CN110082015B - 一种锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪及监测方法。所述监测仪包括测载滑轮、测力装置和角度测量装置。测载滑轮跨接在用于提升闸门的绳索上，检测时绳索以测载滑轮为支点发生挠曲变形。测力装置包括受力体和测力应变传感器，所述受力体一端与测载滑轮连接，另一端经锚固动索锚固在水工建筑物上；所述测力应变传感器布设在所述受力体的表面，用于检测受力体轴向拉力。角度测量装置包括两个连杆和角度传感器，用于获取与测载滑轮相连接的绳索受载后的挠曲变形角度。本发明能够为水工钢闸门提供准确的启闭力实时动态监测，监测数据更加有效，减少了水工钢闸门运行的容错率。

Description

一种锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测方法

技术领域

本发明涉及一种锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪及监测方法，属于水工钢闸门启闭控制技术领域。

背景技术

水工钢闸门的启闭力主要由启门力、闭门力和持住力三部分组成。启闭力是水工钢闸门正常运行的关键因素。水工钢闸门启闭过程中存在着多种运行工况，运行时启闭力的情况比较复杂，遇到故障和病态效应的机率也较大。国内外已有很多水工钢闸门因启闭力检测侦知不及时而导致的事故。因此，在多种运行工况下能有效提供启闭力的实时数据、准确侦知钢闸门的运行状况，对钢闸门的现代化管理具有重要的意义。

目前对水工钢闸门启闭力的检测，主要采用机械称重的方法进行，将启闭力检测相关仪器直接安装在启闭机的卷筒轴上进行检测。但是，受荷载集中等因素的影响，这类测试方法不能实现精确、及时的检测，因此不能满足现代化水利发展的需求。此外，传统钢闸门还存在启闭力测量误差大、反应迟缓以及有动作死区的弊端。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪以及一种利用该监测仪监测水工钢闸门启闭力的方法，以克服现有技术中存在的上述全部缺陷或缺陷之一。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪，包括测载滑轮、测力装置和角度测量装置，

测载滑轮跨接在绳索用于提升闸门的绳索上，检测时绳索以测载滑轮为支点发生挠曲变形；

测力装置包括受力体和测力应变传感器，所述受力体一端与测载滑轮连接，另一端经锚固动索锚固在水工建筑物上；所述测力应变传感器布设在所述受力体的表面，用于检测受力体轴向拉力；

角度测量装置包括两个连杆和角度传感器，两个连杆对称分布在受力体的两侧，连杆一端通过连杆滑轮与对应侧绳索滑动连接，另一端通过铰链与受力体铰接；角度传感器用于测量两个连杆之间所夹的角度。

进一步，本发明的锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪，还包括测力工况预调节螺杆，所述绳索绕设在所述测力工况预调节螺杆上。

进一步，本发明的锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪，还包括机壳，所述测载滑轮、测力装置以及角度测量装置均设置在所述机壳内。

进一步，所述机壳为横置正四棱台状，其与正四棱台轴线垂直的截面沿着测载滑轮到水工建筑物的方向逐渐缩小。

进一步，所述绳索通过分力滑轮提升所述闸门，所述测载滑轮设置在距离分力滑轮1m以上的位置处。

另一方面，本发明还提供了一种水工钢闸门启闭力动态监测方法，所述方法采用上述锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪实现，所述监测方法包括如下步骤：

获取受力体所受的轴向拉力；

获取与测载滑轮相连接的绳索受载后的挠曲变形角度；

根据所获取的轴向拉力、挠曲变形角度，采用三力交汇测力模型计算闸门的启闭力。

进一步，所述轴向拉力的获取方法包括：感测受力体的轴向应变；根据虎克定律由所述轴向应变计算受力体所受的轴向拉力。

进一步，所述挠曲变形角度的获取方法包括：感测两连杆之间所夹的角度；根据挠曲变形角度与两连杆之间所夹角度的下述几何关系式计算出挠曲变形角度：

式中：X为连杆滑轮与绳索的交点到测载滑轮两边弯曲的绳索的延长线的交点之间的距离；L为连杆的长度；r₁为受力体的轴线距离连杆铰接点的最短距离；r₂为测载滑轮的半径；θ为两连杆延长线相交后两连杆之间所夹的角度；β为绳索受载后的挠曲变形角度；S为测载滑轮中心到两连杆铰接点的连线的距离。

进一步，所述闸门的启闭力根据下述公式计算得到：

式中：F_N为受力体所受的轴向拉力；β为绳索受载后的挠曲变形角度。

进一步，所述绳索受载后的挠曲变形角度的取值范围为30°～175 °。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明的锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪布设在启闭机绳索动索或静索上，采用三力交汇测载力学模型，应用专利复合算法 B侦知绳索受载后的挠曲变形角度范围，并结合测力装置和角度测量装置的检测数据，直接侦知获取钢闸门启闭力的大小、方向等运行性状，为水工钢闸门提供准确的启闭力动态监测，监测数据更加有效，减少了水工钢闸门运行的容错率，从而为水工钢闸门的安全运行提供有效的保障。

附图说明

图1是本发明实施例的锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪的结构示意图；

图2是图1中框选部分的局部放大图；

图3是本发明实施例的惠斯通电桥测量原理的示意图；

图4是本发明实施例的专利复合算法B的计算过程示意图；

图5是本发明实施例的用于测量绳索受载后的挠曲变形角度的几何关系简图；

图6是本发明实施例的测载滑轮、测力装置、角度测量装置以及锚固动索安装在机壳内的结构示意图；

图7是本发明实施例的三力交汇测力模型计算简图；

图8是本发明实施例的测力应变传感器及其应变片的布置示意图。

附图标记说明：

1-测力工况预调节螺杆；2-测载滑轮；3-水工建筑物；4-锚固动锁；5-绳索；6-分力滑轮；7-钢闸门；8-连杆A；9-连杆B；10-受力圆柱体；11-测力应变传感器；12-应变片；13-连杆滑轮；14-铰链； 15机壳；16锚固膨胀螺栓。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明一实施例中，如图1、2、6、8所示，一种锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪，包括测载滑轮2、测力装置和角度测量装置。

测载滑轮2跨接在运动或者静止的用于提升钢闸门7的绳索5 上。进一步，所述绳索5通过分力滑轮6提升所述钢闸门7，测载滑轮2在距离分立滑轮1m以上的位置处安装布设，避免荷载过于集中，影响装置的正常运行。

测力装置包括受力圆柱体10和测力应变传感器11。其中，受力圆柱体10也可以采用受力立方体代替。所述受力圆柱体10一端与测载滑轮2连接，另一端通过锚固装置锚固在水工建筑物3上。所述测力应变传感器11布设在所述受力圆柱体10的表面，用于检测受力圆柱体10的轴向拉力。测力应变传感器11包括应变片12，应变片12 连接成惠斯通电桥。

其中，锚固装置包括锚固动锁4和锚固膨胀螺栓16，所述锚固膨胀螺栓16可以采用不锈钢膨胀螺栓。

角度测量装置包括连杆A 8、连杆B 9和角度传感器，连杆A 8 和连杆B 9对称分布在受力圆柱体10的两侧，连杆A 8和连杆B 9 的一端分别通过连杆滑轮13与对应侧的绳索滑动连接，另一端通过铰链14与受力圆柱体10铰接。角度传感器用于测量连杆A 8和连杆 B9之间所夹的角度。

在另一实施例中，本发明的锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪，还包括机壳15，所述测载滑轮2、测力装置以及角度测量装置均设置在所述机壳15内。所述机壳15为横置正四棱台状，其与正四棱台轴线垂直的截面沿着测载滑轮到水工建筑物的方向逐渐缩小。机壳 15的这种结构能够为测量钢闸门7启门力、闭门力时绳索5带动机壳15内部装置的上下摆动留足空间，从而起到对本发明装置的保护作用。

在另一实施例中，本发明的锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪，还包括测力工况预调节螺杆1，所述绳索5绕设在所述测力工况预调节螺杆1上。测力工况预调节螺杆1可用于调节绳索5的长度和角度。

本发明通过测力装置与绳索5相连接，在钢闸门7运行过程时，绳索5受载发生变形，产生凸状挠曲变形角β，结合专利复合算法B 有效地侦知角β的值；根据惠斯通电桥原理，利用应变片12组成的电路间接测量作用在受力圆柱体10上的横向夹持力，即受力圆柱体 10所受的轴向拉力，并运用角度传感器测量连杆A 8和连杆B 9之间的角度；根据三力汇交模型算法计算作用在绳索5上的拉力，即钢闸门7的启闭力。当绳索5上的拉力发生变化时，角度传感器的测量值和电阻应力片电路的差分电压也会随之变化，从而能做到对启闭力的动态监测。

实例1.横向夹持力的测量与计算

1.1应变片电阻的变化

电阻应变片是一种能将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。设金属丝，其材料的电阻率为ρ，原始长度为L，设其横截面是直径为D的圆形，横截面积为A，初始时其电阻值R为：

在外力作用下，金属丝发生变形，设金属丝沿轴向伸长，其横向尺寸会相应缩小，横截面的半径减少导致横截面面积发生变化。金属丝的横截面原面积为A＝πD²/4，其相对变化为dA/A＝2dD/D＝-2μdL/L。其中μ为金属丝材料的泊松比；应变ε＝dL/L，为金属丝长度的相对变化：

在金属丝伸长所产生的电阻值变化dR/R的值可表示为：

式中：前一项是由金属丝变形后电阻率发生变化所引起的；后一项是由金属丝变形后几何尺寸发生变化所引起的。可以知道，在一定的应变范围内，金属丝的相对电阻变化与其轴向长度的相对变化成正比。当电阻应变片被粘贴到被测试件后，试件受力而变形时，可以通过测试电阻变化表征试件的应变。金属丝的相对电阻变化与其轴向长度的相对变化的关系为：

式中：Ks为单根金属丝的灵敏系数，与金属丝材料的成分、加工过程和热处理状态有关，而与受力状态(即拉伸或压缩)无关。

1.2惠斯通电桥测量原理

如图3所示，应变片一般采用惠斯通电桥进行电路测量。惠斯通电桥将应变片应变产生的电阻转换为差分电压，+Exc和-Exc为终端加载激励电压，Vo+和Vo-为终端与应变成正比的差分电压，下式给出了输出电压Vo，它是Vo+和Vo-之间的差分电压，是电桥激励电压和电桥所有电阻的函数。当Vo+和Vo-等于Ve的1/2时，电桥输出对电阻的改变非常敏感，这是惠斯通电桥进行应变测量的基本原理。

式中：V_e为电桥激励电压，其值为(++Exc)-(-Exc)；R1～R4 为电桥电阻。

式(1-5)较复杂，通常四个电阻采用同样的标称值R。考虑电阻具有4个或2个电阻变化增量的情况进行简化，以待测量阻值R 的变化增量为dR表示，假定dR为正值，如果实际阻值减小，则用 -dR表示。

1)4个电阻变化增量

四个电桥电阻中R2和R4的阻值随着待测量的增大而增大，R1 和R3的阻值则相应减小，这种情况常见于全桥四个应变计检测。它的输出电压(Vo)为：

输出电压(Vo)与电阻相对变化量(dR/R)呈线性关系。

2)2个电阻变化增量

四个电桥电阻中同一侧(R1和R2，或R3和R4)两个电阻有阻值变化特增量，且相反(dR和-dR)，另两个电阻为补偿电阻。这种情况常见于采用半桥两个应变计检测，另两个电阻仅提供中位电压，作为补偿片出现。它的输出电压Vo为：

输出电压(Vo)与电阻相对变化量(dR/R)仍呈线性关系，其灵敏度是四电阻变化增量电桥的一半。

1.3横向夹持力的计算

受力圆柱体10受到轴向拉力作用时，在轴向方向将伸长或缩短，同时横向尺寸将缩小或增大，即同时发生轴向变形和横向变形。当受力圆柱体10发生弹性形变时，受力圆柱体10的轴向变形△L与轴向拉力F_N、轴向长度L成正比，与受力圆柱体10的横截面积A成反比。

式中：E为材料的弹性模量，其值表征材料的抵抗弹性变形的能力，工程上的大部分材料在拉伸和压缩时的E值可以认为是相同的。式中的

就是轴向应变。它是相对变形，表示轴向变形的程度。

因此受力圆柱体10的轴向拉力为：

实例2.钢索绳挠曲变形角的测量

2.1挠曲变形角的计算

测载滑轮2和绳索5相连接，发生凸状挠曲变形，绳索5产生挠曲变形角度β，根据钢闸门7的质量，挠曲变形角的大小也会不同。出于对测量误差的考虑，角β呈30°～175°范围设置，采用三力交汇测力模型计算绳索5的启闭力时，需要已知绳索5的挠曲变形角度β。当测载滑轮2与测力装置相连接工作时，绳索5发生挠曲变形，而此时，两连杆之间的角度θ也会发生变化，通过角度传感器测量出两连杆之间的角度θ，然后计算出绳索5的挠曲变形角β。

(1)连杆机构之间的几何关系(如图5所示)，可用下式(2-1) 表示

式中：X为连杆滑轮13与绳索5的交点到测载滑轮2两边弯曲的绳索的延长线的交点之间的距离；

L为连杆A 8或连杆B 9的长度；

r₁为受力圆柱体10的半径；

r₂为测载滑轮2的半径；

θ为两连杆延长线相交后两连杆之间所夹的角度；β为绳索5受载后的挠曲变形角度；

S为测载滑轮2中心到两连杆铰接点的连线的距离。

(2)绳索5的挠曲变形角度β与角度传感器所测的角度θ之间的关系

式中的字母所代表的含义同上式(2-1)。

由上述几何关系可以得到β和θ之间的关系，故由角度传感器测量的角度结合该几何关系就可以侦知绳索5的挠曲变形角度β。

2.2挠曲变形角度的参考取值范围

本发明采用锚固动索4来监测钢闸门7的启闭力，采用锚固动索 4的方法，根据不同质量的钢闸门7，通过调节锚固动锁4的长度改变挠曲变形角的大小，并设置挠曲变形角的参考取值范围，挠曲变形角的角度范围按照钢闸门7荷载工况选择使用，在此基础上对启闭力进行计算。

钢闸门的质量	挠曲变形角β的角度范围
		100kg～1t	30°～45°
1t～10t	45°～60°
		10t～100t	60°～120°
100t～500t	120°～150°
		＞500t	150°～175°

实例3.专利复合算法B

本发明所述的专利复合算法B，其为一种高次多元方程组，根据测载滑轮2与测力装置连接运行的轨迹，在运行的曲线轨迹上进行多点插值拟合速算列解法，列出拟合多点值，拟合完成后速算解。

专利复合算法B有效的侦知挠曲变形角度，根据连杆A 8、连杆 B 9与绳索5相连接，在启闭力运行过程中，本发明装置伴随着启闭力的运行而运动，此时，测载滑轮2与测力装置产生曲线运行轨迹，进行多点插值拟合。通过两连杆之间产生的角度θ，采用高次多元方程拟合插值的方法，基于插值进行快速的递算。

高次多点插值计算如公式(3-1)、(3-2)所示，

专利复合算法B的示意计算如图4所示。

实例4.三力交汇测力模型，启闭力T的计算

若物体在三个非平衡力同时作用下处于平衡状态，这三个力必定共面共点(三力汇交原理)，合力为零，称为三个共点力的平衡，其中任意两个力的合力必定与第三个力大小相等，方向相反作用在同一条直线上。当绳索5被测载滑轮2拉拽变形时，绳索5两端的拉力和测载滑轮2的拉拽力处于一个平衡状态，故满足三力平衡的计算法则，如图7所示。

绳索5的拉力T(启闭力)的计算公式为：

式中：F_N为受力圆柱体10所受的轴向拉力；

β为绳索5的挠曲变形角度。

本发明可以在各种工况下运行，能够对水工钢闸门启闭力的大小进行实时动态监测，减少了水工钢闸门运行的容错率。

以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种水工钢闸门启闭力动态监测方法，其特征在于，所述方法采用锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪实现，所述锚固动索水工钢闸门启闭力动态监测仪包括测载滑轮、测力装置和角度测量装置，测载滑轮跨接在用于提升闸门的绳索上，检测时绳索以测载滑轮为支点发生挠曲变形；测力装置包括受力体和测力应变传感器，所述受力体一端与测载滑轮连接，另一端经锚固动索锚固在水工建筑物上；所述测力应变传感器布设在所述受力体的表面，用于检测受力体轴向拉力；角度测量装置包括两个连杆和角度传感器，两个连杆对称分布在受力体的两侧，连杆一端通过连杆滑轮与对应侧绳索滑动连接，另一端通过铰链与受力体铰接；角度传感器用于测量两个连杆之间所夹的角度；

所述监测方法包括如下步骤：

获取受力体所受的轴向拉力；

获取与测载滑轮相连接的绳索受载后的挠曲变形角度；

根据所获取的轴向拉力、挠曲变形角度，采用三力交汇测力模型计算闸门的启闭力；

所述挠曲变形角度的获取方法包括：感测两连杆之间所夹的角度；根据挠曲变形角度与两连杆之间所夹角度的下述几何关系式计算出挠曲变形角度：

式中：X为连杆滑轮与绳索的交点到测载滑轮两边弯曲的绳索的延长线的交点之间的距离；L为连杆的长度；r₁为受力体的轴线距离连杆铰接点的最短距离；r₂为测载滑轮的半径；θ为两连杆延长线相交后两连杆之间所夹的角度；β为绳索受载后的挠曲变形角度；S为测载滑轮中心到两连杆铰接点的连线的距离。

2.根据权利要求1所述的水工钢闸门启闭力动态监测方法，其特征在于，所述轴向拉力的获取方法包括：感测受力体的轴向应变；根据虎克定律由所述轴向应变计算受力体所受的轴向拉力。

3.根据权利要求1所述的水工钢闸门启闭力动态监测方法，其特征在于，所述闸门的启闭力根据下述公式计算得到：

式中：F_N为受力体所受的轴向拉力；β为绳索受载后的挠曲变形角度。

4.根据权利要求1所述的水工钢闸门启闭力动态监测方法，其特征在于，所述绳索受载后的挠曲变形角度的取值范围为30°～175°。

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