水運(yùn)船閘工程頂升式跨閘橋故障診斷分析研究

耿紅磊，古文倩，張懷仁，方超群，史清坤

(1.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 鄭州 450044；2.黃河機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450006)

0 引言

某水運(yùn)船閘工程頂升式跨閘橋布置在船閘外閘首，采用4支柱塞式液壓油缸沿槽鋼軌道垂直頂升橋體，在控制房設(shè)置一套泵站控制4個(gè)油缸動(dòng)作?？玳l橋在升降過(guò)程中出現(xiàn)橋體振動(dòng)和液壓泵站噪聲超標(biāo)問(wèn)題，影響跨閘橋的安全運(yùn)行。為解決跨閘橋振動(dòng)和泵站噪聲超標(biāo)問(wèn)題，對(duì)跨閘橋的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)和復(fù)核研究，提出解決工程實(shí)際問(wèn)題的方案與建議，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

1 專項(xiàng)故障診斷檢測(cè)

針對(duì)跨閘橋升降過(guò)程中存在的振動(dòng)較大問(wèn)題，采用先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)跨閘橋進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)為故障診斷分析研究提供技術(shù)支撐[1]，主要檢測(cè)內(nèi)容包括以下幾方面。

1.1 跨閘橋振動(dòng)測(cè)試

(1)測(cè)試工況

為分析跨閘橋升降過(guò)程中振動(dòng)較大的原因，對(duì)系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試工況為：跨閘橋全行程升降，對(duì)整個(gè)升降過(guò)程中的振動(dòng)情況進(jìn)行測(cè)試。

(2)測(cè)試方法

跨閘橋振動(dòng)測(cè)試采用模態(tài)分析儀振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)分析頻率范圍設(shè)置為10～1000Hz。測(cè)點(diǎn)選擇在能代表跨閘橋整體運(yùn)動(dòng)的剛性較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)部件上，不得安裝在剛性差、局部振動(dòng)過(guò)大的部位，并按規(guī)定在每個(gè)安裝面均布置測(cè)點(diǎn)。每臺(tái)設(shè)備至少選擇4～8個(gè)測(cè)點(diǎn)，較大或重要的設(shè)備可適當(dāng)增加測(cè)點(diǎn)[6]，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置圖

(3)數(shù)據(jù)處理

跨閘橋振動(dòng)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，其中3#和5#測(cè)點(diǎn)的最大振動(dòng)加速度幅值較大，分別為13.3、20.3m/s2。3#測(cè)點(diǎn)位于上游側(cè)右側(cè)角位置，方向?yàn)樨Q直方向；5#測(cè)點(diǎn)位于上游側(cè)中間位置，方向?yàn)樨Q直方向。從測(cè)試結(jié)果可以看出，豎直方向振動(dòng)普遍大于水流方向振動(dòng)和橫向振動(dòng)；右岸3#測(cè)點(diǎn)和12#測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度幅值分別為13.3、8.4m/s2，大于左岸10#測(cè)點(diǎn)和9#測(cè)點(diǎn)的8.5、6.3m/s2；上游側(cè)中間位置5#測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)加速度為20.3m/s2，大于下游側(cè)中間位置8#測(cè)點(diǎn)的6.8m/s2。由振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果初步判斷振動(dòng)位置發(fā)生在右岸靠近上游側(cè)。

表1 跨閘橋振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

備注：順?biāo)鞣较騾^(qū)分左、右。

1.2 跨閘橋軌道安裝精度檢測(cè)

(1)測(cè)試工況

跨閘橋在啟、閉的運(yùn)行過(guò)程中，軌道與橋體側(cè)向支撐之間的運(yùn)行干涉也可能造成跨閘橋運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)，因此對(duì)跨閘橋的軌道的安裝精度進(jìn)行復(fù)測(cè)。安裝精度復(fù)測(cè)工況為：跨閘橋處于關(guān)閉狀態(tài)，橋體位于0m行程位置。

(2)測(cè)試方法

本次跨閘橋軌道安裝精度檢測(cè)采用徠卡TS30全站儀，測(cè)量精度為0.5"(0.15mgon)。測(cè)點(diǎn)布置為分別在軌道的1#～4#柱上距離地面高度0、1.5、3.0、4.0、5.0m的位置放置測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)。軌道的測(cè)點(diǎn)的空間位置如圖2所示。

圖2 跨閘橋軌道空間位置示意圖

(3)數(shù)據(jù)分析

軌道的水平距離檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由結(jié)果可以看出，1#、2#槽鋼軌道距離與3#、4#槽鋼軌道距離最大差值為12.7mm，位于離地高度5.0m測(cè)點(diǎn)位置；1#、3#槽鋼軌道距離與2#、4#槽鋼軌道距離最大差值為26.8mm，位于離地高度4.0m測(cè)點(diǎn)位置。軌道距離相對(duì)差較大，運(yùn)行過(guò)程會(huì)產(chǎn)生干涉或者間隙過(guò)大的情況，是跨閘橋運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)的影響因素之一。

表2 跨閘橋軌道水平距離檢測(cè)結(jié)果

1.3 跨閘橋體起升同步偏差檢測(cè)

(1)測(cè)試工況

跨閘橋體與液壓油缸之間為硬連接，油缸缸體已埋設(shè)在混凝土中，無(wú)法對(duì)油缸的安裝精度進(jìn)行復(fù)測(cè)，跨閘橋在啟、閉的運(yùn)行過(guò)程中，跨閘橋體和油缸的作用力與系統(tǒng)的啟閉力，組成一個(gè)動(dòng)力聯(lián)合作用的系統(tǒng)，最直接的反應(yīng)就是液壓油缸起升不同步。液壓油缸起升不同步也可能造成跨閘橋運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)的原因?？玳l橋體起升同步偏差工況為：跨閘橋全行程運(yùn)行，分別在0、2、3、4、5、6、7m處對(duì)橋體進(jìn)行同步偏差檢測(cè)。

(2)測(cè)試方法

跨閘橋體起升同步偏差測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，在跨閘橋橋體上放置A、B、C、D、E測(cè)點(diǎn)可反映橋體的同步偏差，其中A、B、E點(diǎn)分別靠近2#、1#、3#柱，在不同的起升高度位置測(cè)量各標(biāo)志點(diǎn)的位置偏差。

圖3 測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)位置示意圖

(3)數(shù)據(jù)分析

測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3，跨閘橋起升過(guò)程中實(shí)測(cè)最大同步偏差為18.8mm。由于跨閘橋體與活塞桿之間是剛性連接，起升過(guò)程中不同步會(huì)造成橋體的扭曲，從而產(chǎn)生振動(dòng)。

表3 跨閘橋體起升同步偏差檢測(cè)結(jié)果T 單位：mm

2 液壓系統(tǒng)復(fù)核

由于建設(shè)單位提供的跨閘橋液壓原理圖無(wú)電氣動(dòng)作表、液壓元器件的型號(hào)和廠家，因此按照現(xiàn)場(chǎng)收集的資料對(duì)液壓系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)和噪音可能性進(jìn)行初步分析和判斷。

根據(jù)跨閘橋液壓原理圖和現(xiàn)場(chǎng)查驗(yàn)，跨閘橋的液壓系統(tǒng)控制回路主要由以下幾部分組成：泵源回路(由比例變量油泵電機(jī)組和溢流閥等組成)、方向回路(3位4通電液比例換向閥)、差動(dòng)回路(2位2通電磁換向閥)、平衡回路(液壓缸、雙平衡閥塊等)。液壓系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)中要求4個(gè)液壓缸同步控制精度為2mm。

2.1 4缸同步控制問(wèn)題

(1)跨閘橋液壓系統(tǒng)采用比例泵或比例換向閥與液壓缸位移傳感器可組成閉環(huán)電液控制系統(tǒng)，但是由于在頂升跨閘橋時(shí)采用差動(dòng)回路，而且位于液壓缸進(jìn)油口附近，由于該油路的干擾，液壓系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

(2)由于4個(gè)液壓缸分別單獨(dú)采用雙平衡回路，由于平衡回路的特點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)4個(gè)液壓缸平衡閥的開(kāi)度同步，因此即便采用電液比例調(diào)速，也很難調(diào)整4缸同步[2]。

基于上述原因該液壓系統(tǒng)無(wú)法滿足技術(shù)指標(biāo)中關(guān)于4個(gè)液壓缸同步控制精度為2mm的要求。

2.2 液壓系統(tǒng)運(yùn)行振動(dòng)和噪音原因分析

跨閘橋液壓系統(tǒng)的平衡閥、液壓缸下腔及活塞組成一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，液壓缸有桿腔為一個(gè)負(fù)反饋環(huán)節(jié)。跨閘橋液壓系統(tǒng)輸入控制壓力后平衡閥開(kāi)啟，液壓缸活塞便開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，此時(shí)若活塞速度比設(shè)定速度大時(shí)，相當(dāng)于流出有桿腔的流量大于設(shè)定流量，有桿腔壓力下降，平衡閥控制壓力也隨之下降，反之控制壓力上升。若給平衡閥控制口施加一個(gè)較大壓力時(shí)，當(dāng)平衡閥通流面積增至穩(wěn)態(tài)值，此時(shí)閥芯受力平衡，但由于慣性閥芯仍繼續(xù)打開(kāi)，這時(shí)閥的通流面積超過(guò)穩(wěn)態(tài)值，液壓缸無(wú)桿腔的壓力已不能平衡負(fù)載，有桿腔壓力減小平衡閥控制壓力也隨之下降，平衡閥芯又趨于關(guān)小。因此平衡閥芯在重復(fù)著打開(kāi)、關(guān)閉振蕩動(dòng)作，活塞及活塞桿則在交替加速、減速，進(jìn)而引起爬行。若平衡閥輕微振蕩，活塞及活塞桿輕微爬行，趨于平穩(wěn)后，跨閘橋液壓系統(tǒng)平衡回路是穩(wěn)定的。若平衡閥持續(xù)振蕩，活塞及活塞桿則會(huì)嚴(yán)重爬行，則回路是非穩(wěn)定的。

由此可知跨閘橋液壓系統(tǒng)的控制油路的壓力值在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生改變，造成平衡閥的過(guò)流通道隨之改變，當(dāng)控制油路壓力變幅較大或有干擾時(shí)，平衡閥的閥芯及彈簧就會(huì)對(duì)閥座產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲[3]。

3 減振降噪建議

跨閘橋起升機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中存在的液壓泵站噪聲超標(biāo)和橋體振動(dòng)問(wèn)題，影響著跨閘橋的安全運(yùn)行。為解決跨閘橋起升機(jī)構(gòu)運(yùn)行出現(xiàn)的噪聲超標(biāo)和振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)跨閘橋進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)和分析，建議如下。

3.1 跨閘橋減振消缺建議

(1)由于跨閘橋的軌道的安裝精度誤差較大，建議跨閘橋增加水平支承軌道(垂直水流方向)，在框架結(jié)構(gòu)垂直水流方向內(nèi)側(cè)增加不銹鋼平面軌道，橋體水平支承裝置選用尼龍滾輪，滾輪與軌道之間使用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，滾輪軸配置潤(rùn)滑裝置；軌道安裝直線度等相關(guān)制造安裝技術(shù)要求建議參照GB/T 14173—2008《水利水電工程鋼閘門(mén)制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》執(zhí)行[5]。

(2)由于液壓系統(tǒng)油缸缸體已埋設(shè)在混凝土中，其安裝位置和精度(鉛錘度)無(wú)法進(jìn)行改造或調(diào)整，加之橋體熱脹冷縮影響，支鉸座板與橋體的連接方式易使活塞桿承受附加彎矩，導(dǎo)致活塞桿運(yùn)行不平穩(wěn)，因此建議解除支鉸約束使其處于相對(duì)自由活動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)活塞桿全行程運(yùn)行后支鉸座板的最大偏移量確定支鉸在水平方向上的自由活動(dòng)范圍及限位塊固定位置；此外，支鉸座板與限位塊在高程方向上也應(yīng)有一定間隙。支鉸座板及限位示意圖如圖4所示。

圖4 支鉸座板及限位示意圖

3.2 液壓系統(tǒng)減振與降噪建議

(1)跨閘橋體起升過(guò)程中實(shí)測(cè)最大同步偏差為18.8mm，且系統(tǒng)未報(bào)警停機(jī)，表明4個(gè)液壓缸未實(shí)現(xiàn)同步控制2mm的精度要求。建議根據(jù)橋的結(jié)構(gòu)變形允許值確定同步控制量及報(bào)警、停機(jī)值，優(yōu)化液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、停機(jī)保護(hù)功能。

(2)建議優(yōu)化液壓系統(tǒng)，以減少運(yùn)行噪音、降低振動(dòng)。具體建議為在平衡閥控制油路上增加節(jié)流措施減少壓力的波動(dòng)，保持控制油路壓力穩(wěn)定；或在液壓缸負(fù)載口附加節(jié)流措施減少壓力的波動(dòng)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)船閘頂升式跨閘橋體振動(dòng)和液壓泵站噪聲超標(biāo)問(wèn)題的故障診斷分析研究，找出跨閘橋現(xiàn)有的軌道安裝精度問(wèn)題和液壓系統(tǒng)同步問(wèn)題。提出采用解除支鉸固定約束、增加水平支撐軌道并加大滾輪與軌道間潤(rùn)滑以及優(yōu)化液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)的方式來(lái)改善跨閘橋振動(dòng)和液壓泵站噪聲超標(biāo)的問(wèn)題，保證設(shè)備安全平穩(wěn)運(yùn)行。為其他工程預(yù)防和處理此類故障提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。