CN117071521A - 船闸闸门结构智能加载试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种船闸人字闸门结构智能加载试验系统及方法,包括闸门,用于固定闸门的自反力框架,转动作动器作用闸门门体使其绕转轴按设定角速度定轴旋转,加载作动器可实现作用在闸门上的静动力复合加载情况，双通道控制系统可实现转动和加载两通道的电液伺服闭环控制协调加载，动态信号测试分析系统多通道同步采样，可实现试验系统的分布式采集与监控。本发明通过模拟船闸人字闸门结构运行全过程，可研究船闸人字闸门在船舶撞击力、静水压力、水流脉动压力、频繁启闭作用下闸门及支承运转件的动力响应。通过采集闸门模型受荷响应敏感区动力响应信号,研究在船闸灌泄水和闸门启闭过程中闸门及支承运转件(顶、底枢)的受力变形特征。
Description
技术领域
本发明涉及船闸结构技术领域，特别是一种船闸闸门结构智能加载试验系统及方法。
背景技术
当前，我国正大力发展水路交通基础设施建设，船闸智能运维技术所涉及的相关前沿科学技术问题在行业内备受关注。虽然针对船闸闸门振动及监测方面现已有部分成果，但对于闸门顶枢、底枢这类重要支承运转部件的长期运行状况和损伤情况几乎鲜有文献报导。针对船闸人字闸门由于频繁启闭、水流脉动压力、船舶撞击力等引起的结构疲劳损伤及运行故障问题，通常以定期停航检修、人工检测为主要诊断方式。由于顶枢空间狭小、底枢常年浸泡于水下且长期处于间歇性低速重载状态，仅凭人为的主观性判断会令诊断结果在极大程度上依赖于工程经验，缺乏科学合理的研判依据。
国内外学者从船闸运行方式、闸门结构损伤和结构健康监测入手，提出了针对闸门门叶运行状态的监测方法及结构损伤量化指标，但无法从中获取顶枢、底枢蘑菇头等隐蔽部位的运转情况，针对运行状态下闸门及支承运转件实时监测、故障诊断等方面的研究仍然存在不足。
因此，需要一种能对船闸闸门结构进行智能加载试验系统和方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种船闸闸门结构智能加载试验系统及方法，该方法利用数学方式模拟不同的作用力来加载试验系统便于研究复杂作用下闸门及支承运转件的动力响应。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供的船闸闸门结构智能加载试验系统，包括闸门模型、作动器和控制系统；
所述作动器设置于闸门模型上，所述作动器在控制系统作用下与闸门模型产生作用，用于模拟闸门在船闸灌泄水或闸门启闭过程中的运行状态，所述运行状态包括闸门的受力状态或运动状态；
所述作动器是根据接收到控制系统直接命令或加载的文件波对闸门进行作用的；
所述文件波是指通过数学方式模拟不同的作用力波形并提取不同波形的时程数据，用于控制作动器以对应的作用力加载到闸门模型上。
进一步，所述文件波包括闸门模型所受水流脉动压力的时程数据，以及闸门模型所受船舶撞击力的时程数据。
进一步，所述闸门模型包括自反力框架以及设置于自反力框架上的门叶、顶枢、底枢和安装座；
所述门叶上端设有顶枢,顶枢通过座架与自反力框架连接，门叶相应一侧的下端与底枢连接，底枢通过安装座与自反力框架固定连接。
进一步，所述顶枢包括调节螺杆、楔块、B杆、A杆、AB拉杆、螺母、拉杆座架和螺栓；
所述B杆和A杆按照三角形布置，两端端通过拉杆座架分别与与自反力框架固定连接,顶枢与B杆和A杆为铰接连接，B杆和A杆的另一端分别与楔块铰接接,AB拉杆连接B杆和A杆，楔块、B杆、A杆及AB拉杆上设有可调节长度的调节螺杆,通过旋转螺母即可调节调节螺杆的长度,从而保证顶、底枢的中心轴线的垂直度。
所述底枢包括蘑菇头、衬套，蘑菇头与衬套形成滑动配合,衬套与门叶底板固定连接,蘑菇头与安装座固定连接,其中蘑菇头通过定位销与安装座连接,安装座通过螺栓与自反力框架连接。
进一步，所述作动器包括转动作动器和加载作动器，所述转动作动器、加载作动器分别与控制系统连接；
所述转动作动器一端设置于自反力框架上，另一端设置于人字闸门模型的闸门上，所述转动作动器用于调整人字闸门模型绕转轴按设定角速度定轴旋转；
所述加载作动器一端设置于自反力框架上，另一端设置于人字闸门模型的闸门上，所述加载作动器用于对人字闸门模型进行静力或循环载荷。
进一步，所述控制系统包括转动通道、加载通道、数据采集模块、数据分析模块、输出模块；
所述转动通道用于确定闸门门叶的启闭速度和启闭角度；
所述加载通道在加载时选择静力加载或疲劳加载中闸门模型所受作用力的文件波，用于模拟作用在闸门门叶上的作用力；
所述数据采集模块包括应力应变采集单元、振动加速度采集单元；
所述数据采集模块用于采集闸门上产生的动态信号；并将动态信号输入到数据分析模块中进行分析处理，最后通过输出模块发送经过分析处理后的结果信号；所述动态信号包括闸门及支承运转件的应力应变信号、振动加速度信号；
所述应力应变采集单元包括应变传感器、动态信号采集仪；所述应变传感器设置于人字闸门模型的闸门及运转件上，用于采集闸门模型上产生的应力应变信号；并将应力应变信号传输到动态信号采集仪中进行储存；
所述振动加速度采集单元包括振动加速度传感器、动态信号采集仪；所述振动加速度传感器设置于人字闸门模型的闸门及运转件上，用于采集闸门模型上产生的振动加速度信号；并将振动加速度信号传输到动态信号采集仪中进行储存；
所述数据分析模块，用于对接收到的动态信号进行分析处理；本实施例中采用MATLAB等软件实现数据交互分析，对数据进行降噪、滤波等处理，然后在时域和频域分别进行分析。
所述输出模块，用于输出闸门及支承运转件运行状态动力响应；
本发明提供的船闸人字闸门结构智能加载试验方法，包括以下步骤：
构建船闸闸门结构智能加载试验系统，所述船闸闸门结构智能加载试验系统包括自反力框架、闸门模型、作动器和控制系统；
通过数学方式模拟船闸闸门结构受到的不同作用力，包括静水压力、水流脉动压力、船舶撞击力、频繁启闭作用等，将其转化为控制系统可识别的文件格式，从而控制作动器实现对闸门模型的加载；
运行控制软件，启动控制系统的转动通道和加载通道以控制转动作动器和加载作动器作用到闸门模型上，设定转动通道对应的启闭时间和启闭速度，选择加载通道对应的静态荷载和疲劳荷载(以文件波的形式表示)；
采集闸门模型(闸门及支承运转件)受荷响应敏感区生成的动态信号并进行进一步分析处理。
进一步，所述文件波是指通过数学方式模拟不同的作用力波形，提取不同波形的时程数据，以文本格式输入控制系统的文件形式，从而控制作动器以对应的作用力加载到闸门模型上。
进一步，所述文件波包括水流脉动压力时程数据和船舶撞击力时程数据；所述时程数据是指闸门受到随时间变化作用力产生的一系列数据，可通过数学方式模拟不同的作用力波形，从而提取得到不同作用力的时程数据。
进一步，所述水流脉动压力时程数据选择水流脉动压力平稳高斯模型，按照以下公式进行：
式中：
是P(t)方差；
ωi是随机变量，其概率密度f(ω)；
的均匀分布随机变量；N为正整数，设为充分大；
Sp(ω)＝(-ω,ω)内定义的P(t)的功率谱密度；
i表示独立抽样次数，i＝1，2，3，···，N；
N为正整数，设为充分大；
t表示时间间隔；
ω表示随机变量；
pd(t)表示某点水流脉动压力。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的船闸闸门结构智能加载试验系统及方法,包括闸门,用于固定闸门的自反力框架,转动作动器作用闸门门体使其绕转轴按设定角速度定轴旋转,加载作动器可实现作用在闸门上的静动力复合加载情况，双通道控制系统可实现转动和加载两通道的电液伺服闭环控制协调加载，动态信号测试分析系统多通道同步采样，可实现试验系统的分布式采集与监控。本发明通过模拟船闸人字闸门结构运行全过程，可研究船闸人字闸门在船舶撞击力、静水压力、水流脉动压力、频繁启闭作用下闸门及支承运转件的动力响应。通过采集闸门模型受荷响应敏感区动力响应信号,研究在船闸充泄水和闸门启闭过程中闸门及支承运转件(顶、底枢)的受力变形特征,可为人字闸门及支承运转件运行状态的实时动态研判以及不同故障模式的智能诊断提供一定的技术支持。因此，本发明对船闸智能运维技术的发展具有重要的作用。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为闸门试验系统原理框图；
图2为人字闸门结构示意图；
图3为人字闸门67.5°角试验俯视图；
图4为人字闸门0°角试验俯视图；
图5为船闸闸门结构示意图；
图6为闸门顶枢三维图；
图7为闸门顶枢正视图；
图8为闸门顶枢俯视图；
图9为闸门底枢衬套正视图；
图10为闸门底枢(无衬套)三维图；
图11为为闸门底枢蘑菇头正视图；
图12为闸门底枢衬套俯视图；
图13为船闸闸门结构智能加载试验方法；
图14为试验力监测结果图；
图15为顶枢-A杆监测结果图；
图16为顶横梁监测结果图；
图17为门叶-前横板监测结果图；
图18为门叶-后面板监测结果图；
图19为底枢-衬套监测结果图；
图20为底枢-蘑菇球侧监测结果图；
图21为异常点剔除前后的效果变化图；
图22为经过平滑处理的数据图；
图23为经过滤波处理的数据图；
图24为案例分析频谱图。
图中，自反力框架1,门叶2,转动作动器3,加载作动器4,调节螺杆5,楔块6,B杆7,A杆8,AB拉杆9,螺母10,拉杆座架11,螺栓12,衬套13,蘑菇头14,盛水筒15,安装座16,底枢17，顶枢18。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供的系统可模拟人字闸门灌泄水和启闭全过程的模拟试验，由于人字闸门全过程分析比较复杂，现有技术中难以模拟船舶撞击力、静水压力、水流脉动压力、闸门频繁启闭等复杂作用下闸门及支承运转件整体结构的动力响应。而本实施例提供的试验系统通过控制系统操控作动器，从而模拟工程实际中闸门所受的静水压力、水流脉动压力、船舶撞击力、闸门频繁启闭等复杂作用，可实现对闸门及支承运转件整体结构的动力响应分析。
如图1所示，本实施例提供的船闸闸门结构智能加载试验系统，包括自反力框架、闸门模型、作动器、控制系统；
所述闸门模型设置于自反力框架上；本实施例提供的闸门模型为人字闸门模型，也可以是其他类型的船闸闸门模型；
所述作动器包括转动作动器和加载作动器，所述转动作动器、加载作动器分别与控制系统连接；
所述转动作动器一端设置于自反力框架上，另一端设置于人字闸门模型的闸门上，所述转动作动器用于调整人字闸门模型绕转轴按设定角速度定轴旋转；
所述加载作动器一端设置于自反力框架上，另一端设置于人字闸门模型的闸门上，所述压力作动器用于对人字闸门模型进行静力或循环加载；
所述加载作动器为3吨作动器；
本实施例中的人字闸门模型两侧与转动作动器、加载作动器连接点位于同一水平面上，转动作动器连接点与转轴中心间距：500mm；加载作动器连接点与转轴中心间距：675mm，加载作动器轴心与人字闸门门面垂直，后端与反力架连接固定；
闸门上设置有应变传感器和振动加速度传感器，应变传感器用以监测闸门应变变化，振动加速度传感器用以监测闸门振动加速度变化。
所述人字闸门模型包括门叶、顶枢、底枢、安装座；所述门叶上端设有顶枢,顶枢通过座架与自反力框架连接，门叶相应一侧的下端与底枢连接，底枢通过安装座与自反力框架固定连接。
本实施例中的B杆和A杆成三角形布置，两端端通过拉杆座架分别与与自反力框架1固定连接,顶枢与B杆和A杆为铰接连接，B杆和A杆的另一端分别与楔块铰接,AB拉杆连接B杆和A杆，楔块、B杆、A杆及AB拉杆上设有可调节长度的调节螺杆,通过旋转螺母即可调节调节螺杆的长度,从而保证顶、底枢的中心轴线的垂直度；
所述的底枢包括蘑菇头、衬套，蘑菇头与衬套形成滑动配合,衬套与门叶底板固定连接,蘑菇头与安装座固定连接,其中蘑菇头通过定位销与安装座连接,安装座通过螺栓与自反力框架连接。
所述控制系统包括转动通道、加载通道、文件波、数据采集模块、数据分析模块、输出模块；
所述转动通道用于确定闸门门叶的启闭速度和启闭角度；
所述加载通道在加载时选择静力加载或疲劳加载中闸门模型所受作用力的文件波，用于模拟作用在闸门门叶上的作用力；
所述文件波是指作用力的时程数据，包括水流脉动压力时程数据和船舶撞击力时程数据；所述时程数据是指闸门受到随时间变化作用力产生的一系列数据，可通过数学方式模拟不同的作用力波形，从而提取得到不同作用力的时程数据。
本实施例中的所述文件波是指通过数学方式模拟不同的作用力波形，提取不同波形的时程数据，以文本格式输入控制系统的文件形式，从而控制作动器以对应的作用力加载到闸门模型上，便于研究闸门及支承运转件在各种复杂作用下的动力响应。
所述数据采集模块包括应力应变采集单元、振动加速度采集单元、其他参数采集单元；
所述数据采集模块用于采集闸门上产生的动态信号；并将动态信号输入到数据分析模块中进行分析处理，最后通过输出模块发送经过分析处理后的结果信号；所述动态信号包括闸门及支承运转件的应力应变信号、振动加速度信号；
所述应力应变采集单元包括应变传感器、动态信号采集仪；所述应变传感器设置于人字闸门模型的闸门及运转件上，用于采集闸门模型上产生的应力应变信号；并将应力应变信号传输到动态信号采集仪中进行储存；
所述振动加速度采集单元包括振动加速度传感器、动态信号采集仪；所述振动加速度传感器设置于人字闸门模型的闸门及运转件上，用于采集闸门模型上产生的振动加速度信号；并将振动加速度信号传输到动态信号采集仪中进行储存；
所述数据分析模块，用于对接收到的动态信号进行分析处理；本实施例中采用MATLAB等软件实现数据交互分析，对数据进行降噪、滤波等处理，然后在时域和频域分别进行分析。
所述输出模块，用于输出闸门及支承运转件运行状态动力响应。
本实施例提供的船闸人字闸门结构智能加载试验系统,由于闸门模型与人字闸门原型满足相似原理,包括几何相似、运动相似和力学相似,通过模拟试验能够从模型上定量预测原型的动力响应。通过在基于数值仿真手段确定的闸门模型受荷响应敏感区布设多向应变传感器及振动加速度传感器，便于研究闸门及支承运转件运行状态下的动力响应关系。
本实施例的双通道控制系统可接入转动作动器、加载作动器，可实现2个通道的电液伺服闭环控制协调加载，智能调控闸门模型的启闭时间及启闭角度，动态模拟闸门灌泄水所受静水压力和水流脉动压力。
本实施例提供的系统通过在闸门底枢安装座添加水流条件,近于真实地模拟闸门底枢水下服役运行状态。通过加载作动器实现低周循环载荷，可模拟闸门门体受船舶撞击力的疲劳损伤，便于研究闸门及支承运转件在船舶撞击力疲劳荷载下的动力响应规律。通过调整试验系统中闸门模型支承运转件的故障模式，例如：设置支承运转件接触面不同摩擦系数以模拟支承运转件不同故障模式下门体动力响应，便于研究支承运转件不同故障模式对其门体动力响应的影响。可模拟船闸人字闸门结构动水启闭运行工况和船闸动力灌泄水运行工况，便于研究不同运行工况下闸门及支承运转件的动力响应规律。实验装置便于安装拆卸,可以进行多次模拟试验。
本实施例通过模拟船闸人字闸门结构运行全过程，可研究船闸人字闸门在船舶撞击力、静水压力、水流脉动压力、频繁启闭作用下闸门及支承运转件的动力响应。通过采集闸门模型受荷响应敏感区动力响应信号,研究在船闸充泄水和闸门启闭过程中闸门及支承运转件(顶、底枢)的受力变形特征,可为人字闸门及支承运转件运行状态的实时动态研判以及不同故障模式的智能诊断提供一定的技术支持，本实施例提供的方法对船闸智能运维技术的发展具有重要的作用。
本实施例提供的系统可实现动力加载，可研究水流脉动压力以及船舶撞击力的循环荷载作用。可实现智能调控，所有加载工况可由控制系统远程控制，实现控制系统与外部数据采集系统进行同步采集的功能要求。基于数值仿真手段确定的闸门模型受荷响应敏感区即真实闸门的振动监测布点，数据更具可信性。
如图5-12所示，图5为闸门顶枢三维图，图6为闸门顶枢正视图，图7为闸门顶枢俯视图，图8为闸门底枢蘑菇头及安装座三维图，图9为闸门底枢蘑菇头正视图，图10为闸门底枢蘑菇头俯视图，图11为闸门底枢衬套正视图，图12为闸门底枢衬套俯视图，本实施例提供的船闸人字闸门结构智能加载试验系统包括门叶2,在门叶2的上端设有顶枢5,顶枢5通过座架11与自反力框架1连接，门叶3相应一侧的下端与底枢17连接，底枢17通过安装座与自反力框架1固定连接。顶枢5与底枢17之间的连线形成门叶2的旋转轴。所述底枢17中,蘑菇头14与衬套13形成滑动配合,衬套13与门叶2底板固定连接,蘑菇头14与安装座16固定连接,其中蘑菇头14通过定位销与安装座16连接,安装座16通过螺栓与自反力框架1连接。所述顶枢包括调节螺杆,楔块,B杆,A杆,AB拉杆,螺母,拉杆座架,螺栓；所述顶枢5中成三角形布置的B杆7和A杆8一端通过顶枢5与门叶2连接,顶枢5与B杆7和A杆8为铰接连接。B杆7和A杆8的另一端分别与拉杆座架11铰接,AB拉杆9连接B杆7和A杆8，两个拉杆座架11与自反力框架1固定连接,楔块6、B杆7、A杆8及AB拉杆9上设有可调节长度的调节螺杆5,通过旋转螺母10即可调节调节螺杆5的长度,从而保证顶、底枢的中心轴线的垂直度。
实施例2
如图13所示，本实施例提供的船闸闸门结构智能加载试验方法，包括以下步骤：
1.构建船闸闸门结构智能加载试验系统，所述船闸闸门结构智能加载试验系统包括自反力框架、闸门模型、作动器和控制系统；
2.通过数学方式模拟船闸闸门结构受到的不同作用力，包括静水压力、水流脉动压力、船舶撞击力、频繁启闭作用等，将其转化为控制系统可识别的文件格式，从而控制作动器实现对闸门模型的加载；
3.运行控制软件，启动控制系统的转动通道和加载通道以控制转动作动器和加载作动器作用到闸门模型上，设定转动通道对应的启闭时间和启闭速度，选择加载通道对应的静态荷载和疲劳荷载(以文件波的形式表示)；
4.采集闸门模型(闸门及支承运转件)受荷响应敏感区生成的动态信号并进行进一步分析处理。
所述文件波包括水流脉动压力时程数据、船舶撞击力时程数据；
所述水流脉动压力时程数据是指闸门受到水流脉动压力产生的一系列数据，可通过数学方式模拟不同的水流脉动压力波形，从而提取得到不同水流脉动压力的时程数据；
所述撞击力时程数据是指闸门受到随船舶撞击力产生的一系列数据，可通过数学方式模拟不同的船舶撞击力波形，从而提取得到不同船舶撞击力的时程数据；
所述转动通道在加载时选择对应的启闭时间和启闭速度，用于模拟船闸闸门的启闭过程；
所述加载通道在加载时选择静力加载或疲劳加载中闸门模型所受作用力的文件波，用于模拟作用在闸门门叶上的作用力；
本实施例中的所述文件波是指通过数学方式模拟不同的作用力波形，提取不同波形的时程数据，以文本格式输入控制系统的文件形式，从而控制作动器以对应的作用力加载到闸门模型上，便于研究闸门及支承运转件在各种复杂作用下的动力响应。
下面分别描述不同试验状态的试验过程：
静水压力试验过程，所述静水压力是指船闸在灌泄水过程中由于闸门两侧水位差产生的水压力，所述静水压力模拟具体步骤：
1.静水压力。根据液体压强公式，根据船闸闸门水位差计算闸门所受静水压力。
2.根据相似理论，计算闸门模型所受静水压力。
3.将闸门模型所受静水压力输入控制系统。
4.运行控制软件，检查作动器位移力的显示值是否与作动器的实际状态相符，设置保护参数，输入试样信息及试验结果数据保存文件名。开启油源至低压状态,打开阀台,调至高压状态，观察作动器位置是否稳定,正常情况作动器位置不变或变化很小。检查系统是否工作正常,在闭环控制模式下空载移动作动器,观察系统是否工作正常。
5.启动控制系统加载通道，同时转动作动器按一定速度保持至67.5°不动，仪器清零，按试验开始按钮正式开始记录试验数据，同时应用两个作动器设定，动态信号应变仪平衡清零，开始采集。选择试验力加载中闸门模型所受静水压力，即可模拟作用在闸门门叶上的静水压力，同理，可模拟任何作用在闸门上的静力作用。
6.按试验停止按钮结束本次试验，动态信号应变仪停止采集，可在闭环控制方式下,输入新的较小目标值及速度进行卸载或移除试样。
7.关闭阀台,油源切换到低压状态,关闭油泵,退出软件。
8.结束测量，卸下仪器设备，本次试验结束。
船闸闸门水流脉动压力试验过程：
所述船闸闸门水流脉动压力是指船闸闸门在灌泄水过程由于高速水流的强烈紊动,在闸门表面产生的围绕时均压强上下波动的随机动水压力。当脉动压力的振动频率与船闸闸门自振频率一致或接近时,极有可能产生共振,从而导致建筑物破坏，所述船闸闸门水流脉动压力模拟具体步骤：
1.利用水流脉动压力时程数据构建水流脉动压力模拟随机模型。运用概率和随机过程等数学工具来描述在时间和空间上具有随机性的脉动压力，选择符合水流脉动压力过程的随机模型，实施例选择水流脉动压力平稳高斯模型。
基于分布密度和谱密度的水流脉动压力时域模拟的方法，具体的脉动压力的数学模拟过程如下：
水流脉动压力平稳高斯模型：当P(t)为平稳高斯过程且假设其均值为0时，P(t)可按下列随机模型模拟：
式中：
是P(t)方差；
ωi是随机变量，其概率密度为f(ω)；
的均匀分布随机变量；
Sp(ω)＝(-ω,ω)内定义的P(t)的功率谱密度；
i表示独立抽样次数，i＝1，2，3，···，N；
N为正整数，设为充分大；
t表示时间间隔；
ω表示随机变量；
pd(t)表示某点水流脉动压力。
本实施例运用概率和随机过程等数学工具来描述在时间和空间上具有随机性的脉动压力，以便于研究闸门及运转件在水流脉动压力作用下的动力响应，弥补此方向的研究空白。
本实施例中的随机模拟是根据给定概率的分布密度和功率谱密度，保存被模拟脉动压力原有幅值和频率特性的一种数学模拟.脉动压力的随机模拟，目的为构造一个随机数学模型，用以产生与被模拟的实际脉动压力具有相同统计特征的“人工脉动压力”。所以，只要采用不同的分布密度和功率谱密度，该模型就能体现不同压力模拟时采用的不同波形。
本实施例根据水利工程闸门原型实测的实际功率谱得到功率谱密度，根据功率谱密度计算得到概率的分布密度。可以将水利工程闸门原型实测的实际功率谱作为给定功率谱密度。
2.水流脉动压力功率谱。采用某水利工程闸门的实际功率谱以确定所述水流脉动压力模拟随机模型统计函数中分布密度和谱密度，获得脉动压力的取值规律、频率结构和能量分布。
3.水流脉动压力时域荷载设计。根据水流脉动压力平稳高斯模型和实测的脉动压强功率谱，设计得到水流脉动压力的时域荷载曲线，得到不同水位下闸门所受水流脉动压力。
4.根据相似理论，计算闸门模型对应水位所受水流接触面积从而得到闸门模型所受水流脉动压力的时程数据。
5.提取闸门模型所受水流脉动压力的时程数据保存为txt.格式，以文件波形式输入控制系统。
6.运行控制软件，检查作动器位移力的显示值是否与作动器的实际状态相符，设置保护参数，输入试样信息及试验结果数据保存文件名。开启油源至低压状态,打开阀台,调至高压状态，观察作动器位置是否稳定,正常情况作动器位置不变或变化很小。检查系统是否工作正常,在闭环控制模式下空载移动作动器,观察系统是否工作正常。
7.启动控制系统加载通道，同时转动作动器按一定速度保持至67.5°不动，仪器清零，按试验开始按钮正式开始记录试验数据，同时应用两个作动器设定，动态信号应变仪平衡清零，开始采集。选择疲劳加载中闸门模型所受水流脉动压力的文件波，即可模拟作用在闸门门叶上的水流脉动压力。
8.启动控制系统加载通道，选择静力加载,输入静水压力大小，在转至疲劳加载中添加闸门模型所受水流脉动压力的文件波，可同时模拟作用在闸门门叶上的静水压力和水流脉动压力，即船闸闸门灌泄水全过程。
9.按试验停止按钮结束本次试验，动态信号应变仪停止采集，可在闭环控制方式下,输入新的较小目标值及速度进行卸载或移除试样。
10.关闭阀台,油源切换到低压状态,关闭油泵,退出软件。
11.结束测量，卸下仪器设备，本次试验结束。
本实施例提供的试验方法具有以下优点：
1.采用数学方法模拟了船闸闸门水流脉动压力随机不规则过程，克服了水流脉动压力荷载设计的复杂性，能够有效监测船闸灌泄水情况下的闸门及支承运转件的动力响应。
2.本实施例提供的方法使得该系统不用放在水中，就可以模拟水流的各种作用力波形，保留水流脉动压力对钢结构作用的同时避免水流对钢结构以及监测传感器的腐蚀，传统手段研究闸门水流脉动压力通常是采用水弹性物理模型，缺少了对闸门钢结构本身受力特征的研究，且无法监测空间狭小的顶枢和位于水下环境的底枢。本实施例提供的方法既能还原闸门及所受水流脉动压力时的动力响应，还能更好的采用传感器监测闸门及支承运转件结构本身的受力特征。
船舶撞击力试验过程：
所述船舶撞击力是指船舶在进出船闸时，由于航道内的航行速度、水流流速、操作人员的技术水平等,导致船舶与闸门碰撞产生的巨大作用力，其过程是一种复杂的非线性动态响应过程。船舶撞击力可能导致船舶受损、船员生命受到威胁，闸门也很可能会产生不利的变形和破坏。所述船舶撞击力模拟具体步骤：
1.船舶撞击力。根据能量公式，考虑船闸等级和船舶吨位计算船舶撞击力。
Pm＝WV/gT(4)
式中：
Pm是船舶撞击力，KN；
W是船舶重力，KN；
V是水流速度，m/s；
g是重力加速度，取9.8m/s2；
T一撞击时间，根据工程实际估算，无资料时，取1s。
2.根据相似理论，计算闸门模型所受船舶撞击力的时程数据。
3.提取闸门模型所受船舶撞击力的时程数据保存为txt.格式，以文件波形式输入控制系统。
4.运行控制软件，检查作动器位移力的显示值是否与作动器的实际状态相符，设置保护参数，输入试样信息及试验结果数据保存文件名。开启油源至低压状态,打开阀台,调至高压状态，观察作动器位置是否稳定,正常情况作动器位置不变或变化很小。检查系统是否工作正常,在闭环控制模式下空载移动作动器,观察系统是否工作正常。
5.启动控制系统加载通道，同时转动作动器按一定速度保持至67.5°不动，仪器清零，按试验开始按钮正式开始记录试验数据，同时应用两个作动器设定，动态信号应变仪平衡清零，开始采集。选择疲劳加载中闸门模型所受船舶撞击力的文件波，即可模拟作用在闸门门叶上的船舶撞击力。
6.启动控制系统转动通道，输入启闭速度和启闭角度，待闸门以设定转动角速度到达目标值角度后，在转至疲劳加载中添加闸门模型所受船舶撞击力的文件波，可模拟闸门在启闭过程中受船舶撞击力的动态响应过程。
7.按试验停止按钮结束本次试验，动态信号应变仪停止采集，可在闭环控制方式下,输入新的较小目标值及速度进行卸载或移除试样。
8.关闭阀台,油源切换到低压状态,关闭油泵,退出软件。
9.结束测量，卸下仪器设备，本次试验结束。
闸门频繁启闭试验过程：
所述闸门频繁启闭作用是指闸门频繁启闭对底枢等闸门核心运转部件产生的不利作用。闸门启闭机械的运行会引发门体振动，当闸门结构疲劳损伤积累到一定程度后，会导致门叶、底枢结构发生破坏。所述闸门频繁启闭作用模拟具体步骤：
1.拆下动态液伺服加载作动器，只保留转动作动器。
2.运行控制软件，检查作动器位移力的显示值是否与作动器的实际状态相符，设置保护参数，输入试样信息及试验结果数据保存文件名。开启油源至低压状态,打开阀台,调至高压状态，观察作动器位置是否稳定,正常情况作动器位置不变或变化很小。检查系统是否工作正常,在闭环控制模式下空载移动作动器,观察系统是否工作正常。
3.启动控制系统转动通道，设定转动角速度以及到达的目标值角度，仪器清零，按试验开始按钮正式开始记录试验数据，动态信号应变仪平衡清零，开始采集。闸门按一定角速度顶轴转动，设定启闭次数即可模拟闸门频繁启闭作用。
4.按试验停止按钮结束本次试验，动态信号应变仪停止采集，可在闭环控制方式下,输入新的较小目标值及速度进行卸载或移除试样。
5.关闭阀台,油源切换到低压状态,关闭油泵,退出软件。
6.结束测量，卸下仪器设备，本次试验结束。
实施例3
本实施例以人字闸门为例对闸门智能加载试验系统的试验过程进行说明
本实施例提供的系统的配置清单如下：
/>
系统主要配置参数及明细
/>
人字闸门试验工况说明：
该试验主要要求为：闸门绕转轴按设定角速度定轴旋转，水压力(静水压力及水流脉动压力)垂直作用于门面上，转动人字闸门试验方案的效果图如图2、图3、图4所示：图2为人字闸门结构示意图，图3为人字闸门67.5°角试验效果图，图4为人字闸门0°角试验效果图，进行工况1(定轴旋转)试验时，将加载作动器拆下；转动作动器工作，人字闸门可按设定的角速度转动；进行工况2(静载作用)、工况3(动载作用)时，转动作动器和加载作动器共同作用，完成试验。
具体操作：利用转动作动器调整人字闸门至试验角度，转动作动器活塞位置保持；安装加载作动器，保证加载作动器轴心与人字闸门门面垂直，再将后端与反力架连接固定。然后使用加载作动器对人字闸门进行静力或低周循环加载。
人字闸门充泄水试验过程的数据处理及分析：
(1)数据采集、传输、预处理和保存
在结构敏感区贴上应变片，安装传感器，确保能采集到信号。若是长时间的采集信号，需要做好应变片的防潮措施和振动加速度的固定，以免对采集的数据造成影响，充泄水监测结果如图14-23所示，图14为试验力监测结果图，图15为顶枢-A杆监测结果图，图16为顶横梁监测结果图，图17为门叶-前横板监测结果图，图18为门叶-后面板监测结果图，图19为底枢-衬套监测结果图，图20为底枢-蘑菇球侧监测结果图。
(2)异常点的剔除
系统接收到的数据常常也会有一些异常点，这些异常点的存在会影响系统判断的准确性，因此，要剔除这些异常值。
图21为异常点剔除前后的效果变化图；剔除异常点之后要进行再一次的滤波，得到反映闸门受荷状态的信号。图22为经过平滑处理的数据图；图23为经过滤波处理的数据图；根据实际的实验环境实际的噪声情况，对得到的数据进行平滑、滤波处理，如图14-23可以发现，平滑处理后数据没有之前数据的上下滑移，滤波处理后数据没有之前的密集，得到结构的有效数据。结构的振动加速度的时程曲线做同样方法的处理。
表1闸门及支承运转件应力应变监测值
(4)时程曲线的特征参数、特征波形统计
结构的应力和振动加速度时程曲线经过数据处理得到有效数据后，对该段数据特征参数、特征波形的进行统计，然后保存在系统中。该段有效数据的统计数据如下。特征参数统计值如表2所示，频谱分析图如图24所示。
表2特征参数统计表
由图可知，船闸闸门在充泄水过程中，在系统模拟的静水压力和水流脉动作用下产生了对应随时间变化的动态响应，对动态响应曲线进行时域、频域分析可获得充泄水过程中闸门及支承运转件的受力特征。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.船闸闸门结构智能加载试验系统，其特征在于：包括闸门模型、作动器和控制系统；
所述作动器设置于闸门模型上，所述作动器在控制系统作用下与闸门模型产生作用，用于模拟闸门在船闸灌泄水或闸门启闭过程中的运行状态，所述运行状态包括闸门的受力状态或运动状态；
所述作动器是根据接收到控制系统直接命令或加载的文件波对闸门进行作用的；
所述文件波是指通过数学方式模拟不同的作用力波形并提取不同波形的时程数据，用于控制作动器以对应的作用力加载到闸门模型上。
2.如权利要求1所述的船闸闸门结构智能加载试验系统，其特征在于：所述文件波包括闸门模型所受水流脉动压力的时程数据，以及闸门模型所受船舶撞击力的时程数据。
3.如权利要求1所述的船闸闸门结构智能加载试验系统，其特征在于：所述闸门模型包括自反力框架以及设置于自反力框架上的门叶、顶枢、底枢和安装座；
所述门叶上端设有顶枢,顶枢通过座架与自反力框架连接，门叶相应一侧的下端与底枢连接，底枢通过安装座与自反力框架固定连接。
4.如权利要求3所述的船闸闸门结构智能加载试验系统，其特征在于：所述顶枢包括调节螺杆、楔块、B杆、A杆、AB拉杆、螺母、拉杆座架和螺栓；
所述B杆和A杆按照三角形布置，两端通过拉杆座架分别与自反力框架固定连接,顶枢与B杆和A杆为铰接连接，B杆和A杆的另一端分别与楔块铰接,AB拉杆连接B杆和A杆，楔块、B杆、A杆及AB拉杆上设有可调节长度的调节螺杆,通过旋转螺母即可调节螺杆的长度,从而保证顶、底枢的中心轴线的垂直度。
所述底枢包括蘑菇头、衬套，蘑菇头与衬套形成滑动配合,衬套与门叶底板固定连接,蘑菇头与安装座固定连接,其中蘑菇头通过定位销与安装座连接,安装座通过螺栓与自反力框架连接。
5.如权利要求1所述的船闸闸门结构智能加载试验系统，其特征在于：所述作动器包括转动作动器和加载作动器，所述转动作动器、加载作动器分别与控制系统连接；
所述转动作动器一端设置于自反力框架上，另一端设置于人字闸门模型的闸门上，所述转动作动器用于调整人字闸门模型绕转轴按设定角速度定轴旋转；
所述加载作动器一端设置于自反力框架上，另一端设置于人字闸门模型的闸门上，所述加载作动器用于对人字闸门模型进行静力或循环疲劳加载。
6.如权利要求1所述的船闸闸门结构智能加载试验系统，其特征在于：所述控制系统包括转动通道、加载通道、数据采集模块、数据分析模块、输出模块；
所述转动通道用于确定闸门门叶的启闭速度和启闭角度；
所述加载通道在加载时选择静力加载或疲劳加载中闸门模型所受作用力的文件波，用于模拟作用在闸门门叶上的作用力；
所述数据采集模块包括应力应变采集单元、振动加速度采集单元；
所述数据采集模块用于采集闸门上产生的动态信号；并将动态信号输入到数据分析模块中进行分析处理，最后通过输出模块发送经过分析处理后的结果信号；所述动态信号包括闸门及支承运转件的应力应变信号、振动加速度信号；
所述应力应变采集单元包括应变传感器、动态信号采集仪；所述应变传感器设置于人字闸门模型的闸门及运转件上，用于采集闸门模型上产生的应力应变信号；并将应力应变信号传输到动态信号采集仪中进行储存；
所述振动加速度采集单元包括振动加速度传感器、动态信号采集仪；所述振动加速度传感器设置于人字闸门模型的闸门及运转件上，用于采集闸门模型上产生的振动加速度信号；并将振动加速度信号传输到动态信号采集仪中进行储存；
所述数据分析模块，用于对接收到的动态信号进行分析处理；本实施例中采用MATLAB等软件实现数据交互分析，对数据进行降噪、滤波等处理，然后在时域和频域分别进行分析。
所述输出模块，用于输出闸门及支承运转件运行状态动力响应。
7.船闸人字闸门结构智能加载试验方法，其特征在于：包括以下步骤：
构建船闸闸门结构智能加载试验系统，所述船闸闸门结构智能加载试验系统包括自反力框架、闸门模型、作动器和控制系统；
通过数学方式模拟船闸闸门结构受到的不同作用力，包括静水压力、水流脉动压力、船舶撞击力、频繁启闭作用等，将其转化为控制系统可识别的文件格式，从而控制作动器实现对闸门模型的加载；
运行控制软件，启动控制系统的转动通道和加载通道以控制转动作动器和加载作动器作用到闸门模型上，设定转动通道对应的启闭时间和启闭速度，选择加载通道对应的静态荷载和疲劳荷载，所述静态荷载和疲劳荷载以文件波的形式表示；
采集闸门模型受荷响应敏感区生成的动态信号并进行进一步分析处理。
8.如权利要求7所述的船闸人字闸门结构智能加载试验方法，其特征在于：所述文件波是指通过数学方式模拟不同的作用力波形，提取不同波形的时程数据，以文本格式输入控制系统的文件形式，从而控制作动器以对应的作用力加载到闸门模型上。
9.如权利要求7所述的船闸人字闸门结构智能加载试验方法，其特征在于：所述文件波包括水流脉动压力时程数据和船舶撞击力时程数据；所述时程数据是指闸门受到随时间变化作用力产生的一系列数据，可通过数学方式模拟不同的作用力波形，从而提取得到不同作用力的时程数据。
10.如权利要求7所述的船闸人字闸门结构智能加载试验方法，其特征在于：所述水流脉动压力时程数据选择水流脉动压力平稳高斯模型，按照以下公式进行：
式中：
是P(t)方差；
ωi是随机变量，其概率密度f(ω)；
的均匀分布随机变量；N为正整数；
Sp(ω)＝(-ω,ω)内定义的P(t)的功率谱密度；
i表示独立抽样次数，i＝1，2，3，···，N；
N为正整数；
t表示时间间隔；
ω表示随机变量；
pd(t)表示某点水流脉动压力。
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