水工钢闸门振动现象和振动特性分析

水工钢闸门振动现象和振动特性分析

吴行轮 ,戴小会

水利部水工金属结构质量检验测试中心 河南郑州 450044

摘要：我国经济水平和科技水平的快速发展，振动失稳造成的水库大坝安全事故时有发生，如在某地区闸门泄水过程中，由于不明原因闸门剧烈振动，最终造成弧形闸门右支臂向内侧弯曲，闸门支铰轴断裂，对闸门整体结构造成严重破坏。闸门振动会严重影响水库安全运行及水工建筑物结构稳定性，如今，闸门振动问题也已逐渐成为现代水利工程中的重要课题。

关键词：钢闸门；振动诱因；振动控制

引言

振动是导致闸门故障最常见的原因，本文对闸门产生振动的原因进行了分析。由于闸门振动的复杂和多样性，现有的理论和研究成果难以保证闸门在任何工况下都不产生有害振动。在水工闸门的设计、制造、安装以及运行管理中，应对闸门具体分析，并从水力学、闸门结构及其他方面采取相应的防止振动措施，避免有害振动的产生。

1振动时效的原理

振动时效是在激振设备周期性激振力的作用，在某一频率下使金属工件共振，使其内部残余应力叠加，达到一定数值后，在应力最集中处，会超过金属的屈服极限而产生微小的塑性变形，从而使构件内残余应力降低和重新分布，处于平衡状态，提高材料的强度。振动时效从微观上分析也就是在交变应力作用下，金属材料内部晶体位错发生滑移，使此处的应力变小或发生塑性变形，达到降低应力，稳定构件尺寸的效果。

2闸门振动现象及分类

水工钢闸门主要包括止水装置、闸门门叶、支承结构等部件，很容易出现振动现象。当水工影响因素只高于标准值时，闸门会出现轻微振动，这基本上不会给水工建筑物安全性带来影响；但如果水头和流量超过标准值时，会导致闸门振动频率和振幅大幅度增加，进而严重影响大坝水库及水工建筑物的稳定性。因此，如何合理控制闸门振动是设计及运行管理人员急需解决的问题。实践证明，闸门振动通常是在流固耦合作用下产生的。根据激励原理可将闸门振动分为以下三种类型。第一，外部原因引发的振动。水流自身具有较强波动性，随着水流波动速度加快，会产生闸门振动效果，但值得注意的是该种振动的产生一般不包括振动系统内部因素。第二，不稳定原因引发的闸门振动。当水流波动幅度较大时会产生较强的作用力，这种情况在日常工作中经常能见到，如当水流经过闸门底部时，水流压力会出现不同变化，从而产生不稳定旋滚和交变剪切流，这两种力在闸门底部产生相互作用力。第三，运动力振动。以闸门自身结构为基础，进行相互作用，再利用传导性将力反馈到闸门上，从而引起闸门振动，但该种振动会逐渐减弱直至消失。后面两种振动往往需要较强振幅，在实际中闸门振动往往是多种因素造成的，需要对其进行进一步分析。

3闸门振动研究方法和先进技术

3.1设备系统管理

1）日常维护。应根据河道的运营情况，在既有维护检修的基础上注意闸门前后空隙是否被河道漂浮物堵塞，闸墩、闸门表面等重要部分是否有吸附物、腐蚀破坏部位以及藻类等植物。对于开关、制动设备、供电设备与启闭空间等至关重要的室内项目应逐条逐项地进行检查，做好维护保养工作。2）定期核查与维修。对于启闭机械而言，启闭机、传动装置及工作空间是否处于正常工作状态将十分关键。齿轮变速器是否出现了断齿、裂缝，卷扬机钢丝绳是否老化、断丝、干燥少油、生锈等，液压传动装置是否能够正常传递油压、是否漏油、是否有裂缝等问题，应及时维修与更换，防止突发状况下影响与妨碍闸门启闭。因此，应定期对启闭机械进行核查与维修。3）除锈与防腐。对于外部闸门面板，由于长时间外漏，闸门因掉漆而存在腐蚀，若出现在重要部分，将直接影响正常工作性能。因此，根据河道水位运行与调节状态，及时制定闸门除锈与防腐计划。4）反馈与优化。在结构设计中难免存在摩擦，利用现有结构进行适当优化，以调整闸门工作性态。随着制造技术与日常运行智能化需求的提升，使用方可搜集并整理闸门及启闭机械信息，及时与制造方沟通，在设备维护更换时也能更好地提升设备性能，达到反馈调节的目的，即馈控优化。

3.2动水压力观测

在闸门局部开启或动水启闭过程中由于水流脉动压力的作用引起闸门振动，当脉动水压力的频率接近结构低频区时，会出现共振现象，进而导致结构破坏。故在动水压力的观测中需要观测脉动水压力的频谱特征，及脉动水压力的最大值、最小值和均方根值。脉动水压力的测量主要采用压电式脉动压力传感器。由于实际测量中需要在面板上打孔安装传感器，这样的操作容易导致面板结构受损。在实际测量中，将底缘螺栓取出后把传感器安置在螺栓孔中，也测得了较为理想的脉动压力特征信息。对于原型观测数据的分析处理，多采用随机函数的方法来估计数据的频谱特征，分析振动的内在机理。

3.3潜孔闸门

(包括工作闸门、事故闸门和检修闸门)要重视通气孔的设计，通气孔在泄水时向流道内补气、充水时向外排气是减轻闸门振动及气蚀的重要措施，如门后不能充分通气时，应在紧靠闸门下游处顶部设置通气孔。通气孔的布置要保证通气顺畅;出口要设置防护格栅以防人员受气流吸力的伤害;通气量要足够，通气孔面积应按闸门设计规范的要求设置。

3.4测点布置

钢闸门门体是通过将各梁、板焊接及背拉杆预应力连接的整体。闸门不同结构及相同结构不同点的振动频率变化关系在以往研究中未有详细阐述，数值计算倾向于将闸门视为整体计算门体振动频率，而现场测试倾向于分结构测试振动频率。文章在人字门上选取３根横梁的左、中、右（顺水流方向）的３个点共９个点，在弧形门上选取上主横梁均匀间距的４个点采集数据分析闸门测点布置与振动频率的关系。观察本次现场测试结果发现，人字闸门相同钢横梁不同位置的振动响应相差较小，而弧形门响应相差较大。文章认为此次试验的弧形钢闸门相应阶的固有频率较人字闸门大，弧形闸门的刚度比人字闸门较大；同时弧形闸门单面积受水压脉动作用和来自支撑结构及大地激励作用较人字闸门大，所以布置测试点对外界荷载的振动响应较敏感。

3.5振动频率和振幅的选择

每一种金属结构件均有几种不同振型的共振频率，这与构件自身的形状、重量、材质等因素有关。振动时效设备能够在一定频率范围内通过试振扫频检测出不同振型的数个共振频率，并选择最低的共振频率为主振频率。时效处理的振动一般选择在亚共振区，亚共振区即共振峰值的前沿对应最大振幅的1/3-2/3处，亚共振区不会对结构件造成任何疲劳损伤，相反还会提高工件的疲劳寿命。频率与振幅的选择都是由控制器自动完成的。

结束语

目前，国内水库设计过程中不可避免出现闸门振动现象，这一问题很容易影响闸门自身质量。因此，相关部门要提高对闸门振动的重视程度，如果发现闸门出现振动，工作人员要及时对闸门振动等级做出合理评价，且根据闸门振动的具体原因，进一步判断振动给闸门带来的影响，从而针对问题提出有效的解决策略，避免闸门受到外在因素的影响。

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