卷扬式启闭机启闭力检测

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【摘要】：针对不同的闸门和启闭机，其启闭力的检测方法也不同，本节主要介绍一种常见的卷扬式启闭机的启闭力检测。后一种检测可根据SL101－94《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》规定，启闭机应每隔10～15年进行一次定期检测，其中有一项内容就是闸门启闭力的检测。在卷扬式启闭机的检测中，由于启闭机减速箱输出轴中部处于纯扭状态，一般采用单应变片检测启门力即可。

8.3　卷扬式启闭机启闭力检测

前面所介绍的闸门和启闭机的种类很多。针对不同的闸门和启闭机，其启闭力的检测方法也不同，本节主要介绍一种常见的卷扬式启闭机的启闭力检测。

8.3.1　闸门启闭力检测的目的

水电工程施工完毕，新的闸门和启闭机安装好后，其启闭力是否达到设计的理论计算要求，需要进行检测;闸门与启闭机运行多年之后，是否还具有原启闭力额定标准要求，或是否满足安全启闭的要求，也需要进行检测。后一种检测可根据SL101－94《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》规定，启闭机应每隔10～15年进行一次定期检测，其中有一项内容就是闸门启闭力的检测。综上所述，闸门启闭力检测的目的是:

(1)为工程管理单位提供制定闸门运行管理措施和方法的理论依据。

(2)为工程管理单位提供闸门启闭机是否需要维修、加固或拆旧换新的理论依据。

8.3.2　闸门启闭力检测的方法与仪器

8.3.2.1　闸门启闭力检测的方法

闸门启闭力的检测方法有:

(1)直接检测法——采用拉、压传感器或测力计直接测试。

(2)间接测试法——采用应变片和动态应变仪测试，然后通过胡克定律将动态应变值换算成力。或使用其他方法求得。

直接测试法采用的拉、压传感器或测力计在实际工程中一般不便于布置，实际中采用不多，而间接测试法测启门力时，测点一般布置在吊点、吊杆或闸门吊耳等构件上，这些部位受力状况较为复杂，每个吊点至少布置3片应变片，通过主应力计算出启门力。由于主应力的方向与启门力的方向可能不完全一致，这样算出的启门力会有一定的误差。

8.3.2.2　间接测试法在卷扬式启闭机检测中的应用

在卷扬式启闭机的检测中，由于启闭机减速箱输出轴中部处于纯扭状态，一般采用单应变片检测启门力即可。其测点布置在减速箱输出轴的中部，沿轴线45°方向贴一动态应变片作为测力工作片，其他应变片(一应变片沿沿轴线方向、一应变片沿垂直轴线方向，即横向)为精度验证片。但在实测时，精度验证片的应变值均较小，说明由工作片算出的启门力精确度比较高。

此外，为了更准确地测量或校核上一方法所测的启闭力，又可以在闸门的左右吊耳上布置应变片进行测试。

8.3.2.3　间接测试法测试系统方框图及仪器

间接测试法测试系统方框图如图8-7所示。

图8-7　测试系统方框图

该测试系统中主要配套仪器为动态电阻应变仪、数据采集器、动态数据处理仪和打印机等。

8.3.3　闸门启门力测试计算原理

闸门启门力是通过测试输出轴扭矩的间接方法测试后再计算而得。这个办法首先将测试所得应变值换算成输出轴的扭矩，然后通过扭矩计算出启门力。

8.3.3.1　输出轴的扭矩

从输出轴的受力分析可知，减速箱输出轴中部处于纯扭状态，轴表面各点的三个主应力为σ₁=τ_max，σ₂= 0，σ₃=－τ_max(τ_max为最大剪应力)。由材料力学得

式中:E为材料的弹性模量;μ为材料的泊松比;ε_45°为实测动应变。

式中:Mn为输出轴扭矩;Wn=D³，为输出轴的截面抗扭模量(D为输出轴的直径)。

故输出轴的扭矩为:Mⁿ=D³|ε^45°|　　　(8-18)

8.3.3.2　启门力的计算

根据输出轴的扭矩Mn，计算小齿轮的受力F为:

式中:r为小齿轮的半径。

此外，由大齿轮与滚筒之间的受力平衡系统，如图8-8所示，得到:

T·R₂= F·R₁

图8-8　大齿轮与滚筒受力平衡系统

则闸门的启门力为:

式中:T_左和T_右分别为闸门左右两根钢丝绳启门时的拉力。

8.3.3.3　吊耳板启门力的计算

吊点启门力由滑轮通过两块吊耳传到门体。根据圣维南原理，吊耳的中下部接近单向受拉，可在此布置n个(根据吊耳的大小而定多少个)单向应变片，测出其应变，再由应变计算应力和拉力，最后推算整个闸门的启门力。计算公式如下:

式中:σ_点——吊耳(单片)应力;

T_单——单边启门力;

F_Q——闸门的启门力;

E——吊耳弹性模量(kN/m²);

A——吊耳截面面积(m²);

ε——单片吊耳的应变;

ε_均——n片吊耳的平均应变;

σ_均——n片吊耳的平均应力;

T_左、T_右——分别为闸门左、右两边吊耳开启闸门时的拉力;

ε_左均、ε_右均——分别为闸门左、右两吊耳的平均应变。

8.3.4　工程实例

8.3.4.1　工程实例1

某水电站现总共布置了8扇泄洪表孔弧形闸门，门重为500kN，

其孔口尺寸为9.8m×10.5m×12.1m(高×宽×支臂长)，每扇门都单独布置了2×230kN固定卷扬式启闭机系统。启闭机输出轴的直径D= 0.14m，E= 2.1×10¹¹ Pa，μ= 0.3，滚筒的半径为R₂= 0.5m。1^#闸门动测水位114.58m，4^#闸门动测水位114.88m。

1.启门力大小

我们对1^#闸门和4^#闸门的启门力进行了检测(沿轴线45^°方向贴一动态应变片)，测出启门时启闭机输出轴的动应变，将有关几何尺寸代入式(8-20)，得钢丝绳启门时的拉力为

启门力与开度的动态关系见图8-9和表8-6。

图8-9　1^#门和4^#门启门力与开度关系图

表8-6　闭门力与开度关系表

2.精度验证

进行1^#闸门启门力检测时，既布置了测力工作片，也沿右边电机输出轴轴线方向和横向各布置了一精度验证应变片，这些应变与开度的动态关系见图8-10和表8-7。纯扭杆沿杆轴方向和垂直杆轴方向(横向)的应变为零，由于电机输出轴小齿轮在传动过程中受到大齿轮的径向力作用，所以ε轴和ε横并不为零，并且按转动轴的转动频率(f= 3.92r/min)周期变化，但其应变绝对值较小:ε轴= 1.41(με)，ε横= 0.22(με)，与工作片最小应变212.2(με)相比，它们分别为0.66%和0.10%。这说明两个问题:

(1)电机输出轴以扭转为主，弯曲应力较小。弯曲应力是由传动齿轮径向力产生的，与扭转力大小无关。

(2)ε_45°主要是扭转产生的，由它计算出的启门力精度较高，误差不会超出1%(不计电信号误差)。

图8-10　1^#门轴向和横向应变随时间变化图

表8-7　1^#门启门时右边最大应变与开度关系表

3.结论

由检测结果可见，单应变片检测启门力方法简单实用，而精度又完全有保障，具有较强的实用性。启门时最大启门力出现在0.3m左右开度，1^#门钢丝绳瞬间最大拉力为247.5kN(右边)，左右两根钢丝绳的松紧基本均匀，拉力相差为3.0%。最大启门力F_Q为490.7kN，启闭机瞬间超载较大(7.6%)。闸门悬空钢丝绳的持住力为210kN左右，接近启闭机的额定值，启闭机的容量太小。

8.3.4.2工程实例2

某水电站冲沙底孔5m×10.5～56m的事故检修平面闸门，静力荷载27810kN，要求能在动水条件下关门运行。

1.基本资料与测点布置

(1)闸门吊耳(吊板)的几何构造形状及尺寸如图8-11所示。

图8-11　底孔事故检修闸门测点布置图

吊板(16Mn)弹性模量:E= 204GPa= 2.04×10⁸ kN/m²

吊板截面(长2m、厚0.032m)面积:A= 2×0.032= 0.064m²

(2)测点布置。吊点启门力由滑轮通过两块吊板(吊耳)传到门叶。根据圣维南原理，吊板的中下部接近单向受拉状况，如图8-11所示。在此布置5个测点(每个测点贴一应变片)测吊板应变，再由应变计算应力和拉力，最后推算整个闸门的启门力。

(3)启门力的计算公式与启闭力测试系统方框图

①计算公式:

吊板单点应力，依式(8-22)得σ点= E·ε

吊板(n= 5)平均应力依式(8-23)得

单边的启门力，依式(8-24)得

闸门的启门力，依式(8-25)得:

式中:T_左和T_右分别为闸门左、右两吊点板开启闸门时的拉力，ε_左均和ε_右均分别为闸门左、右两吊点板的平均应变。

②启闭力测试系统方框图

闸门启门力测试系统方框图如图8-12所示。

图8-12　启闭力测试系统方框图

测试主要配套仪器为动态电阻应变仪、数据采集器、动态数据处理仪等。

2.实测启闭力

该水电站冲沙底孔5m×10.5～56m事故检修闸门，静力荷载27810kN，要求能够在动水条件下关门运行。实验的当天，库水位为522.10m(水头50.1m、流量2710m³/s)时，曾做了两次动水落门试验，底孔事故检修闸门在自重和配重的作用下不能完全落到底就位，第一次试验闸门底缘离门槽底坎5.40m就停止了下门，第二次试验闸门底缘离门槽底坎5.39m也停止了下门，闸门将近有一半在底孔的上方。两次动水落门试验的重复性、一致性较好，数据整理以第一次为准。

动水落门试验后，在现场还对事故检修闸门做了一次静水启闭试验，闸门能够平稳启闭，没有什么异常情况出现。

现场检测:事故检修闸门门重为837kN(包含门叶、定轮和链条轮);事故检修闸门配重为1825kN(包含上吊梁、8×190kN铁块和下抓梁)。

将检测到的吊点板动应变和式(8-25)输送到计算机闸门启闭力测试系统，得到事故检修闸门的启闭力测试结果如下。

(1)有配重条件下事故检修闸门的启门力

从有配重动水落门闭门力过程曲线(图8-13)可以看出:由于配重是通过配重下面的抓梁与闸门吊点相联的，配重块的重量在闸门吊点上基本上没有反应。有配重动水落门时，闸门全开至20m吊点拉力基本保持不变，开度20～16.20m闸门由自重克服摩擦阻力下落，开度16.20～5.40m闸门由配重克服摩擦阻力下落，开度5.40m以下摩擦阻力大于闸门自重和配重，门体不能动水下落，关闭下游工作门，闸门静下水才落到底。