胡康軍,劉冰潔
(水利部產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究所,杭州310012)
碗窯水庫(kù)位于浙江省西南部江山市境內(nèi),壩址在江山港支流達(dá)河溪下游碗窯村近旁,距江山市區(qū)12 km,是一座以灌溉為主,結(jié)合供水、發(fā)電、防洪等綜合利用的大(2)型水利工程。水庫(kù)壩址控制流域面積212.5 km2,具有多年調(diào)節(jié)性能,水庫(kù)壩后電站裝機(jī)容量為2×6.3 MW。
主壩壩型為碾壓混凝土重力壩,壩頂高程198.0m,壩頂長(zhǎng) 390 m,寬8.5 m,最大壩高 79 m。全壩共分11個(gè)壩段,其中5個(gè)壩段為溢流段,設(shè)5孔泄洪閘,安裝5扇8 m×10 m露頂弧型鋼閘門(mén)。
5#弧型工作閘門(mén)無(wú)水狀態(tài)運(yùn)行時(shí)存在異常振動(dòng),無(wú)法正常工作,需對(duì)該閘門(mén)進(jìn)行安全評(píng)估。本文從弧門(mén)支鉸及埋件位置現(xiàn)狀入手,通過(guò)對(duì)異常振動(dòng)全過(guò)程弧門(mén)位置、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、啟閉力的原型試驗(yàn)[1-2],結(jié)合弧門(mén)有限元振動(dòng)模態(tài)理論分析結(jié)果,對(duì)弧門(mén)空載啟閉異常振動(dòng)原因進(jìn)行研究。研究成果對(duì)表孔弧門(mén)異常振動(dòng)運(yùn)行的安全評(píng)估和故障處理具有重要參考價(jià)值。
弧門(mén)支鉸及埋件的位置狀態(tài)與弧門(mén)的運(yùn)行直接相關(guān),是分析弧門(mén)異常振動(dòng)的基礎(chǔ)。弧門(mén)支鉸及埋件位置狀態(tài)檢測(cè)主要儀器工具為:全站儀TCR1201(測(cè)角精度≤1″,測(cè)距精度0.9 mm+0.1 mm/km)、鋼卷尺、鋼直尺、鉛垂線等;檢測(cè)主要項(xiàng)目為:弧門(mén)支鉸軸的位置、弧門(mén)底檻、側(cè)止水板以及側(cè)輪導(dǎo)板工作表面平面度?;¢T(mén)支鉸及埋件位置狀態(tài)檢測(cè)成果見(jiàn)表1。
表1 弧門(mén)支鉸及埋件安裝偏差Table 1 Deviations of the installation of gate hinge and embedded plates mm
從檢測(cè)成果看,弧門(mén)底檻、側(cè)止水板和側(cè)輪導(dǎo)板的平面度以及左側(cè)支鉸軸高程偏差均已超出現(xiàn)行規(guī)范要求[3];對(duì)弧門(mén)空載異常振動(dòng)現(xiàn)象而言,左側(cè)支鉸軸高程偏差超標(biāo)的影響將更大。
雙吊點(diǎn)弧門(mén)在不同開(kāi)度下的位置狀態(tài)綜合反映該弧門(mén)和啟閉機(jī)安裝的情況,采用全站儀對(duì)主梁與左右支臂交接處2測(cè)點(diǎn)在弧門(mén)不同開(kāi)度下的位置狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量,檢測(cè)成果見(jiàn)圖1。
圖1 不同開(kāi)度弧門(mén)上主梁右測(cè)點(diǎn)相對(duì)左測(cè)點(diǎn)的高程差Fig.1 Elevation differences between the right point and the left point on the upper main beam at different openings
從檢測(cè)成果看,當(dāng)弧門(mén)啟門(mén)到開(kāi)度7.6 m時(shí),右測(cè)點(diǎn)比左測(cè)點(diǎn)高程高88 mm,遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值[4]?;¢T(mén)左右2測(cè)點(diǎn)的高程差隨弧門(mén)開(kāi)度的增加基本上成線性增加,其原因主要有:①閘門(mén)、啟閉機(jī)安裝方面,卷筒軸線與弧門(mén)門(mén)葉母線不平行造成左右2鋼絲繩與豎直方向的空間夾角不一致,移動(dòng)相同長(zhǎng)度的鋼絲繩在高程方向的位移就出現(xiàn)偏差;再加上閘門(mén)置于底檻時(shí)2鋼絲繩在卷筒處的間距最小,而隨著閘門(mén)開(kāi)度增加,其間距變大,這加大了位移偏差。②啟閉機(jī)制造方面,由于左右2吊點(diǎn)是剛性同步,卷筒直徑偏差使相同時(shí)間移動(dòng)的鋼絲繩長(zhǎng)度不一致。③閘門(mén)、啟閉機(jī)安裝和啟閉機(jī)制造的綜合誤差。該現(xiàn)象將直接影響到弧門(mén)啟閉過(guò)程啟閉力和支臂的動(dòng)應(yīng)力等特性。
為了給現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)及其分析提供參考,采用有限元分析軟件對(duì)弧門(mén)進(jìn)行模態(tài)分析?;¢T(mén)不同開(kāi)度工況剛體模態(tài)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,部分剛體模態(tài)見(jiàn)圖2;弧門(mén)彈性模態(tài)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3,支臂一階模態(tài)見(jiàn)圖3。
表2 弧門(mén)剛體模態(tài)計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of rigid modes of arc gate
圖2 弧門(mén)剛體模態(tài)Fig.2 Rigid modes of arc gate
表3 弧門(mén)結(jié)構(gòu)彈性模態(tài)Table 3 Elastic modes of arc gate
圖3 支臂振動(dòng)一階振型Fig.3 First-order vibration modes of the arm
從分析成果看:弧門(mén)結(jié)構(gòu)剛體模態(tài)受弧門(mén)開(kāi)度(不同鋼絲繩長(zhǎng)度)影響較大,切振頻率從3.28 Hz變到4.97 Hz,在弧門(mén)開(kāi)啟條件下,其剛體模態(tài)主要為整體振型;弧門(mén)彈性模態(tài)基本不受弧門(mén)開(kāi)度變化的影響,弧門(mén)支臂彈性模態(tài)的第一階至第三階頻率在16.41~22.52 Hz之間,彈性模態(tài)主要是支臂的扭振、切振和側(cè)振。
結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)的內(nèi)容包括空載狀態(tài)弧門(mén)運(yùn)行的振動(dòng)、工作應(yīng)力和啟閉力的測(cè)試。
振動(dòng)測(cè)試采用A302三軸無(wú)線加速度節(jié)點(diǎn)、BS903無(wú)線網(wǎng)關(guān)和電腦組成的無(wú)線振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng);工作應(yīng)力測(cè)試和啟閉力測(cè)試采用SG404無(wú)線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)、BS903無(wú)線網(wǎng)關(guān)和電腦組成的無(wú)線應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試框圖見(jiàn)圖4。
圖4 無(wú)線振動(dòng)、應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of wireless vibration and strain measuring system
振動(dòng)測(cè)試布置4個(gè)三軸加速度傳感器,工作應(yīng)力測(cè)試布置8個(gè)單向應(yīng)變片,啟閉力測(cè)試布置4個(gè)雙向應(yīng)變片。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)弧門(mén)空載啟閉運(yùn)行的振動(dòng)噪聲以及理論振動(dòng)模態(tài)分析成果,振動(dòng)測(cè)試的采樣頻率用200 Hz,工作應(yīng)力測(cè)試和啟閉力測(cè)試的采樣頻率用100 Hz。弧門(mén)結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖5。
圖5 振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Arrangement of sensors for vibration test
啟閉力測(cè)試通過(guò)開(kāi)式小齒輪軸的扭矩測(cè)試結(jié)果,經(jīng)轉(zhuǎn)換得到,試驗(yàn)開(kāi)度為弧門(mén)正常開(kāi)啟的最大開(kāi)度,試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。振動(dòng)測(cè)試和工作應(yīng)力測(cè)試的試驗(yàn)開(kāi)度為弧門(mén)經(jīng)歷異常振動(dòng)后振動(dòng)噪聲明顯下降后的位置,試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次。
(1)整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)幅值分布為:左支臂的振動(dòng)幅值最大,右支臂次之,上、下主梁最小。左支臂徑向幅值最大14.44 m/s2,約為該支臂其它2個(gè)方向的3倍;右支臂徑向和側(cè)向的振動(dòng)幅值與左支臂其它2個(gè)方向的振動(dòng)幅值相當(dāng),約為右支臂切向振動(dòng)幅值的4倍;上、下主梁的振動(dòng)幅值相當(dāng),其上下方向振動(dòng)的幅值均較其它方向的大。分析結(jié)果見(jiàn)表4。
表4 弧門(mén)振動(dòng)最大幅值分布Table 4 Distribution of the maximum vibration amplitudes
(2)在啟閉過(guò)程中,左右支臂的切向振動(dòng)頻率均為0.012 21 Hz,與卷筒軸的轉(zhuǎn)頻相同,該頻率相當(dāng)于弧門(mén)結(jié)構(gòu)剛體模態(tài)理論分析時(shí)外加激勵(lì)的頻率,該方向的振動(dòng)正常;左支臂的徑向振動(dòng)頻率為82.01 Hz,右支臂的徑向振動(dòng)頻率為47.16 Hz。
(3)啟門(mén)過(guò)程左右支臂的側(cè)向振動(dòng)頻率均為47.16 Hz;閉門(mén)過(guò)程左右支臂的側(cè)向振動(dòng)頻率均為21.24 Hz,接近理論分析的支臂三階側(cè)向振動(dòng)模態(tài)的頻率21.09 Hz。
(1)支臂工作應(yīng)力基本上為壓應(yīng)力,靠近支鉸測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力大于遠(yuǎn)離支鉸測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力,面對(duì)擋墻測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力小于背對(duì)擋墻測(cè)點(diǎn)的壓應(yīng)力。左支臂上測(cè)點(diǎn)在啟門(mén)過(guò)程中的工作應(yīng)力一直保持在32~36.5 MPa,在此過(guò)程中,工作應(yīng)力沒(méi)因受力條件改善而變化;該支臂受到的其它附加約束力抵消了弧門(mén)由位置變化本應(yīng)使支臂工作應(yīng)力的減小。右支臂上測(cè)點(diǎn)在啟門(mén)過(guò)程中的實(shí)測(cè)最大工作應(yīng)力為27.2 MPa,在此過(guò)程中,工作應(yīng)力值隨受力條件改善而降低,受力狀態(tài)正常。部分開(kāi)度位置工作應(yīng)力值見(jiàn)表5,實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖6。
表5 部分開(kāi)度位置工作應(yīng)力Table 5 Working stresses of arms at different openings MPa
圖6 左、右支臂測(cè)點(diǎn)啟閉過(guò)程工作應(yīng)力曲線Fig.6 Stress curves of measuring points on the left and right arms during opening and closing
(2)支臂工作應(yīng)力曲線頻譜分析結(jié)果顯示:左支臂在啟閉過(guò)程中工作應(yīng)力的頻率為3.046 Hz和3.540 Hz,該頻率與弧門(mén)4.35 m開(kāi)度的剛體模態(tài)中繞上軸線旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的頻率3.55 Hz接近;右支臂在啟閉過(guò)程中工作應(yīng)力的頻率為0.012 21 Hz,該頻率接近卷筒軸的轉(zhuǎn)頻。
(1)弧門(mén)在啟門(mén)階段左右2吊點(diǎn)啟門(mén)力的最大差值為16 kN,閉門(mén)階段左右2吊點(diǎn)持住力的最大差值為25 kN,見(jiàn)圖7。啟門(mén)階段,左右2吊點(diǎn)啟和停所出現(xiàn)的時(shí)間差隨弧門(mén)開(kāi)度增加而逐漸增大,這與采用全站儀測(cè)量左右2測(cè)點(diǎn)高程差隨弧門(mén)開(kāi)度增加而逐漸增大的成果吻合。
圖7 全站儀測(cè)高程全過(guò)程的啟門(mén)力及部分段頻譜Fig.7 Lifting forces measured by total station during the whole process and part of the spectrum
(2)對(duì)弧門(mén)連續(xù)啟閉操作和全站儀不同開(kāi)度測(cè)量啟閉操作各階段啟閉力曲線的頻譜分析結(jié)果顯示:
①開(kāi)式小齒輪軸上所測(cè)啟閉力的頻率主要包括:基頻(小齒輪軸的轉(zhuǎn)頻)0.048 83 Hz、小齒輪的嚙合頻率0.781 3 Hz及其倍頻3.418 ~3.613 Hz(該頻率與弧門(mén)1.35和4.35 m開(kāi)度的剛體模態(tài)中2階、3階的切振或是繞上軸線旋轉(zhuǎn)振動(dòng)的頻率3.28~3.63 Hz接近),分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)弧門(mén)啟閉過(guò)程的振動(dòng)噪聲現(xiàn)象吻合。
②在開(kāi)度小于4.39 m時(shí),啟閉力主頻譜的頻率包含開(kāi)式小齒輪軸的轉(zhuǎn)頻、小齒輪的嚙合頻率和弧門(mén)剛體模態(tài)的振動(dòng)頻率;當(dāng)弧門(mén)開(kāi)度大于4.39 m時(shí),啟閉力主頻譜的頻率為開(kāi)式小齒輪軸的轉(zhuǎn)頻和小齒輪的嚙合頻率。這說(shuō)明在開(kāi)度小于4.39 m時(shí)弧門(mén)出現(xiàn)的振動(dòng)為剛體模態(tài)振動(dòng)。
(1)弧門(mén)開(kāi)啟7.6 m時(shí),上主梁右測(cè)點(diǎn)比左測(cè)點(diǎn)高程高88 mm和左側(cè)支鉸軸高層偏差均已超出現(xiàn)行規(guī)范要求。在這2大因素影響下,現(xiàn)場(chǎng)左支鉸面向擋墻側(cè)與支鉸座的間隙達(dá)12 mm(設(shè)計(jì)圖紙中,兩側(cè)的間隙之和僅為10 mm),另一側(cè)則與支鉸座緊密接觸,致使門(mén)葉產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),門(mén)葉的左頂角和右底角在某些開(kāi)度區(qū)間與邊墻發(fā)生摩擦,成為弧門(mén)產(chǎn)生異常振動(dòng)的主要原因。
(2)弧門(mén)振動(dòng)原型試驗(yàn)結(jié)果顯示:空載啟閉異常振動(dòng)主要為剛體模態(tài)振動(dòng),出現(xiàn)在弧門(mén)開(kāi)度小于4.39 m位置。
(3)在弧門(mén)空載啟閉時(shí),左支臂上測(cè)點(diǎn)在啟門(mén)過(guò)程的實(shí)測(cè)附加動(dòng)應(yīng)力一直保持在較高水平(36.5 MPa),對(duì)支臂(Q235材料)來(lái)說(shuō)已接近其許可應(yīng)力(按屈曲失穩(wěn)計(jì))的一半,不利于該閘門(mén)的安全運(yùn)行。
(4)對(duì)弧門(mén)空載啟閉異常振動(dòng)問(wèn)題,建議首先從可能造成弧門(mén)左、右兩側(cè)位置高程差隨啟門(mén)開(kāi)度增大而增大的因素入手(如左右2卷筒直徑差、啟閉機(jī)相對(duì)閘門(mén)的安裝位置等)。
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