表孔弧形闸门空载启闭异常振动原因试验研究

胡康军，刘冰洁

(水利部产品质量标准研究所，杭州310012)

1 工程概况

碗窑水库位于浙江省西南部江山市境内，坝址在江山港支流达河溪下游碗窑村近旁，距江山市区12 km，是一座以灌溉为主，结合供水、发电、防洪等综合利用的大(2)型水利工程。水库坝址控制流域面积212.5 km2，具有多年调节性能，水库坝后电站装机容量为2×6.3 MW。

主坝坝型为碾压混凝土重力坝，坝顶高程198.0m，坝顶长 390 m，宽8.5 m，最大坝高 79 m。全坝共分11个坝段，其中5个坝段为溢流段，设5孔泄洪闸，安装5扇8 m×10 m露顶弧型钢闸门。

5#弧型工作闸门无水状态运行时存在异常振动，无法正常工作，需对该闸门进行安全评估。本文从弧门支铰及埋件位置现状入手，通过对异常振动全过程弧门位置、结构动力学、启闭力的原型试验［1－2］，结合弧门有限元振动模态理论分析结果，对弧门空载启闭异常振动原因进行研究。研究成果对表孔弧门异常振动运行的安全评估和故障处理具有重要参考价值。

2 弧门支铰及埋件位置状态检测

弧门支铰及埋件的位置状态与弧门的运行直接相关，是分析弧门异常振动的基础。弧门支铰及埋件位置状态检测主要仪器工具为:全站仪TCR1201(测角精度≤1″，测距精度0.9 mm+0.1 mm/km)、钢卷尺、钢直尺、铅垂线等;检测主要项目为:弧门支铰轴的位置、弧门底槛、侧止水板以及侧轮导板工作表面平面度。弧门支铰及埋件位置状态检测成果见表1。

表1 弧门支铰及埋件安装偏差Table 1 Deviations of the installation of gate hinge and embedded plates mm

从检测成果看，弧门底槛、侧止水板和侧轮导板的平面度以及左侧支铰轴高程偏差均已超出现行规范要求［3］;对弧门空载异常振动现象而言，左侧支铰轴高程偏差超标的影响将更大。

3 不同开度下弧门位置检测

双吊点弧门在不同开度下的位置状态综合反映该弧门和启闭机安装的情况，采用全站仪对主梁与左右支臂交接处2测点在弧门不同开度下的位置状态进行测量，检测成果见图1。

图1 不同开度弧门上主梁右测点相对左测点的高程差Fig.1 Elevation differences between the right point and the left point on the upper main beam at different openings

从检测成果看，当弧门启门到开度7.6 m时，右测点比左测点高程高88 mm，远超出标准的规定值［4］。弧门左右2测点的高程差随弧门开度的增加基本上成线性增加，其原因主要有:①闸门、启闭机安装方面，卷筒轴线与弧门门叶母线不平行造成左右2钢丝绳与竖直方向的空间夹角不一致，移动相同长度的钢丝绳在高程方向的位移就出现偏差;再加上闸门置于底槛时2钢丝绳在卷筒处的间距最小，而随着闸门开度增加，其间距变大，这加大了位移偏差。②启闭机制造方面，由于左右2吊点是刚性同步，卷筒直径偏差使相同时间移动的钢丝绳长度不一致。③闸门、启闭机安装和启闭机制造的综合误差。该现象将直接影响到弧门启闭过程启闭力和支臂的动应力等特性。

4 弧门振动模态理论分析

为了给现场振动测试试验及其分析提供参考，采用有限元分析软件对弧门进行模态分析。弧门不同开度工况刚体模态计算结果见表2，部分刚体模态见图2;弧门弹性模态计算结果见表3，支臂一阶模态见图3。

表2 弧门刚体模态计算结果Table 2 Calculation results of rigid modes of arc gate

图2 弧门刚体模态Fig.2 Rigid modes of arc gate

表3 弧门结构弹性模态Table 3 Elastic modes of arc gate

图3 支臂振动一阶振型Fig.3 First-order vibration modes of the arm

从分析成果看:弧门结构刚体模态受弧门开度(不同钢丝绳长度)影响较大，切振频率从3.28 Hz变到4.97 Hz，在弧门开启条件下，其刚体模态主要为整体振型;弧门弹性模态基本不受弧门开度变化的影响，弧门支臂弹性模态的第一阶至第三阶频率在16.41～22.52 Hz之间，弹性模态主要是支臂的扭振、切振和侧振。

5 弧门结构振动试验

5.1 结构振动试验的内容及方法

结构振动试验的内容包括空载状态弧门运行的振动、工作应力和启闭力的测试。

振动测试采用A302三轴无线加速度节点、BS903无线网关和电脑组成的无线振动测试系统;工作应力测试和启闭力测试采用SG404无线应变节点、BS903无线网关和电脑组成的无线应变测试系统。测试框图见图4。

图4 无线振动、应变测试系统框图Fig.4 Block diagram of wireless vibration and strain measuring system

振动测试布置4个三轴加速度传感器，工作应力测试布置8个单向应变片，启闭力测试布置4个双向应变片。根据现场弧门空载启闭运行的振动噪声以及理论振动模态分析成果，振动测试的采样频率用200 Hz，工作应力测试和启闭力测试的采样频率用100 Hz。弧门结构振动试验示意图见图5。

图5 振动试验测点布置示意图Fig.5 Arrangement of sensors for vibration test

启闭力测试通过开式小齿轮轴的扭矩测试结果，经转换得到，试验开度为弧门正常开启的最大开度，试验重复进行3次。振动测试和工作应力测试的试验开度为弧门经历异常振动后振动噪声明显下降后的位置，试验重复进行3次。

5.2 振动测试成果

(1)整体结构的振动幅值分布为:左支臂的振动幅值最大，右支臂次之，上、下主梁最小。左支臂径向幅值最大14.44 m/s2，约为该支臂其它2个方向的3倍;右支臂径向和侧向的振动幅值与左支臂其它2个方向的振动幅值相当，约为右支臂切向振动幅值的4倍;上、下主梁的振动幅值相当，其上下方向振动的幅值均较其它方向的大。分析结果见表4。

表4 弧门振动最大幅值分布Table 4 Distribution of the maximum vibration amplitudes

(2)在启闭过程中，左右支臂的切向振动频率均为0.012 21 Hz，与卷筒轴的转频相同，该频率相当于弧门结构刚体模态理论分析时外加激励的频率，该方向的振动正常;左支臂的径向振动频率为82.01 Hz，右支臂的径向振动频率为47.16 Hz。

(3)启门过程左右支臂的侧向振动频率均为47.16 Hz;闭门过程左右支臂的侧向振动频率均为21.24 Hz，接近理论分析的支臂三阶侧向振动模态的频率21.09 Hz。

5.3 工作应力测试成果

(1)支臂工作应力基本上为压应力，靠近支铰测点的压应力大于远离支铰测点的压应力，面对挡墙测点的压应力小于背对挡墙测点的压应力。左支臂上测点在启门过程中的工作应力一直保持在32～36.5 MPa，在此过程中，工作应力没因受力条件改善而变化;该支臂受到的其它附加约束力抵消了弧门由位置变化本应使支臂工作应力的减小。右支臂上测点在启门过程中的实测最大工作应力为27.2 MPa，在此过程中，工作应力值随受力条件改善而降低，受力状态正常。部分开度位置工作应力值见表5，实测曲线见图6。

表5 部分开度位置工作应力Table 5 Working stresses of arms at different openings MPa

图6 左、右支臂测点启闭过程工作应力曲线Fig.6 Stress curves of measuring points on the left and right arms during opening and closing

(2)支臂工作应力曲线频谱分析结果显示:左支臂在启闭过程中工作应力的频率为3.046 Hz和3.540 Hz，该频率与弧门4.35 m开度的刚体模态中绕上轴线旋转振动的频率3.55 Hz接近;右支臂在启闭过程中工作应力的频率为0.012 21 Hz，该频率接近卷筒轴的转频。

5.4 启闭力测试成果

(1)弧门在启门阶段左右2吊点启门力的最大差值为16 kN，闭门阶段左右2吊点持住力的最大差值为25 kN，见图7。启门阶段，左右2吊点启和停所出现的时间差随弧门开度增加而逐渐增大，这与采用全站仪测量左右2测点高程差随弧门开度增加而逐渐增大的成果吻合。

图7 全站仪测高程全过程的启门力及部分段频谱Fig.7 Lifting forces measured by total station during the whole process and part of the spectrum

(2)对弧门连续启闭操作和全站仪不同开度测量启闭操作各阶段启闭力曲线的频谱分析结果显示:

①开式小齿轮轴上所测启闭力的频率主要包括:基频(小齿轮轴的转频)0.048 83 Hz、小齿轮的啮合频率0.781 3 Hz及其倍频3.418 ～3.613 Hz(该频率与弧门1.35和4.35 m开度的刚体模态中2阶、3阶的切振或是绕上轴线旋转振动的频率3.28～3.63 Hz接近)，分析结果与现场弧门启闭过程的振动噪声现象吻合。

②在开度小于4.39 m时，启闭力主频谱的频率包含开式小齿轮轴的转频、小齿轮的啮合频率和弧门刚体模态的振动频率;当弧门开度大于4.39 m时，启闭力主频谱的频率为开式小齿轮轴的转频和小齿轮的啮合频率。这说明在开度小于4.39 m时弧门出现的振动为刚体模态振动。

6 结论

(1)弧门开启7.6 m时，上主梁右测点比左测点高程高88 mm和左侧支铰轴高层偏差均已超出现行规范要求。在这2大因素影响下，现场左支铰面向挡墙侧与支铰座的间隙达12 mm(设计图纸中，两侧的间隙之和仅为10 mm)，另一侧则与支铰座紧密接触，致使门叶产生扭转，门叶的左顶角和右底角在某些开度区间与边墙发生摩擦，成为弧门产生异常振动的主要原因。

(2)弧门振动原型试验结果显示:空载启闭异常振动主要为刚体模态振动，出现在弧门开度小于4.39 m位置。

(3)在弧门空载启闭时，左支臂上测点在启门过程的实测附加动应力一直保持在较高水平(36.5 MPa)，对支臂(Q235材料)来说已接近其许可应力(按屈曲失稳计)的一半，不利于该闸门的安全运行。

(4)对弧门空载启闭异常振动问题，建议首先从可能造成弧门左、右两侧位置高程差随启门开度增大而增大的因素入手(如左右2卷筒直径差、启闭机相对闸门的安装位置等)。

［1］徐建光，李长河，王延斌，等.表孔弧形闸门空载振动原型试验研究［J］.水力发电学报，2004，23(3):88－92.(XU Jian-guang，LI Chang-he，WANG Yan-bin，et al.Prototype Test Research on Non-load Vibration of Arc Steel Gate［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2004，23(3):88 －92.(in Chinese))

［2］吴杰芳，张林让，余 岭，等.闸门流激振动全水弹性模型试验的原型验证［J］.长江科学院院报，2005，22(5):62 － 64.(WU Jie-fang，ZHANG Lin-rang，YU Ling，et al.Verification of Perfect Hydroelastic Model Test of Flow Induced Gate Vibration by Prototype Observation［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2005，22(5):62 －64.(in Chinese))

［3］DL/T5018—2004，水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范［S］.2004:59 －61.(DL/T5018—2004，Specification for Manufacture，Installation and Acceptance of Steel Gate in Hydraulic and Hydroelectric Engineering［S］.2004:59 －61.(in Chinese))

［4］DL/T5019—94，水利水电工程启闭机制造、安装及验收规范［S］.1994:20.(DL/T5019—94，Specification for Manufacture，Erection and Formal Acceptance of Gate Hoists in Hydraulic and Hydroelectric Engineering［S］.1994:20.(in Chinese))