泵站快速閘門振動(dòng)分析探討

周偉豐 孫春榮 金志浩

嘉興市杭嘉湖南排工程鹽官樞紐管理所 浙江海寧 314411

在排灌泵站中，特別是以排澇泄洪為主的排澇泵站中，為了防止水泵運(yùn)行后停機(jī)時(shí)水倒流入機(jī)組，必須采用斷流裝置，常用的斷流裝置有拍門、快速閘門和真空破壞閥?？焖匍l門斷流的顯著優(yōu)點(diǎn)是閘門可以全開(kāi)，阻力損失很小。閘門本身具有一定的自振頻率，在閘門泄流或水泵出流時(shí)，如果水流的脈動(dòng)頻率接近或等于閘門的自振頻率，便會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，振幅增大，使閘門整體或局部發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)。大型泵站快速工作閘門通常開(kāi)設(shè)小拍門，小拍門的振動(dòng)晃動(dòng)加劇快速閘門振動(dòng)，甚至產(chǎn)生強(qiáng)力撞擊。劇烈振動(dòng)有可能引起金屬構(gòu)件的疲勞變形，焊縫開(kāi)裂或緊固件松動(dòng)，以至整體結(jié)構(gòu)遭到破壞，嚴(yán)重影響工程安全運(yùn)行。由于閘門振動(dòng)的現(xiàn)象比較復(fù)雜，應(yīng)分析厘清引起振動(dòng)的原因，以便采取有效措施予以應(yīng)對(duì)[1]。

1 閘門振動(dòng)常見(jiàn)原因

1.1 水流流態(tài)不利因素影響

快速閘門開(kāi)設(shè)小拍門的，又由于除險(xiǎn)加固改造的泵站，因快速閘門開(kāi)度受限，拍門除了承受短暫的機(jī)組啟動(dòng)時(shí)水流把拍門沖開(kāi)時(shí)的沖擊力和停機(jī)時(shí)拍門隨水流下拍斷流時(shí)下拍力外，其主要的、歷時(shí)最長(zhǎng)的還是機(jī)組運(yùn)行期間不規(guī)則水流所給予的來(lái)自不同方向的力。水流靠旋轉(zhuǎn)葉片所產(chǎn)生的升力上升，經(jīng)上導(dǎo)葉體進(jìn)入彎管，彎管再將旋轉(zhuǎn)的直升水流形成一定角度引導(dǎo)到直管出水流道，最后沖開(kāi)拍門而進(jìn)入出水池。這時(shí)的流態(tài)有旋轉(zhuǎn)的、直線的、經(jīng)與拍門撞擊后而回旋的，因流道形狀所限在某個(gè)角落產(chǎn)生回流的等各種水流混合在一起，使拍門在水中不僅上下浮動(dòng)，而且左右晃動(dòng)、前后沖撞等不規(guī)則動(dòng)作交叉出現(xiàn)，造成支座螺栓、柱銷等金屬零件疲勞損壞，閘門振動(dòng)。若液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制的，還會(huì)導(dǎo)致油缸晃動(dòng)，機(jī)架螺栓松動(dòng)等影響啟閉機(jī)使用壽命。

1.2 閘門連接部件松動(dòng)

閘門的機(jī)械部件如啟閉機(jī)支鉸、導(dǎo)向輪、拍門支鉸及拉桿等，在這些機(jī)械部件上應(yīng)盡量避免發(fā)生松動(dòng)現(xiàn)象，否則機(jī)械件在動(dòng)荷載的作用下極易發(fā)生破壞?？焖匍l門閉門速度較快，若緩沖裝置失效，將沖擊閘門底坎，長(zhǎng)期運(yùn)行使定輪、側(cè)輪、反輪、鉸座、銷軸等部件松動(dòng)，構(gòu)件變形損壞，進(jìn)而引發(fā)閘門運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪音，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法啟閉閘門，甚至沖走拍門。

1.3 波浪沖擊閘門

閘前水位在靠近胸墻周圍，有較大風(fēng)浪時(shí)，會(huì)在胸墻底部和露出水面處形成封閉氣囊，空氣受到壓縮導(dǎo)致形成巨大的氣囊壓力，引發(fā)振動(dòng)。為避免這種情況出現(xiàn)，建議在閘門上游裝置防浪排、防浪柵，安全防護(hù)。對(duì)于胸墻底部的防護(hù)建議安裝裝置通氣管，保障正常泄流，能夠有效防止振動(dòng)。

1.4 門槽空蝕或補(bǔ)氣不足引起的閘門振動(dòng)

平面閘門在高速水流作用下，由于門槽段邊界突變，將產(chǎn)生局部壓力降，形成空化現(xiàn)象，導(dǎo)致門槽空蝕破壞。如果門槽幾何形狀選擇不合理，門槽內(nèi)水流產(chǎn)生的負(fù)壓作用在閘門上，將會(huì)引起閘門振動(dòng)。

在沒(méi)有充足空氣補(bǔ)給的情況下，水流的下面夾帶空氣流出并且在水流的下面會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓。水流的慣性作用將導(dǎo)致壓力的變化、水流的波動(dòng)，這是因?yàn)閴毫档蛯?dǎo)致了流經(jīng)閘門的流量增加，當(dāng)壓力恢復(fù)的時(shí)候流經(jīng)閘門的流量又減少了，流量的增加與降低就產(chǎn)生了流量的波動(dòng)。上述變化將導(dǎo)致閘門產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)，并且閘門的振動(dòng)將會(huì)傳遞給與閘門接觸的土建結(jié)構(gòu)，對(duì)土建結(jié)構(gòu)造成一定的破壞。

1.5 閘門止水漏水

因止水漏水而引起閘門振動(dòng)，多因止水座板安裝不平直，或止水選型不當(dāng)，柔性不夠，使止水與止水座板之間呈不連續(xù)接觸，在上游靜水壓力作用下，不能完全密封，于是有水流從止水與止水座板間隙中射出。這種作用于止水上的脈動(dòng)壓力使止水發(fā)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致閘門的振動(dòng)[2]。

2 閘門的防振動(dòng)應(yīng)對(duì)措施

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)閘門時(shí)為避免閘門產(chǎn)生振動(dòng)可考慮以下措施。

（1）閘門底緣結(jié)構(gòu)應(yīng)按規(guī)范要求設(shè)計(jì)，工作閘門和事故閘門下游傾角應(yīng)不小于30°；當(dāng)閘門支承在非水平底檻上時(shí)，其夾角可適當(dāng)增減。帶有小拍門的快速閘門可以考慮設(shè)計(jì)安裝小傾角，有利于拍門止水效果和防止水流擾動(dòng)。對(duì)于單吊點(diǎn)啟閉機(jī)閘門晃動(dòng)可以設(shè)計(jì)電動(dòng)擱門器，減輕閘門晃動(dòng)對(duì)啟閉機(jī)影響。對(duì)于高水頭、高流速的情況下可考慮將閘門的底部主梁結(jié)構(gòu)（上游側(cè)及下游側(cè)）設(shè)計(jì)成封閉結(jié)構(gòu)，形成平滑的過(guò)流面，以改善水流流態(tài)。

（2）合理選擇止水型式，控制閘門的漏水量、防止射流，保證止水橡皮的質(zhì)量。中、高水頭閘門，水封橡皮伸出量在保證止水效果前提下不宜超過(guò)閘門面板底緣5mm。高水頭閘門特別是弧形閘門應(yīng)設(shè)置防射水水封，水封裝置要能適應(yīng)弧門受水壓力產(chǎn)生的彈性變形（主要為向支鉸中心的壓縮變形），保證弧門在擋水、啟閉過(guò)程中不產(chǎn)生射流。

（3）淹沒(méi)出流時(shí)盡量將門后渦流尾跡推到遠(yuǎn)離閘門下游的位置，這樣做可以獲得比較穩(wěn)定的水流條件，避免渦流對(duì)閘門的影響。

2.2 防止振動(dòng)

由于波浪沖擊閘門引起的振動(dòng)，應(yīng)在閘門上游加設(shè)防浪排，以削弱波浪對(duì)閘門的沖擊。

因止水漏水而引起閘門振動(dòng)，多因止水座板安裝不平直，或止水選型不當(dāng)，柔性不夠，使止水與止水座板之間呈不連續(xù)接觸，在上游靜水壓力作用下，不能完全密封，于是有水流從止水與止水座板間隙中射出。這種作用于止水上的脈動(dòng)壓力使止水發(fā)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致閘門的振動(dòng)。應(yīng)調(diào)整止水位置或更換止水材料尺寸，使止水與止水座板緊密接觸，漏水停止，閘門就不再振動(dòng)了[3]。

閘門在一定開(kāi)度下泄流時(shí)，下游淹沒(méi)水躍產(chǎn)生對(duì)閘門周期性的沖擊，也是引起閘門振動(dòng)原因之一。如改變一下運(yùn)用條件，振動(dòng)可能就不在發(fā)生。

2.3 防止氣蝕

在高速水流情況下，由于建筑物過(guò)水?dāng)嗝姘l(fā)生突變，或過(guò)水結(jié)構(gòu)面不平整，泄水建筑物補(bǔ)氣不足等原因，常使閘門槽及其預(yù)埋件發(fā)生氣蝕。防止氣蝕的措施為：對(duì)已遭氣蝕損壞的部位用耐氣蝕材料補(bǔ)強(qiáng)。如用不銹鋼焊補(bǔ)或用環(huán)氧砂漿修補(bǔ)，盡量使過(guò)水表面平整光滑，必要時(shí)增設(shè)補(bǔ)氣設(shè)施。對(duì)閘門門槽型式不合理的，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)選型，進(jìn)行改建。

2.4 加強(qiáng)維護(hù)管理

維護(hù)工作是搞好設(shè)備管理、保證安全運(yùn)行的重要手段。采用快速閘門斷流的泵站，在主機(jī)組啟動(dòng)前應(yīng)全面檢查快速閘門控制系統(tǒng)，確認(rèn)快速閘門能按規(guī)定程序啟閉。運(yùn)行中，閘門應(yīng)保持在全開(kāi)狀態(tài)。如停機(jī)較長(zhǎng)而重新開(kāi)機(jī)，開(kāi)機(jī)前可對(duì)拍門進(jìn)行檢查，拍門附近有無(wú)淤積、雜物，拍門的螺栓、銷軸、鉸座固定可靠，轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，門體無(wú)明顯裂縫和嚴(yán)重變形，止水良好，無(wú)漏水現(xiàn)象。一切正常方可開(kāi)機(jī)。運(yùn)行期間，要進(jìn)行巡視檢查，看拍門是否浮動(dòng)正常，聲音有無(wú)異常響動(dòng)；停機(jī)后全面檢查，必要時(shí)放下事故閘門，抽干兩門之間的水仔細(xì)檢查。

定期檢查維護(hù)門槽、閘門、拍門、導(dǎo)向支撐、轉(zhuǎn)動(dòng)銷軸、閘門連接桿等，保持清潔、潤(rùn)滑良好，各部件連接緊固[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

目前，用油壓?jiǎn)㈤]機(jī)或卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)控制的快速閘門斷流方式越來(lái)越普遍，快速閘門在整個(gè)泵站水工建筑物中起著舉足輕重的作用?？焖匍l門的形式，啟閉時(shí)間和速度，都應(yīng)該根據(jù)水泵機(jī)組性能來(lái)決定。而快速閘門、拍門在開(kāi)啟、運(yùn)行、關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)現(xiàn)象也較常見(jiàn)，運(yùn)行管理單位應(yīng)加強(qiáng)檢查檢測(cè)，排查隱患，確保工程安全運(yùn)行。