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水工金属结构钢闸门启闭力测试


测试前言

钢闸门通常是用来开启、关闭局部水工建筑物中过水口的活动结构。它能够起到调节流量、控制水位,运送船只的效果。水工钢闸门包括平面闸门和弧形闸门,由固定卷扬式启闭机、移动式启闭机(包括门式起重机和台车)、 液压启闭机等设备进行启闭。

闸门启闭力是指开启、关闭闸门或保持闸门在一定开度时所需的力。启闭力大小主要取决于闸门自重、水柱压力、上托力、下吸力、摩擦阻力等参数。在复杂水流条件下,摩擦阻力等水力荷载很难通过计算精确获得,必须通过现场测定启闭力。启闭力检测是水工金属结构安全检测中的一项重要内容。

启闭力检测的目的主要有两点:
1)复核启闭机的设计容量,即在设计工况下检测最大启闭力,将其与启闭机的额定容量进行比较,由此判断启闭机的额定容量是否满足闸门启闭要求,并为优化设计提供依据。
2)为水工金属结构故障诊断提供技术支持。当闸门由于卡阻、门体变形以及淤泥堆积等原因不能正常启闭时,启闭力检测可作为故障诊断的一种重要手段。


测试方案

目前,启闭力的测试方法主要有直接测试法和间接测试法。采用直接测试法需要对设备进行拆卸,如在定滑轮轴承座或卷筒轴承座安装压力传感器,或根据设备吊钩(或吊具)的形式,配备专用工装将拉力传感器串联在钢丝绳和荷重之间,后期安装传感器的难度高、工作量较大,故在现场检测时应用较少。间接测试法则是通过测试应变、振动等物理量,经计算得到启闭力。一般包括应力测试法、振动测试法、液压启闭机油压测试法、钢丝绳张力测试法等。

间接测试法对现场工况要求不高、传感器安装方便, 因此在启闭力现场检测中被广泛采用。


1

振动测试法

振动测试法是通过施加外部激励(垂直敲击钢丝绳)产生横向振动,采集加速度数据后,基于张紧钢丝绳振动法计算钢丝绳基频,从而计算得到启闭力。钢丝绳拉力与各阶固有频率之间存在特定关系,通过现场振动测试可识别出计算长度内的单根钢丝绳的固有频率,并在钢丝绳的线密度已知时,可求出单根钢丝绳的拉力,考虑滑轮组倍率后,即可求得启闭力。

T0=(4*m*l^2*fn^2)/n^2

式中:l 为单钢丝绳的计算长度,即为卷筒与吊具动滑轮组之间的钢丝绳长度;n为钢丝绳固有频率的阶数;f n 为钢丝绳的第n 阶固有频率;T0为单根钢丝绳的拉力;m为钢丝绳的线密度。


测试链

振动加速度传感器

CT1010L

声音与振动输入模块

cDAQ9171+NI 9230


在现场测试中,将加速度传感器通过绑带固定在钢丝绳上,用硬质物体(为防止对钢丝绳造成损伤,敲击物体的硬度应低于钢丝绳材质硬度,可选择铜棒、铝制力锤等)敲击绑定有加速度传感器的张紧的钢丝绳,给钢丝绳一个横向激励,采集振动加速度数据,分析计算钢丝绳拉力。


2

应力测试法

应力测试法是通过测试受力构件的应力,根据应力与力的关系换算出启闭力的一种方法。

应力测试方法有电测法、光纤光栅法等,目前启闭力现场测试中常用电测法,即通过应变计测量结构表面的应变,再根据应变/应力的关系确定构件表面应力。

应力测试法一般在闸门吊杆、吊耳、启闭机传动轴座等部位沿受力方向布置单向应变计来进行测试。具体测试方法是在启闭设备空载时,将检测仪器平衡调零加载后测试出应变,再经过换算,即可得到启闭力。


单向应变计应力—应变关系可表示为:

δ=E*ε

应力—力关系可表示为:

T=δ*S

式中:σ 为沿应变计方向的应力,E 为弹性模量, ε 为沿应变计方向的应变,S 为构件在应力测点位置(与 应变计方向垂直的)的截面积,T 为构件所受的沿应变计方向的力。


测试链

应变片

应变仪CT5304

采集卡USB 6002


采用单向应变计,遵循的原则是沿着启闭力的方向 布置,且截面单一。固定卷扬式启闭机由于固定卷扬式启闭机定滑轮轴座板和卷筒轴承座板一般布置有加强筋板,截面比较复杂,单向应变片一般布置在闸门吊耳板、吊具耳板或闸门拉杆等截面单一且轴向承受荷重的位置,应变计沿启闭力方向布置。

需要注意的是,双吊点闸门的两吊点距门叶中心线 的距离可能存在偏差,闸门安装可能存在偏斜,闸门运行过程中可能因为卡阻等因素造成偏载。因此,双吊点启闭机各吊耳板上的应力不能简单认为相等。如图 1 所示,仅在一块吊耳板上布置单向应变片,并通过应力换算成拉力后乘以吊耳板个数,从而求得启闭力,这种方法是不合适的。

因此,双吊点固定卷扬式启闭机启闭力测试时,建议应在各个吊耳板上都布置单向应变计。

图1

双吊点固定卷扬式启闭机各个吊耳板上应力曲线比对

图2

应力测试法时间-启门力过程曲线图



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