CN110082079B - 定索水工钢闸门启闭力性态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，包括支撑杆、夹持测力滑轮、第一固定夹持滑轮和第二固定夹持滑轮；支撑杆的一端与固定件固定连接，另一端与夹持测力滑轮固定连接，第一固定夹持滑轮、第二固定夹持滑轮分设于夹持测力滑轮的两侧；支撑杆上还设有测应力传感器；用于提升闸门的绳索依次绕过第一固定夹持滑轮、夹持测力滑轮和第二固定夹持滑轮，至少以夹持测力滑轮为支点发生挠曲变形；监测装置还包括能够测算绳索于夹持测力滑轮处形成的挠曲变形角的角度测量装置，根据绳索挠曲变形角及支撑杆所受轴向拉力计算闸门启闭力；本发明解决了启闭力监测仪对启闭力测量误差大、反应迟缓以及有动作死区等问题。

Description

定索水工钢闸门启闭力性态监测装置

技术领域

本发明涉及水利设备技术领域，具体涉及定索水工钢闸门启闭力性态监测装置。

背景技术

水工钢闸门在日常的运行下，调水、发电、设备的开启关闭、持住、等运行工况下，为钢闸门设备的检查、运行启闭力大小状态的诊断，提供有效的信息，根据此设备准确得知钢闸门启闭力的状况，对钢闸门的运行有重要意义。水工钢闸门的启闭力由启门力、闭门力和持住力三部分组成，启闭力的大小是闸门能否正常工作的关键因素，国内外有很多闸门因启闭力不清楚而导致事故的实例。

现有的启闭力检测仪一般安装在启闭机的卷筒轴上，其采用的是机械称重的工作方式，该装置测量的误差大，不能为水工钢闸门的安全运行提供有效的保障，并且该装置所受的应力大，自身的安全性也很低，因此现有的启闭力监测仪已经越来越不能满足现代水利发展的需求。现有装置的钢闸门在开启闭合以及持住等运行工况下启闭力监测仪对启闭力测量误差大、反应迟缓以及有动作死区等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷或缺陷之一。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，包括支撑杆、夹持测力滑轮、第一固定夹持滑轮和第二固定夹持滑轮；所述支撑杆的一端与固定件固定连接，另一端与所述夹持测力滑轮固定连接，所述第一固定夹持滑轮、第二固定夹持滑轮分设于夹持测力滑轮的两侧；所述支撑杆上还设有测应力传感器，用于根据支撑杆的变形度检测支撑杆所受轴向拉力；

用于提升闸门的绳索依次绕过第一固定夹持滑轮、夹持测力滑轮和第二固定夹持滑轮，至少以夹持测力滑轮为支点发生挠曲变形；所述监测装置还包括能够测算绳索于夹持测力滑轮处形成的挠曲变形角的角度测量装置，根据绳索挠曲变形角及支撑杆所受轴向拉力计算闸门启闭力。

支撑杆与夹持测力滑轮相对应的一端通过螺纹连接有滑块，所述夹持测力滑轮通过连杆与滑块固定连接；闸门启闭力相同的情况下，旋转滑块调节夹持测力滑轮的位置能够改变支撑杆的变形度，从而改变测应力传感器的测量精度。

本发明的优点在于：本发明采用支撑测力结构设计，结合高次多元方程侦知绳索受载后的挠曲变形角度，并按照力学三角形矢量支撑测力模型获取水工钢闸门实时启闭力的大小、方向等性态。解决了钢闸门在开启闭合以及持住等运行工况下启闭力监测仪对启闭力测量误差大、反应迟缓以及有动作死区等问题，为水工钢闸门的现代化运行提供有效的保障。

附图说明

图1为本发明具体实施方式启闭力监测仪的整体结构式示意图；

图2为本发明具体实施方式启闭力监测仪中惠斯通电桥原理框图；

图3为本发明具体实施方式中高次多元方程组的计算示意图；

图4为本发明具体实施方式中调节滑块的安装示意图；

图5是本发明具体实施方式角度测量的几何关系图

图6为本发明具体实施方式中三角形计算模型示意图。

其中：1、夹持测力装置；2、调节滑块；3、角度测量装置；4、启闭机；5、绳索；101a、第一固定夹持滑轮；101b、第二固定夹持滑轮；102、夹持测力滑轮；201、滑块；202、变送放大模块；203、螺母；301、第一连杆；302、第二连杆；303、角度传感器；2011、应变片。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1至图6所示，定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，包括支撑杆、夹持测力滑轮102、第一固定夹持滑轮101a和第二固定夹持滑轮101b；支撑杆的一端与固定件固定连接，另一端与夹持测力滑轮102固定连接，第一固定夹持滑轮101a、第二固定夹持滑轮101b分设于夹持测力滑轮102的两侧；支撑杆上还设有测应力传感器，用于根据支撑杆的变形度检测支撑杆所受轴向拉力；

用于提升闸门的绳索5依次绕过第一固定夹持滑轮101a、夹持测力滑轮102和第二固定夹持滑轮101b，至少以夹持测力滑轮102为支点发生挠曲变形；监测装置还包括能够测算绳索5于夹持测力滑轮处形成的挠曲变形角的角度测量装置3，根据绳索挠曲变形角及支撑杆所受轴向拉力计算闸门启闭力。

定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，包括夹持测力装置1，夹持测力装置1包括调节滑块2，调节滑块2包括支撑杆、滑块201和螺母203，支撑杆的一端设有螺纹，另一端无螺纹，无螺纹的一端固定在固定端上，有螺纹的一端和滑块201螺纹连接，螺母203螺纹连接在滑块201的右侧。滑块201的左侧连接有第一固定夹持滑轮101a、第二固定夹持滑轮101b和一个夹持测力滑轮102。具体的，滑块201上固定有钢管，钢管和夹持测力滑轮102固定连接，用于支撑夹持测力滑轮102，使其和支撑杆保持在同一水平线上。第一固定夹持滑轮101a通过第一连杆301和滑块201铰接，更具体的，第一连杆301的一端和滑块201铰接，另一端和第一固定夹持滑轮101a滑动连接；第二连杆302和第一连杆301关于支撑杆对称，第二连杆302的一端和第二固定夹持滑轮101b滑动连接，另一端和滑块201相铰接。

第一固定夹持滑轮101a、第二固定夹持滑轮101b分别通过伸缩杆和所述夹持测力滑轮铰接。具体的，第一固定夹持滑轮101a的两侧面上均铰接有伸缩杆，两个伸缩杆的另一端分别铰接到夹持测力滑轮102的两个侧面上；同样的，夹持测力滑轮102和第二固定夹持滑轮101b通过两根伸缩杆相铰接。

绳索5为钢丝绳，绳索5的顶端固定在启闭机4中，启闭机4启动收紧或放松绳索5，实现对绳索5底部悬挂的钢闸门提升或降落。绳索5绕过第一固定夹持滑轮101a、第二固定夹持滑轮101b和一个夹持测力滑轮102，绳索5在第一固定夹持滑轮101a、第二固定夹持滑轮101b和一个夹持测力滑轮102上发生挠曲变形。具体的，绳索5绕过第一固定夹持滑轮101a的左侧，经过夹持测力滑轮102的右侧，再经过第二固定夹持滑轮101b的左侧，并以夹持测力滑轮102为支点发生挠曲变形。第一固定夹持滑轮101a、第二固定夹持滑轮101b和一个夹持测力滑轮构成三角状，具体为等腰三角形。出于对测量误差的考虑，等腰三角形的顶角呈30°—175°范围设置，按钢闸门荷载工况选择使用。

角度测量装置包括第一连杆301、第二连杆302和角度传感器303，角度传感器303设在第一连杆301和第二连杆302之间，用于测量第一连杆301和第二连杆302之间的角度θ，根据角度θ再结合本发明构建的算法计算出绳索5的挠曲变形角β。

支撑杆中间的无螺纹段上测应力传感器，测应力传感器用于测量支撑杆所承受的轴向拉力。具体的，支撑杆上连接有四个应变片2011，其中，两个应变片2011粘贴在支撑杆上，另外两个应变片2011悬空设置，四个应变片2011连成惠斯通电桥电路，通过惠斯通电桥将应变片2011应变产生的电阻转换为差分电压。应变片2011和电路之间有放大变送模块302。因此可以根据差分电压的测量值再通过变送放大模块202按虎克力学原理方法获取三角形支撑测力结构的横向夹持力大小。

在本实施例中，为避免监测启闭力出现集中受载的测试影响，确保设备的安全运行，夹持测力装置1距离启闭机的距离至少为0.2m。

一、横向压力的测量与计算

1.1、应力片的电阻

应变片2011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。设金属电阻丝，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，电阻丝发生变形，设电阻丝沿轴向伸长，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。导线的横截面原面积为A＝πD²/4，其相对变化为dA/A＝2dD/D＝-2μdL/L。其中u为金属丝材料的泊松比；应变ε＝dL/L，为金属导线长度的相对变化：

在电阻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，金属材料在一定的应变范围内，电阻丝的相对电阻变化与丝的轴向长度的相对变化成正比。当敏感栅电阻应变计被粘贴到构件表面后，构件受力而变形时，可以通过测试电阻变化表征构件的应变。电阻丝的相对电阻变化与丝的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，与导线材料的成分、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、电桥测量原理

应变片2011一般采用惠斯通电桥进行电路测量。惠斯通电桥将应变片2011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，+V_OUT和-V_OUT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～R2为电桥电阻。

对于半桥惠斯通电桥电路中，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)，另两片为补偿电阻。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、横向压力的计算—虎克定律

支撑杆受到轴向外力作用时，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。当支撑杆发生弹性形变时，支撑杆的轴向变形△L与拉力FN、杆长L成正比，与杆的横截面积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。

因此支撑杆的轴向压力为：

1.4、三角形测力模型

本发明装置主要设计采用三角形，包括等腰三角形、直角三角形、普通三角形等支撑测力结构。发明装置主要的设计特征：第一固定夹持滑轮101a和第二固定夹持滑轮101b安装在绳索5一侧并与绳索5平行接触，夹持测力滑轮102安装在绳索5的另一侧，使水工钢闸门启闭钢丝绳索被夹持装置挠曲变形呈等腰三角形。

根据高次多元方程侦知挠曲变形角度和虎克定律计算横向夹持力，从而建立等腰三角形计算钢丝绳索拉力的模型，来计算侦知钢丝绳索的拉力。

二、挠曲变形角度测量装置

2.1、高次多元方程

高次多元方程主要计算钢丝绳的挠曲变形角度，在启闭机的运行时，连杆依据运动的轨迹，依据多点插值拟合速算列解，拟合完成高次多元方程的根解。侦知挠曲变形角度的值。

根据第一连杆301、第二连杆302的运动轨迹，第一连杆301、第二连杆302运动产生的角度使用角度传感器303获得，根据已知第一连杆301、第二连杆302的产生的角度，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(2-1)、(2-2)所示：

挠曲变形角度以及角度的示意计算如图4所示。

2.2、挠曲变形角的求解

在用三角形计算绳索5的启闭力时，需要用到绳索5的挠曲变形角度。当滑块201移动，滑块201顶住绳索5使其发生挠曲变形，而此时，两连杆之间的角度θ也会发生变化，通过计算求得连杆之间的角度θ与绳索的挠曲变形角β之间的关系和测得的连杆之间的角度，就可以求出绳索的挠曲变形角β。

当绳索5挠曲变形后连杆之间的几何关系：

式中：S为连杆的铰链到基准线的距离(令未变形时的绳索直线为基准线)；

△S为绳索挠曲变形后连杆的滑轮到基准线的距离；

L为连杆的长度；θ为两连杆之间所夹的角度。

(1)整体结构的几何关系：

式中：a为绳索5弯曲角顶端到基准线的距离；b为绳索5弯曲角顶端到固定夹持滑轮101与基准线的平行线之间的距离；β为绳索5的挠曲变形角。

(2)由于滑块的大小产生的几何关系：

式中：X为滑块201最顶端到基准线的距离；R为滑块201的半径。

由上述的几何关系方程式可得到β与θ之间的关系，故可由角度传感器303测量的角度θ计算出绳索5挠曲变形角度β的准确值。

2.3、三角形顶角的参考取值范围

本发明装置，依据钢闸门的不同重量三角形模型的顶角取值范围不同，根据钢闸门的重量，进行对启闭力的计算。

钢闸门的重量	顶角的角度范围
		100Kg—1t	30°—45°
1t—10t	45°—60°
		10t—100t	60°—120°
100t—500t	120°—150°
		＞500t	150°—175°

三、支撑杆

3.1支撑杆的细牙螺纹选取

基于我国便于制造、便于维护的原则，支撑杆的细牙螺纹采用M10—M200。根据公式(3-1)所得，

式中：σ按照235MPa选材；

d—按受力荷载的确定。

3.2、支撑杆的敏感度

本发明专利预调节支撑杆的目的是测敏感度，主要为测角度和测横向力，提供便捷的辅助功效。

四、启闭力测力模型，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被夹持测力滑轮102挤压变形时，绳索5在第一固定夹持滑轮101a和第二固定夹持滑轮101b之间处于瞬间平衡状态，故满足三力平衡的计算法则。

绳索5的拉力T(启闭力)的计算公式为：

式中：F_N为支撑杆所受的轴向力；

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (7)

1.定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，包括支撑杆、夹持测力滑轮、第一固定夹持滑轮和第二固定夹持滑轮；所述支撑杆的一端与固定件固定连接，另一端与所述夹持测力滑轮固定连接，所述第一固定夹持滑轮、第二固定夹持滑轮分设于夹持测力滑轮的两侧；所述支撑杆上还设有测应力传感器，用于根据支撑杆的变形度检测支撑杆所受轴向拉力；

用于提升闸门的绳索依次绕过第一固定夹持滑轮、夹持测力滑轮和第二固定夹持滑轮，至少以夹持测力滑轮为支点发生挠曲变形；所述监测装置还包括能够测算绳索于夹持测力滑轮处形成的挠曲变形角的角度测量装置，根据绳索挠曲变形角及支撑杆所受轴向拉力计算闸门启闭力；

所述支撑杆与夹持测力滑轮相对应的一端通过螺纹连接有滑块，所述夹持测力滑轮通过连杆与滑块固定连接；

闸门启闭力相同的情况下，旋转滑块调节夹持测力滑轮的位置能够改变支撑杆的变形度，从而改变测应力传感器的测量精度；

所述角度测量装置包括两根摆杆，两摆杆分布于所述支撑杆的两侧，摆杆的一端与所述滑块铰接，另一端与同侧固定夹持滑轮滑动连接；

所述角度测量装置还包括用于测量两摆杆夹角的角度传感器，角度测量装置根据角度传感器检测的角度测算绳索于夹持测力滑轮处形成的挠曲变形角。

2.根据权利要求1所述的定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述支撑杆上用于与滑块连接的螺纹为细牙螺纹。

3.根据权利要求1所述的定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述摆杆和同侧固定夹持滑轮通过球铰、合页或铰链铰接。

4.根据权利要求1所述的定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，第一固定夹持滑轮、第二固定夹持滑轮分别通过伸缩杆和所述夹持测力滑轮铰接。

5.根据权利要求1所述的定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述测应力传感器包括连接于支撑杆上的四个测载应变片，四个测载应变片形成惠斯通电桥电路，根据惠斯通电桥电路输出的电压计算支撑杆所受轴向拉力。

6.根据权利要求1所述的定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述绳索挠曲变形角的取值范围是[30°，175°]。

7.根据权利要求1所述的定索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述夹持测力滑轮的中心位于所述支撑杆的轴线上，所述第一固定夹持滑轮、第二固定夹持滑轮以支撑杆为轴线对称分布于支撑杆的两侧。

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