基于不同启闭形式的水工钢闸门启闭力检测方法适应性探讨

蔡杰龙，张君禄，李伟康，廖文来，蔡灿旭，王梓鑫，谢淼峰

(1.广东省水利水电科学研究院， 广州 510635；2.广东省水利新材料与结构工程技术研究中心， 广州 510635；3.广东省水利重点科研基地， 广州 510635)

1 概述

水工钢闸门是水利工程中重要的泄水控流结构，是水利工程安全有效运行的重要保障[1-3]。水工钢闸门的安全检测与评价关系着整个水利工程的安全可靠运行，其中闸门启闭力是水工钢闸门安全评价的重要指标。水工钢闸门的启闭力检测方法因不同闸门的启闭形式而各不相同[4-7]。目前，启闭形式包括有螺杆式启闭、卷扬式启闭、液压式启闭和移动式启闭，根据SL 101—2014《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》中的规定，不同的启闭形式和现场条件，闸门启闭力检测选用不同的检测方法，包括直接检测法和间接检测法。直接检测法宜采用测力计或拉压传感器直接测量启闭力；间接检测法宜采用动态应力检测系统(即动态应力分析法)，通过测量吊杆(吊耳)、传动轴的应力换算得到启闭力。对于液压启闭机，宜通过测量液压缸的油压间接得到启闭力[1]。

在实际工程应用中，对于不同的启闭形式的水工钢闸门启闭力检测，采用的不同检测方法的科学性、适应性以及检测结果的可靠性大不相同。若检测方法选择错误或者不科学，甚至可能导致事倍功半、检测结果难以准确可靠的后果，严重地影响了水工钢闸门的安全检测与评价，从而影响了对整个水利工程安全有效运行的评价。因此，本文有必要对不同启闭形式下的水工钢闸门启闭力检测方法适应性进行探讨，分析各种不同方法的特点与局限性，并提出在不同启闭形式下的闸门启闭力检测的适用方法，为水利工程钢闸门安全检测与评价提供重要的参考依据。

2 试验内容与方法

2.1 钢闸门特性参数与启闭形式

本文基于某工程应用实例进行探讨研究，对象包括3种启闭形式下的水工钢闸门：卷扬启闭、移动启闭和液压启闭。

1) 卷扬启闭形式

平面定轮钢闸门，主要参数：平面定轮式，孔口尺寸为14.0 m×9.3 m(宽×高，下同)，单重为62.8 t。闸门属于露顶式闸门，设置在开敞式泄水孔口，闸门关闭孔口挡水时，门叶顶部高于挡水水位，门叶设置三边止水。

工作门采用QPQ2×630 kN固定卷扬式启闭机操作，设备型号QPQ，主要参数：额定启门力为2×630 kN，采用闸门自重闭门，扬程为16 m，起升速度为1.23 m/min，吊点距为9.72 m，卷筒直径为700 mm，钢丝绳型号为6W(19)-24.0-170-特-右交，电源为50 Hz、三相交流、380 V。

2) 移动启闭形式

滑动钢闸门，主要参数：平面滑动式，孔口尺寸为14.0 m×3.3 m，单重为12.2 t。闸门属于露顶式闸门，设置在开敞式泄水孔口，闸门关闭孔口挡水时，门叶顶部高于挡水水位，门叶设置三边止水。

检修门采用2×100 kN电动葫芦(MD1-10-18)启闭，主要参数：双吊点电动葫芦，额定启门力为2×100 kN，采用闸门自重闭门，静水启闭，扬程为18 m，吊点距为9.6 m，起升速度为7 m/0.7 min，行走速度为20 m/min，轨道长度为530 m，电源为三相交流 380 V、50 Hz。

3) 液压启闭形式

人字钢闸门，主要参数：孔口尺寸为14.0 m×10.995 m，自重为113.84 t(2扇)，静水启闭，上/下游最高通航水位为11.5 m/11.3 m，上/下游最低通航水位为8.5 m/2.7 m，最大操作水位差为0.15 m。

人字门液压启闭机主要参数：QRWY2×630/300 kN—3.0 m，额定启门力为630 kN，额定闭门力为300 kN，工作行程为2 810 mm，最大行程为3 000 mm，油缸内径为280 mm，液压杆内径为280 mm，活塞杆直径为 160 mm，启闭速度为初始、最后10°0.6 m/min，中间47.5°11.2 m/min，电动机(380 V、50 Hz、22 kW、1 465 r/min)2台。

2.2 试验方法

闸门启闭力检测根据启闭机的形式及现场条件可分为两种检测方法，分别为直接检测法和间接检测法。每次检测时，各测点的应力应变数据连续采集，同时记录闸门开度，以得到完整的启闭力变化过程线，确定最大启闭力。在每一个检测工况下，闸门启门力的检测重复进行3次。若各次检测数据相差较大时，找出原因，重新进行检测，只有当3次检测结果重复性较好时，方可作为检测结果。

为了确保闸门启闭力检测试验的顺利进行，检测前应确认的工作条件包括如下：① 门槽状况良好，槽内无异物卡阻；② 闸门整体能正常运行；③ 启闭机外观形态完好，能正常运转；④ 闸门的支承装置、支铰装置能正常工作；⑤ 启闭机吊具与闸门连接稳定可靠，钢丝绳在卷筒上固定牢靠，齿轮润滑良好，卷筒转动平稳，无异常声响，动作灵活；⑥ 双吊点的同步性良好，并满足规范要求；⑦ 启闭机的机械部件和连接装置处于正常状态，电机三相电流不平衡度满足规范要求，转速正常。

闸门启闭力的检测工况均是在接近设计工况下进行。

闸门启闭力包括启门力、闭门力和持住力3种，本文主要以采集的启门力数据进行分析，采集过程为从闸门零开度启门一直到全部露出水面后持住维持一段时间的过程启闭力数据采集，包括记录闸门启闭力的大小随闸门开度的变化规律，最终确定闸门在开启过程中的最大力，即为闸门启门力[8-15]。

闸门启闭力检测完成后，全面检查闸门的支承装置、止水装置、起吊装置及启闭机传动系统的零部件、机架、电气设备等，有无明显的异常现象和残余变形。

1) 动态应力分析法

动态应力分析法，即采用动态应力检测系统(INV3020C动态应力测量系统)，通过测量双吊点闸门吊耳的最大主应力(即将0°、45°和90°三轴应变片两片分别粘贴于吊轴正上方的吊耳内侧，如图1所示)，并根据吊点吊轴直径和钢板厚度计算得到受力面积(即吊轴与吊耳板的接触面积)，结合钢板弹性模量最终换算得到闸门的启闭力。应变片现场连接见图2，现场数据采集见图3，闸门整体结构见图4。

图1 应变片粘贴示意

图2 应变片现场连接示意

图3 现场数据采集示意

图4 闸门整体结构示意

2) 直接检测法

本方法主要采用拉压传感器直接测量闸门的启闭力，即主要通过NTJL-7 70T拉力传感器、线路调理盒、数字模块、485转232转接头和安装于电脑上的多路数据采集系统TG ONE软件进行数据采集。将拉压传感器(1#和2#传感器2只)一端与下游检修门两端的吊杆连接并固定，另一端与启闭机吊钩连接并固定，最终通过数据采集系统进行检测。现场检测装置见图5，传感器连接示意见图6，现场检测示意见图7，闸门整体结构见图8。

图5 现场检测装置示意

图6 传感器连接示意

图7 现场检测示意

图8 闸门整体结构示意

3) 液压缸油压测量法

人字门启闭力主要采用液压缸油压测量法，属于间接检测法，主要利用合适精度和量程的精密油压表安装于液压缸油压管上(见图9)，测读液压启闭机在启门和闭门全过程中有杆腔和无杆腔的油压，并通过液压缸和活塞杆直径与液压面积换算得到人字门的启闭力，现场液压缸示意见图10，人字门整体结构见图11，液压杆与人字门连接示意见图12。

图9 油压表安装示意

图10 液压缸示意

图11 人字门整体结构示意

图12 液压杆与人字门连接示意

3 结果分析与评价

3.1 动态应力分析法

本次利用动态应力分析法分别对卷扬启闭和移动启闭的水工钢闸门启门力进行检测。试验均共重复3次进行，具体结果见表1，最大主应力变化过程曲线见图13和图14。

图13 卷扬启闭形式下闸门最大主应力变化过程曲线示意

图14 移动启闭形式下闸门最大主应力变化过程曲线示意

表1 动态应力分析法检测启门力结果统计

根据试验结果计算可知，卷扬启闭的闸门3次试验实测的启门力分别为679.4 kN、677.6 kN和677.6 kN，移动启闭的闸门3次试验实测的启门力分别为135.7 kN、132.9 kN和134.0 kN，以上每次试验中闸门左右两吊点实测的力值均基本一致，说明两个吊点受力较为均匀，同时3次试验的结果重复性均较良好，结果保持一致。

根据以上检测结果分析可知，卷扬启闭和移动启闭所测的闸门启闭力3次试验值均与闸门自重基本保持一致，由此可推测通过动态应力分析法可真实可靠反映实际闸门的启闭力，且从现场的试验实际操作情况可知，该方法相比较于直接检测法对试验条件要求比较低，避免了钢闸门已连接的吊轴与吊耳部分难以拆卸并安装传感器的问题，操作方法和过程较为简便，而对于重量较大的钢闸门，拆卸与安装难度更大，直接检测法更难以完成操作。同时，以上启闭形式非利用液压启闭，更不适用油压测量法进行检测。由此可知，在其他方法难以有效操作的情况下，动态应力分析法具有更为良好的适应性和无可比拟的优势。

3.2 直接检测法

本次利用直接检测法对移动启闭的闸门启门力进行检测，试验共重复3次进行，检测结果见表2所示，启门力变化过程曲线见图15。

图15 直接检测法启门力变化过程曲线示意

表2 直接检测法检测闸门启门力结果统计

根据试验结果计算可知，实测的最大启门力分别为132.40 kN、131.16 kN和132.21 kN，每次试验中闸门左、右吊点实测的力值基本一致，说明左右吊点受力较为均匀，且3次试验的结果重复性良好，结果基本保持一致。

根据试验结果分析可知，直接检测法所测的闸门启闭力与闸门自重基本一致，即通过直接检测法可真实可靠地反映实际闸门的启闭力。但从现场实际操作情况上看，该方法操作过程相对较为繁琐，试验时必须利用笨重的拉压传感器对吊耳(或吊杆)进行连接，且闸门越重，需要的传感器量程则越大，而其精度也越小，同时传感器也越为笨重，操作越显困难与繁琐。因此，该方法难以适用重量较大的闸门(适用动态应力分析法，分析见3.1节中内容)，而相对于轻量的闸门则具有较好的适应性。根据本次试验实际情况，结合拉压传感器的特点，一般建议10 t以下的闸门考虑采用直接检测法进行启闭力检测。

3.3 液压缸油压测量法

本次利用精密压力表测量液压缸油压，然后通过有杆腔面积换算得到人字门启门力。试验共重复进行3次。检测结果见表3，启门力过程变化曲线见图16。

表3 人字门启闭力检测结果统计

图16 液压启闭下人字门启门力变化过程曲线示意

根据试验结果计算可知，实测的人字门最大启门力分别为397.5 kN、395.0 kN和389.6 kN。3次试验的结果重复性较好，基本保持一致，这说明了利用液压缸油压测量法检测液压启闭人字门启闭力具有良好的适应性。实际上，从现场试验条件看，液压启闭的人字门主要通过油压启闭闸门，动态应力分析法或直接检测法均难以测得该启闭型式下闸门的启闭力。

4 结语

1) 卷扬启闭形式下的水工钢闸门难以对吊耳与吊轴进行拆卸并重新安装测力装置，其启闭力适合采用动态应力分析法，该方法操作简便快捷，且重复性良好，试验结果准确可靠。

2) 移动启闭形式下的水工钢闸门适用方法包括动态应力分析法和直接检测法，当闸门自重较大时，优先采用动态应力分析法，当闸门重量较轻时(10 t以下)，因闸门较容易拆卸并安装测力装置，同时对测力装置技术要求较低，可采用直接检测法，该方法操作简便，且试验结果重复性和准确性良好。

3) 液压启闭的钢闸门因利用液压系统中的油压提供液压动力启闭闸门，因此适合通过测量液压缸的油压得到启闭力，同样该方法试验结果准确可靠。