[发明专利]一种大型人字闸门运行卡阻分析方法及装置

权利要求书

1.一种大型人字闸门运行卡阻分析方法，支撑大型人字闸门运行的主要部件包括顶枢、底枢和联门轴，大型人字闸门体积庞大、重量较重、结构较复杂，其启闭运行频繁，受自重、风压力、大淹没水深、涌浪、动水压力、启闭推拉力及机械摩擦力多场耦合作用，长期运行于低速重载的恶劣环境条件下，使得顶枢、底枢、联门轴这些运转部位的摩擦磨损严重导致门体振动异常并出现异响；

其特征在于：所述人字闸门运行卡阻分析方法，包括以下步骤：

步骤1：基于有限元分析方法进行多场载荷耦合作用下人字闸门有限元预应力模态分析，得到在运行过程中门体上不同部位最大振动点坐标及相应坐标点门体振动频率，构建其应力应变分布和振型的振动特征库；

步骤2：按照人字闸门运行卡阻检测传感器布置方案布设低频、高灵敏度的加速度传感器，实时监测采集多次人字闸门全程低速运行工况下振动信号；

步骤3：剔除启闭机启闭瞬间的干扰段信号，计算采集的几次数据的峰值，分析采集数据的整体趋势，利用基于峰度检验和小波包分解相结合的降噪方法进行噪声干扰信号的处理，剔除由于随机因素干扰而使峰值变化较大的振动信号；

步骤4：采用波形和时域参数分析法对信号进行总体分析，观察检测中各通道信号波形是否出现多次的冲击现象，以及时域峰值出现异常，初步确定闸门运行是否异常，以及哪些零部件存在异常；

步骤5：对存在运行异常的闸门的各单次运行振动信号进行进一步的波形和时域参数分析；

步骤6：继续进行下一次人字闸门运行完整过程振动信号监测采集，按以上同样的分析方法进行波形和时域参数分析，以实际监测数据特征对照基于有限元预应力模态理论分析的人字闸门运行过程振动特征库，识别故障程度，并将故障诊断信息反馈至检修处理模块，预测运动部件振动信号发展趋势，为停机检修提供依据；

所述步骤3中剔除随机因素干扰信号及噪声所采用的分析方法为基于峰度检验和小波阈值算法的小波包分解联合降噪方法，该方法将测试采集的原始信号进行峰度检验，确定脉冲噪音的影响区间，通过对区间内的信号进行小波分解且对其系数作阈值处理，对处理后的小波包系数进行重构，并利用处理后的分解系数进行小波逆变换得到降噪后的信号，排除干扰噪声；所述步骤4中波形分析法是通过观察比较信号波形的变化，判断设备运行状态和故障程度，主要是寻找信号中比较明显的规侓性波形特征，周期性冲击或剧烈冲击，如果呈现出重复性的异常，可初步判断设备的运行异常；

所述步骤4中时域参数分析法是根据信号时域参数的变化来进行诊断分析，包括峰值、均方根值、均值、方差和峭度；不同的时域参数对信号的敏感度不同，选择合适的特征参数，通过与正常状态下的参数进行对比分析，判断设备运行状态；

所述步骤1中，所述人字闸门有限元预应力模态分析包括以下具体步骤：

步骤1.1：建立大型人字闸门三维实体模型；

步骤1.2：通过程序接口将所建立的三维实体模型导入有限元分析软件，生成几何模型；

步骤1.3：通过自动识别建立相邻零件的接触关系，采用自适应网格划分技术进行网格划分，建立有限元分析模型；

步骤1.4：根据人字闸门由顶枢和底枢将门体悬挂，启闭推杆推动门体绕门轴中心线旋转的运行特点及其运行时实际受力情况，对门体施加载荷和边界约束条件；

在启闭运行工况条件下，人字闸门主要受到门重、启闭推杆推拉力、顶底枢的支反力和摩擦转矩、风载荷、涌浪载荷、动水阻力多物理场耦合作用；

①人字闸门的惯性阻力矩是闸门在开始运行或变速运行时，需要克服其质量变速运行时产生的惯性力矩；

M_i＝J_Z·ω＝1/3mb²ω

式中，M_i是人字闸门的惯性阻力矩，m和b分别是闸门质量和宽度，人字闸门在绕门轴转动时角加速度为ω，转动惯量为J_Z，在闸门匀速运行情况下，角加速度ω＝0，则有M_i＝0；

②风阻力矩，根据《水工钢结构设计》计算作用于人字闸门的风压力P_v＝p·cosα·h₁·b M_v＝1/2p·h₁·b²·sinα

式中，M_v是人字闸门所受涌浪阻力矩，p为风载荷，α是门体开度，h₁是水面距门体顶枢轴颈的距离，即为门体高程与淹没水深的差值；

③涌浪阻力矩，涌浪压力的大小取决于波高及波长，在涌浪冲刷闸门面板时，当波峰接触面板时作用力最大，此时M_w＝1/2p₁·h₂·b²

式中，p₁是涌浪作用于面板的变载荷；h₂为涌浪的高度；

④动水阻力矩，人字闸门虽然是在上下游水位齐平的静水中启闭的，但是由于门叶在水中转动使门前产生雍水，雍水高度Δh＝1.2V_m²，其中V_m是门叶端点的平均切向线速度，单位为m/s；由人字闸门上下游的水位差而产生的动水压力呈梯形分布作用于门叶前后两面平面受力，动水阻力矩等于单位宽度总的动水压力与宽度的乘积，即总的动水阻力矩为：M_h＝1/2P₂·b²，其中作用于面板的平均动水压力P₂＝ρg(Δh-1/2Δh²/h₃)，式中，水位差为Δh，动水阻力面淹没水深为h₃，水的密度为ρ，g为重力加速度；

⑤机械摩擦力矩，人字闸门在运转过程中受到的机械摩擦力矩由主要的运转部件——连门轴、顶枢轴和底枢蘑菇头产生，连门轴的摩擦力矩是由启闭机推杆的推拉力产生的，顶枢轴和底枢蘑菇头的摩擦力由门体的重力产生；人字闸门在匀速启闭过程中，门体主要承受重力G、启闭机推拉力F_t、风压力P_v、动水压力P_h、顶底枢的支反力；其中顶枢支反力D_x和D_y，底枢支反力R_x、R_y和R_z均为未知量，而启闭推拉力F_t和风压力P_v随门体的开度α的变化而变化；

根据力和力矩的平衡条件，建立平衡方程：

将已知G、P_v、P_h等参数代入上式，并求解联立方程组，即可求得启闭推拉力Ft，顶枢支反力D_x、D_y及底枢支反力R_x、R_y、R_z；

顶枢轴受到轴颈与轴套之间摩擦产生的阻力矩m₂的作用，底枢受到蘑菇头与青铜衬套之间摩擦力所引起的阻力矩m₃的作用，则有：m₂＝1/2fDd_D，m₃＝fRk

式中：P_t是人字闸门所受的启闭推拉力，h₃是人字闸门面板动水作用时淹没水深，h₄是人字闸门所受风压力受力点与人字闸门面板最底部的距离，h₅是人字闸门启闭推拉力作用点与门轴之间的距离，f是摩擦系数，考虑磨损的影响，常取偏大值0.5，D是作用于顶枢轴的反力，d_D是顶枢轴轴颈直径，R为作用于底枢蘑菇头的反力，κ是摩擦半径，κ＝2/3r，r为底枢蘑菇头球面半径；

步骤1.5：进行有限元结构静力学仿真分析和有限元预应力模态仿真分析，并在模态分析初始条件设置中指明结构预应力值来自前期结构静力学仿真分析结果，得到船闸人字闸门前10阶固有频率和最大变形量及其分布；

步骤1.6：根据模态分析结果，人字闸门门体自振频率主要集中在低频振动部分，建立人字闸门振动特征库。