[發(fā)明專利]一種大型人字閘門運(yùn)行卡阻分析方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110206640.8
• 申請(qǐng)日: 2021-02-24
• 公開（公告）號(hào): CN113011058B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李然;李涵釗;肖漢斌;齊俊麟;曾維;陳冬元;鄭衛(wèi)力;陶然;陳鵬;覃濤;張杰;邊級(jí)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 武漢理工大學(xué);長(zhǎng)江三峽通航管理局
• 主分類號(hào): G06F30/23
• 分類號(hào): G06F30/23;G06F18/00;E02B7/40;G06F119/14
• 代理公司: 宜昌市三峽專利事務(wù)所 42103
• 代理人: 李登橋

1.一種大型人字閘門運(yùn)行卡阻分析方法，支撐大型人字閘門運(yùn)行的主要部件包括頂樞、底樞和聯(lián)門軸，大型人字閘門體積龐大、重量較重、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，其啟閉運(yùn)行頻繁，受自重、風(fēng)壓力、大淹沒水深、涌浪、動(dòng)水壓力、啟閉推拉力及機(jī)械摩擦力多場(chǎng)耦合作用，長(zhǎng)期運(yùn)行于低速重載的惡劣環(huán)境條件下，使得頂樞、底樞、聯(lián)門軸這些運(yùn)轉(zhuǎn)部位的摩擦磨損嚴(yán)重導(dǎo)致門體振動(dòng)異常并出現(xiàn)異響；

其特征在于：所述人字閘門運(yùn)行卡阻分析方法，包括以下步驟：

步驟1：基于有限元分析方法進(jìn)行多場(chǎng)載荷耦合作用下人字閘門有限元預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，得到在運(yùn)行過程中門體上不同部位最大振動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)及相應(yīng)坐標(biāo)點(diǎn)門體振動(dòng)頻率，構(gòu)建其應(yīng)力應(yīng)變分布和振型的振動(dòng)特征庫；

步驟2：按照人字閘門運(yùn)行卡阻檢測(cè)傳感器布置方案布設(shè)低頻、高靈敏度的加速度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集多次人字閘門全程低速運(yùn)行工況下振動(dòng)信號(hào)；

步驟3：剔除啟閉機(jī)啟閉瞬間的干擾段信號(hào)，計(jì)算采集的幾次數(shù)據(jù)的峰值，分析采集數(shù)據(jù)的整體趨勢(shì)，利用基于峰度檢驗(yàn)和小波包分解相結(jié)合的降噪方法進(jìn)行噪聲干擾信號(hào)的處理，剔除由于隨機(jī)因素干擾而使峰值變化較大的振動(dòng)信號(hào)；

步驟4：采用波形和時(shí)域參數(shù)分析法對(duì)信號(hào)進(jìn)行總體分析，觀察檢測(cè)中各通道信號(hào)波形是否出現(xiàn)多次的沖擊現(xiàn)象，以及時(shí)域峰值出現(xiàn)異常，初步確定閘門運(yùn)行是否異常，以及哪些零部件存在異常；

步驟5：對(duì)存在運(yùn)行異常的閘門的各單次運(yùn)行振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的波形和時(shí)域參數(shù)分析；

步驟6：繼續(xù)進(jìn)行下一次人字閘門運(yùn)行完整過程振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)采集，按以上同樣的分析方法進(jìn)行波形和時(shí)域參數(shù)分析，以實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征對(duì)照基于有限元預(yù)應(yīng)力模態(tài)理論分析的人字閘門運(yùn)行過程振動(dòng)特征庫，識(shí)別故障程度，并將故障診斷信息反饋至檢修處理模塊，預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)部件振動(dòng)信號(hào)發(fā)展趨勢(shì)，為停機(jī)檢修提供依據(jù)；

所述步驟3中剔除隨機(jī)因素干擾信號(hào)及噪聲所采用的分析方法為基于峰度檢驗(yàn)和小波閾值算法的小波包分解聯(lián)合降噪方法，該方法將測(cè)試采集的原始信號(hào)進(jìn)行峰度檢驗(yàn)，確定脈沖噪音的影響區(qū)間，通過對(duì)區(qū)間內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行小波分解且對(duì)其系數(shù)作閾值處理，對(duì)處理后的小波包系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)，并利用處理后的分解系數(shù)進(jìn)行小波逆變換得到降噪后的信號(hào)，排除干擾噪聲；所述步驟4中波形分析法是通過觀察比較信號(hào)波形的變化，判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障程度，主要是尋找信號(hào)中比較明顯的規(guī)侓性波形特征，周期性沖擊或劇烈沖擊，如果呈現(xiàn)出重復(fù)性的異常，可初步判斷設(shè)備的運(yùn)行異常；

所述步驟4中時(shí)域參數(shù)分析法是根據(jù)信號(hào)時(shí)域參數(shù)的變化來進(jìn)行診斷分析，包括峰值、均方根值、均值、方差和峭度；不同的時(shí)域參數(shù)對(duì)信號(hào)的敏感度不同，選擇合適的特征參數(shù)，通過與正常狀態(tài)下的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；

所述步驟1中，所述人字閘門有限元預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析包括以下具體步驟：

步驟1.1：建立大型人字閘門三維實(shí)體模型；

步驟1.2：通過程序接口將所建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件，生成幾何模型；

步驟1.3：通過自動(dòng)識(shí)別建立相鄰零件的接觸關(guān)系，采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立有限元分析模型；

步驟1.4：根據(jù)人字閘門由頂樞和底樞將門體懸掛，啟閉推桿推動(dòng)門體繞門軸中心線旋轉(zhuǎn)的運(yùn)行特點(diǎn)及其運(yùn)行時(shí)實(shí)際受力情況，對(duì)門體施加載荷和邊界約束條件；

在啟閉運(yùn)行工況條件下，人字閘門主要受到門重、啟閉推桿推拉力、頂?shù)讟械闹Х戳湍Σ赁D(zhuǎn)矩、風(fēng)載荷、涌浪載荷、動(dòng)水阻力多物理場(chǎng)耦合作用；

①人字閘門的慣性阻力矩是閘門在開始運(yùn)行或變速運(yùn)行時(shí)，需要克服其質(zhì)量變速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩；

M_i＝J_Z·ω＝1/3mb²ω

式中，M_i是人字閘門的慣性阻力矩，m和b分別是閘門質(zhì)量和寬度，人字閘門在繞門軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)角加速度為ω，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J_Z，在閘門勻速運(yùn)行情況下，角加速度ω＝0，則有M_i＝0；

②風(fēng)阻力矩，根據(jù)《水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》計(jì)算作用于人字閘門的風(fēng)壓力P_v＝p·cosα·h₁·b M_v＝1/2p·h₁·b²·sinα

式中，M_v是人字閘門所受涌浪阻力矩，p為風(fēng)載荷，α是門體開度，h₁是水面距門體頂樞軸頸的距離，即為門體高程與淹沒水深的差值；

③涌浪阻力矩，涌浪壓力的大小取決于波高及波長(zhǎng)，在涌浪沖刷閘門面板時(shí)，當(dāng)波峰接觸面板時(shí)作用力最大，此時(shí)M_w＝1/2p₁·h₂·b²

式中，p₁是涌浪作用于面板的變載荷；h₂為涌浪的高度；

④動(dòng)水阻力矩，人字閘門雖然是在上下游水位齊平的靜水中啟閉的，但是由于門葉在水中轉(zhuǎn)動(dòng)使門前產(chǎn)生雍水，雍水高度Δh＝1.2V_m²，其中V_m是門葉端點(diǎn)的平均切向線速度，單位為m/s；由人字閘門上下游的水位差而產(chǎn)生的動(dòng)水壓力呈梯形分布作用于門葉前后兩面平面受力，動(dòng)水阻力矩等于單位寬度總的動(dòng)水壓力與寬度的乘積，即總的動(dòng)水阻力矩為：M_h＝1/2P₂·b²，其中作用于面板的平均動(dòng)水壓力P₂＝ρg(Δh-1/2Δh²/h₃)，式中，水位差為Δh，動(dòng)水阻力面淹沒水深為h₃，水的密度為ρ，g為重力加速度；

⑤機(jī)械摩擦力矩，人字閘門在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中受到的機(jī)械摩擦力矩由主要的運(yùn)轉(zhuǎn)部件——連門軸、頂樞軸和底樞蘑菇頭產(chǎn)生，連門軸的摩擦力矩是由啟閉機(jī)推桿的推拉力產(chǎn)生的，頂樞軸和底樞蘑菇頭的摩擦力由門體的重力產(chǎn)生；人字閘門在勻速啟閉過程中，門體主要承受重力G、啟閉機(jī)推拉力F_t、風(fēng)壓力P_v、動(dòng)水壓力P_h、頂?shù)讟械闹Х戳Γ黄渲许敇兄Х戳_x和D_y，底樞支反力R_x、R_y和R_z均為未知量，而啟閉推拉力F_t和風(fēng)壓力P_v隨門體的開度α的變化而變化；

根據(jù)力和力矩的平衡條件，建立平衡方程：

將已知G、P_v、P_h等參數(shù)代入上式，并求解聯(lián)立方程組，即可求得啟閉推拉力Ft，頂樞支反力D_x、D_y及底樞支反力R_x、R_y、R_z；

頂樞軸受到軸頸與軸套之間摩擦產(chǎn)生的阻力矩m₂的作用，底樞受到蘑菇頭與青銅襯套之間摩擦力所引起的阻力矩m₃的作用，則有：m₂＝1/2fDd_D，m₃＝fRk

式中：P_t是人字閘門所受的啟閉推拉力，h₃是人字閘門面板動(dòng)水作用時(shí)淹沒水深，h₄是人字閘門所受風(fēng)壓力受力點(diǎn)與人字閘門面板最底部的距離，h₅是人字閘門啟閉推拉力作用點(diǎn)與門軸之間的距離，f是摩擦系數(shù)，考慮磨損的影響，常取偏大值0.5，D是作用于頂樞軸的反力，d_D是頂樞軸軸頸直徑，R為作用于底樞蘑菇頭的反力，κ是摩擦半徑，κ＝2/3r，r為底樞蘑菇頭球面半徑；

步驟1.5：進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析和有限元預(yù)應(yīng)力模態(tài)仿真分析，并在模態(tài)分析初始條件設(shè)置中指明結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力值來自前期結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析結(jié)果，得到船閘人字閘門前10階固有頻率和最大變形量及其分布；

步驟1.6：根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，人字閘門門體自振頻率主要集中在低頻振動(dòng)部分，建立人字閘門振動(dòng)特征庫。