳后，跨闸桥液压系统平衡回路是稳定的。若平衡阀持续振荡，活塞及活塞杆则会严重爬行，则回路是非稳定的。

由此可知跨闸桥液压系统的控制油路的压力值在运动过程中发生改变，造成平衡阀的过流通道随之改变，当控制油路压力变幅较大或有干扰时，平衡阀的阀芯及弹簧就会对阀座产生冲击和振动而产生噪声[3]。

3 减振降噪建议

跨闸桥起升机构在运行过程中存在的液压泵站噪声超标和桥体振动问题，影响着跨闸桥的安全运行。为解决跨闸桥起升机构运行出现的噪声超标和振动问题，通过对跨闸桥进行专项检测和分析，建议如下。

3.1 跨闸桥减振消缺建议

(1)由于跨闸桥的轨道的安装精度误差较大，建议跨闸桥增加水平支承轨道(垂直水流方向)，在框架结构垂直水流方向内侧增加不锈钢平面轨道，桥体水平支承装置选用尼龙滚轮，滚轮与轨道之间使用润滑脂润滑，滚轮轴配置润滑装置；轨道安装直线度等相关制造安装技术要求建议参照GB/T 14173—2008《水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》执行[5]。

(2)由于液压系统油缸缸体已埋设在混凝土中，其安装位置和精度(铅锤度)无法进行改造或调整，加之桥体热胀冷缩影响，支铰座板与桥体的连接方式易使活塞杆承受附加弯矩，导致活塞杆运行不平稳，因此建议解除支铰约束使其处于相对自由活动状态，根据活塞杆全行程运行后支铰座板的最大偏移量确定支铰在水平方向上的自由活动范围及限位块固定位置；此外，支铰座板与限位块在高程方向上也应有一定间隙。支铰座板及限位示意图如图4所示。

图4 支铰座板及限位示意图

3.2 液压系统减振与降噪建议

(1)跨闸桥体起升过程中实测最大同步偏差为18.8mm，且系统未报警停机，表明4个液压缸未实现同步控制2mm的精度要求。建议根据桥的结构变形允许值确定同步控制量及报警、停机值，优化液压系统和电控系统，实现报警、停机保护功能。

(2)建议优化液压系统，以减少运行噪音、降低振动。具体建议为在平衡阀控制油路上增加节流措施减少压力的波动，保持控制油路压力稳定；或在液压缸负载口附加节流措施减少压力的波动。

4 结论

通过对船闸顶升式跨闸桥体振动和液压泵站噪声超标问题的故障诊断分析研究，找出跨闸桥现有的轨道安装精度问题和液压系统同步问题。提出采用解除支铰固定约束、增加水平支撑轨道并加大滚轮与轨道间润滑以及优化液压系统和电控系统的方式来改善跨闸桥振动和液压泵站噪声超标的问题，保证设备安全平稳运行。为其他工程预防和处理此类故障提供借鉴经验。