弧形閘門狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術研究

郝楠楠 韓 剛 滕 楷

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省發(fā)展規(guī)劃研究院，浙江 杭州 310012)

弧形閘門是水利水電工程的關鍵設備之一,它綜合集成了機械、電氣、液壓，是一套復雜綜合機電系統(tǒng)。它的安全穩(wěn)定運行對水利水電工程主體作用的發(fā)揮和下游人民的生命財產安全至關重要?；⌒伍l門大多長期處于擋水工況中，該系統(tǒng)具有結構復雜、故障監(jiān)測難度大、故障特征信號較難處理、故障診斷難等特點，單一系統(tǒng)或關鍵部件的故障都會對系統(tǒng)整體產生較大影響[1]。為了減少和避免突發(fā)事故造成的安全隱患，需要對弧形閘門整體進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷，及時有效識別關鍵部件的故障特征信號，分析其演化過程，制定維修策略，實現由“事后維修”到“全壽命周期監(jiān)測”的轉變。因此，建立一套弧形閘門實時在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，對閘門安全運行和功能的發(fā)揮具有重要意義[2]。

本文首先研究弧形閘門的系統(tǒng)組成，提出一套弧形閘門實時在線監(jiān)測系統(tǒng)方案，在此基礎上，詳細介紹了故障診斷技術在整個系統(tǒng)中的應用。

1 弧形閘門的系統(tǒng)組成

1.1 弧形閘門關鍵部件

弧形閘門系統(tǒng)由閘門門體、預埋支撐構件及液壓啟閉設備構成。弧形閘門具有啟閉省力、運行可靠、維護方便、閘墩的厚度較小、水力動力學條件較好等特點，廣泛應用于各種類型的水利水電工程中。閘門本體由轉動門葉、弧門支臂、支鉸中心和阻水封裝等部分組成，并配套建設相應的檢修平臺。預埋構件包括側軌、底檻、頂楣和固定支鉸座承重部分，一般均埋入混凝土內，起到配合止水和承力作用。啟閉設備主要為液壓啟閉機，是閘門啟閉的控制中樞，適應不同工況運行?；⌒伍l門的系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 弧形閘門的系統(tǒng)組成

1.2 弧形閘門液壓啟閉機

液壓啟閉機為弧形閘門啟閉的動力裝置和控制裝置，主要由液壓泵、液壓閥、液壓缸、油箱和附件等關鍵部件構成(見圖2)。

圖2 液壓啟閉機系統(tǒng)組成

液壓啟閉機的主要工作原理：通過控制電機作用于液壓泵，進而產生液壓能，形成“電—機—液”的動力傳遞。在液壓系統(tǒng)的控制下，液壓缸內的活塞體內壁做軸向往復運動，從而帶動連接在活塞上的連桿和閘門做直線運動，以達到閘門開啟和關閉，具有轉動靈活、行程準確、工作平穩(wěn)、能有效吸收外負載力等優(yōu)點，可實現液壓流量控制、無級調速等功能。

液壓啟閉機的調節(jié)控制裝置是液壓控制閥組，主要包括節(jié)流閥、換向閥、限壓閥和溢流閥等元件。通過對液壓油的流量、方向和壓力等進行調節(jié)，實現對液壓系統(tǒng)的各種功能。液壓啟閉機的控制閥大多為標準元件，而且大部分采用插裝技術。插裝閥組具有機構緊湊、密封度好、綜合集成度較高、噪聲低等特點。但液壓閥組的故障監(jiān)測、運行維修和故障元件更換較為困難[4]。

2 弧形閘門在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)構成

弧形閘門正常運行過程中，閘門的門體、主梁、邊梁、支臂等部位都將承受一定的應力。由于長期處于擋水工況，弧形閘門的支臂會受到水流的動力沖擊，產生流激振動；通過監(jiān)測閘門的運行姿態(tài)，可以實時觀測其具體運行情況，并及時作出調整。對支鉸軸的實時運行扭矩進行監(jiān)測，并對其運行狀態(tài)進行安全評估，從而實現弧形閘門的安全可靠運行。建立液壓啟閉機綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實現對其壓力、液位、流量、溫度、油缸開度儀參數等進行監(jiān)測。同時，對系統(tǒng)壓力高低報警、油箱溫度高低報警、油缸各腔室壓力高低報警、濾油器堵塞報警和限位開關等反饋信號進行數字化處理，對整個設備運行狀態(tài)進行數字孿生映射，從而實現控制設備的安全穩(wěn)定運行。

弧形閘門實時在線監(jiān)測包括靜應力實時在線監(jiān)測、動應力實時在線監(jiān)測、振動響應實時在線監(jiān)測、運行姿態(tài)實時在線監(jiān)測、支鉸軸承扭矩狀態(tài)在線監(jiān)測、液壓啟閉機綜合狀態(tài)在線監(jiān)測。

2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

弧形閘門實時在線監(jiān)測系統(tǒng)應該能夠對其主要結構部件的靜應力、動應力、振動響應、運行姿態(tài)、支鉸軸承扭矩和摩擦信號、液壓啟閉機綜合運行狀態(tài)等進行實時數據采集、數據傳輸、數據預處理和簡單分析。在此基礎上，提出響應的運行維護策略，確保閘門的安全可靠運行。監(jiān)測系統(tǒng)方案見表1。

表1 弧形閘門在線監(jiān)測系統(tǒng)方案

3 故障診斷技術在弧形閘門運行中的應用

基于弧形閘門在線監(jiān)測系統(tǒng)方案，可以實現對其運行狀態(tài)進行全壽命周期管理，及時掌握其運行潛在故障，并做出相應的維護方案。整套在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的信號分為模擬量和開關量，通過建立特征信號與故障類型的映射關系，實現對關鍵部件的故障診斷。

3.1 應力監(jiān)測診斷

在閘門不同工況運行過程中，閘門面板、主梁、支臂等關鍵部件都會承受一定的應力作用。通過設定應力的閾值范圍，實現對構件的應力變化和結構強度的有效監(jiān)測。

3.2 流激振動監(jiān)測診斷

通過對弧形閘門支臂的流激振動信號進行時域和頻域分析，設定閾值邊界，以此評定閘門啟閉過程的流激振動安全性。

3.3 運行姿態(tài)監(jiān)測診斷

監(jiān)測閘門運行傾角的變化，可以實時判斷運行姿態(tài)，及時采取有效應對措施。

3.4 支鉸軸監(jiān)測診斷

支鉸軸的安全狀態(tài)對閘門安全可靠運行至關重要，對支鉸軸的運行扭矩進行實時監(jiān)測，分析支鉸軸的摩擦信號，進行特征提取，建立相關模型，評估其潛在風險，為弧形閘門的正常運作提供保障。

3.5 液壓啟閉機綜合監(jiān)測診斷

通過對其壓力、液位、流量、溫度、油缸開度儀參數等進行監(jiān)測，同時對系統(tǒng)壓力高低報警、油箱溫度高低報警、油缸各腔室壓力高低報警、濾油器堵塞報警和限位開關等反饋信號進行數字化處理，對整個設備運行狀態(tài)進行數字孿生映射，實現液壓啟閉機綜合監(jiān)測診斷。

弧形閘門在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)(見圖3)具有以下功能：在線監(jiān)測關鍵部件的應力和振動及運行姿態(tài)等狀態(tài)信息；閾值報警參數設置功能；溫度和振動等關鍵信號參數趨勢分析；故障錄波功能以便于故障分析；運行狀態(tài)實時數據顯示和數字孿生三維映射顯示功能；液壓啟閉機溫度與壓力融合監(jiān)測診斷功能；人工智能故障診斷功能；振動時域信號分析功能；頻譜信號分析功能；信號突變點分析功能；報表生成與打??；網絡通信傳輸功能。

圖3 弧形閘門在線監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

4 結 語

對弧形閘門系統(tǒng)整體進行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷至關重要。本文在詳細介紹弧形閘門的結構組成基礎上，分析了關鍵部件的監(jiān)測方法，提出了一套弧形閘門實時在線監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，可實現弧形閘門實時遠程化監(jiān)測及全壽命周期管理，減少人力成本與誤判，提高閘門科學管理水平，為弧形閘門的安全穩(wěn)定運行提供可靠的保障。