船閘人字閘門合攏對(duì)位檢測(cè)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

龍瀟飛

（長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443000）

1 引言

隨著內(nèi)河航運(yùn)事業(yè)的迅猛發(fā)展，過閘船舶日益增多，為保障船閘安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，船閘運(yùn)行越來(lái)越多地運(yùn)用智能化手段對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與監(jiān)控。其中，船閘人字閘門關(guān)閉后，左右兩扇門體之間的門縫值與錯(cuò)位值決定著門體是否正常合攏，在閘室充泄水過程中，門縫過大會(huì)導(dǎo)致較大的錯(cuò)位值產(chǎn)生，而錯(cuò)位值過大會(huì)造成閘門受力不均，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)閘門結(jié)構(gòu)造成永久性損傷。

某高水頭單級(jí)船閘通過激光測(cè)距儀在線監(jiān)測(cè)閘門門縫的變化值以及錯(cuò)位值，完善人字門運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)漏洞。但由于激光測(cè)距儀安裝在某高水頭船閘人字門門頭，日常工作環(huán)境較為惡劣，長(zhǎng)期受到陽(yáng)光、溫度與雨水等環(huán)境因素影響，導(dǎo)致激光測(cè)距儀高頻率出現(xiàn)“死機(jī)”現(xiàn)象。激光測(cè)距儀“死機(jī)”后，船閘運(yùn)維人員無(wú)法讀取人字門的門縫與錯(cuò)位等數(shù)據(jù)，影響船閘關(guān)鍵參數(shù)在線監(jiān)測(cè)，這常常需要工作人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)備的調(diào)整來(lái)恢復(fù)讀值。為解決上述問題，本文針對(duì)現(xiàn)階段合攏對(duì)位檢測(cè)裝置中的激光測(cè)距部分進(jìn)行分析優(yōu)化。

2 設(shè)備現(xiàn)狀

某高水頭單級(jí)船閘在關(guān)終合攏情況下人字門合攏對(duì)位檢測(cè)裝置如圖1 所示。

圖1 人字門合攏對(duì)位檢測(cè)裝置

圖2 熱成像儀測(cè)量畫面

現(xiàn)階段人字門合攏對(duì)位檢測(cè)裝置的基本原理是：檢測(cè)門縫值時(shí)，激光測(cè)距儀水平安裝于一側(cè)閘門的支架上，通過檢測(cè)對(duì)側(cè)門體上的標(biāo)靶距離，根據(jù)關(guān)終門體測(cè)量出的距離值為零點(diǎn)計(jì)算得出實(shí)時(shí)門縫值；錯(cuò)位值通過垂直安裝的激光測(cè)距儀測(cè)量另一側(cè)門體上與水平面呈45°傾角安裝的標(biāo)靶，將高度變化值轉(zhuǎn)化為門體相對(duì)水平距離值。

現(xiàn)階段運(yùn)行過程中，擔(dān)任門縫與錯(cuò)位檢測(cè)的激光測(cè)距儀出現(xiàn)高頻率故障，同時(shí)與天氣、季節(jié)變化有關(guān)，在天氣晴朗的夏季中午及下午故障高發(fā)。據(jù)此推斷，造成激光測(cè)距儀故障的主要原因可能是環(huán)境光強(qiáng)度過高或者陽(yáng)光直射下產(chǎn)生的高溫所造成。為了明確裝置故障的原因，確定改進(jìn)方向，為此進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行論證。

實(shí)驗(yàn)采用了FLUCK 公司的熱成像儀對(duì)高溫天氣下的激光測(cè)距儀進(jìn)行測(cè)溫。在多次進(jìn)行溫度采集后發(fā)現(xiàn)激光測(cè)距儀夏季實(shí)際工作溫度在超過60℃任正常工作，由于傳感器工作溫度設(shè)計(jì)為-10℃～+60℃，傳感器在超過一定的工作溫度范圍內(nèi)仍然正常運(yùn)行，體現(xiàn)出了該型號(hào)激光測(cè)距儀的穩(wěn)定性，同時(shí)排除了溫度是造成儀器故障的主要原因。

對(duì)環(huán)境光強(qiáng)是否為誘發(fā)激光測(cè)距儀故障的原因進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，由于陽(yáng)光照射強(qiáng)度較難選定特定光照強(qiáng)度值，實(shí)驗(yàn)使用光強(qiáng)測(cè)定儀與人造光源照射選取特定光強(qiáng)，將其照射激光測(cè)距儀接收端5 秒，光強(qiáng)每上升5000Lux 進(jìn)行一次測(cè)量，直至設(shè)備出現(xiàn)故障。

表1 光照強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

再次對(duì)55000Lux 到60000Lux 每1000Lux 進(jìn)行光照實(shí)驗(yàn)。

表2 光照強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)（二）

從實(shí)驗(yàn)中可得出結(jié)論光強(qiáng)在56000Lux 及以上照射時(shí)，激光測(cè)距儀出現(xiàn)無(wú)法自行恢復(fù)的故障。結(jié)合溫度實(shí)驗(yàn)可以判斷出誘發(fā)激光測(cè)距儀故障的主要原因?yàn)榄h(huán)境光強(qiáng)度過高所造成。

故障原因確定之后，研究設(shè)計(jì)合適結(jié)構(gòu)形式的遮光裝置成為需要解決的關(guān)鍵問題。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于運(yùn)行于某大型高水頭單級(jí)船閘的激光測(cè)距儀工作環(huán)境惡劣，根據(jù)傳感器所處環(huán)境，設(shè)備需阻擋陽(yáng)光直射，同時(shí)具有一定防止雨水與隔熱的功能。傳感器與標(biāo)靶處于兩個(gè)移動(dòng)門體之上，同時(shí)遮擋裝置太大容易產(chǎn)生與閘室船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，因此設(shè)計(jì)裝置必須小巧不突出門體。考慮到檢測(cè)裝置安裝在室外工作，材料選用了不銹鋼，既美觀又確保檢測(cè)裝置工作穩(wěn)定耐腐蝕。

根據(jù)以上思路，我們?cè)O(shè)計(jì)優(yōu)化了新的合攏對(duì)位檢測(cè)裝置，如圖3 所示。

圖3 合攏對(duì)位檢測(cè)裝置（優(yōu)化后）

優(yōu)化后的裝置在門體正常調(diào)整合攏后校對(duì)，將測(cè)得門縫值與錯(cuò)位值設(shè)為零值。在正常的關(guān)門合攏流程中，門縫值為門縫測(cè)量值與校對(duì)值的差值，錯(cuò)位值還需減去門縫值。針對(duì)現(xiàn)階段的合攏對(duì)位檢測(cè)裝置運(yùn)行工況進(jìn)行分析，根據(jù)故障記錄統(tǒng)計(jì)，80%以上的故障發(fā)生在錯(cuò)位檢測(cè)傳感器上，而門縫檢測(cè)傳感器相對(duì)穩(wěn)定可靠，我們重點(diǎn)對(duì)錯(cuò)位傳感器安裝支架進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)階段的錯(cuò)位傳感器垂直安裝時(shí)易受到水面反射光與周圍門體結(jié)構(gòu)、水工建筑等的反射光，為此新設(shè)計(jì)的裝置將錯(cuò)位激光測(cè)距儀水平放置，標(biāo)靶設(shè)置為一個(gè)14.04°角度傾斜的反射板，在實(shí)現(xiàn)相同功能情況下減少雜光影響。

重新設(shè)計(jì)的激光測(cè)距儀安裝支架將傳感器內(nèi)置在相對(duì)封閉的腔體之中，實(shí)現(xiàn)隔絕雨水、陽(yáng)光直曬問題，沿傳感器的發(fā)射端與接收端設(shè)計(jì)相應(yīng)的遮光筒，減少接收端接收到的光線入射角，同時(shí)內(nèi)壁設(shè)置吸光材料，做到最大程度削減雜光對(duì)激光測(cè)距儀接收端的影響。

如圖4，新設(shè)計(jì)的激光測(cè)距儀支架與其蓋板之間通過橡膠條密封防止雨水進(jìn)入其中，蓋板通過螺紋固定。在裝置底部同時(shí)設(shè)計(jì)有走線槽、通風(fēng)板，若有雨水滲漏進(jìn)入可通過底部通風(fēng)板流出。傳感器安裝支架的前端設(shè)計(jì)有沿測(cè)距光的遮光通道，底部設(shè)計(jì)有一定斜率，使雨水無(wú)法進(jìn)入，設(shè)計(jì)遮光通道長(zhǎng)度為X，遮光通道高為Y，則可以根據(jù)設(shè)計(jì)值計(jì)算出，可照入陽(yáng)光最大夾角tanα=Y/X=0.5，通過計(jì)算陽(yáng)光夾角α ≈26°33′。

圖4 激光測(cè)距儀安裝支架

通過查詢資料，對(duì)比一年的陽(yáng)光入射角可以知道某大型高水頭船閘夏至8：00 至17：00 陽(yáng)光入射角大于α，在陽(yáng)光入射角最小且日光不夠強(qiáng)烈的冬至10：00至15：00 入射角大于α，設(shè)計(jì)理論計(jì)算滿足遮光要求。

4 設(shè)計(jì)原理誤差

人字門在關(guān)終位置附近運(yùn)行時(shí)，無(wú)論左門超前還是右門超前的“門縫與錯(cuò)位”變化狀況是對(duì)等的。也就是說(shuō)分析左門超前或者右門超前產(chǎn)生的檢測(cè)誤差是等價(jià)的。下面主要以一邊門超前進(jìn)行設(shè)計(jì)原理誤差進(jìn)行驗(yàn)算。

本文優(yōu)化結(jié)構(gòu)中的設(shè)計(jì)原理誤差是由于人字門在運(yùn)行時(shí)，門體運(yùn)行軌跡實(shí)際為一條弧線，在人字門運(yùn)行后，檢測(cè)傳感器激光與標(biāo)靶之間產(chǎn)生了一個(gè)角度變化，角度變化量將對(duì)測(cè)量值造成一定誤差，此設(shè)計(jì)誤差應(yīng)控制為2mm 以內(nèi)。

根據(jù)現(xiàn)階段的裝置設(shè)計(jì)與相關(guān)資料我們可知最大相對(duì)角度變化Δθ=0.58°，據(jù)此我們可以計(jì)算出門縫的最大誤差值。門縫錯(cuò)位檢測(cè)示意圖如圖5 所示。

圖5 門縫錯(cuò)位檢測(cè)原理誤差分析示意圖

ab——為門縫傳感器測(cè)距時(shí)激光應(yīng)該發(fā)射的方向

ac——為最大相對(duì)角度變化Δθ 時(shí)，門縫傳感器測(cè)距時(shí)激光實(shí)際發(fā)射的方向

af——為錯(cuò)位傳感器測(cè)距時(shí)激光應(yīng)該發(fā)射的方向

ad——為最大相對(duì)角度變化Δθ 時(shí)，錯(cuò)位傳感器測(cè)距時(shí)激光實(shí)際發(fā)射的方向

已知傳感器的最大測(cè)距值為300mm，當(dāng)Δθ ＝0.58°時(shí)，產(chǎn)生的測(cè)距誤差最大，設(shè)門縫與錯(cuò)位最大測(cè)距誤差分別為ΔS、ΔZ，ac ＝ad=300mm，錯(cuò)位標(biāo)靶與垂直夾角∠fde=14.04°。

則ΔS ＝ac-ab ＝300-300×cosΔθ=300-300×cos0.58°＝0.015mm

ΔZ=ad-af=ad-（ae-ef）=300-（300×cosΔθ-300×sinΔθ×tan14.04°）=0.774mm

因此，門縫檢測(cè)原理誤差≤0.015mm，錯(cuò)位檢測(cè)原理誤差≤0.774mm，錯(cuò)位檢測(cè)實(shí)際誤差為錯(cuò)位傳感器檢測(cè)原理誤差與門縫檢測(cè)原理誤差的綜合誤差。根據(jù)一般誤差的合成方法：已定系統(tǒng)誤差按代數(shù)和合成。原則上可以將ΔS+ΔZ=0.789mm 作為錯(cuò)位實(shí)際誤差，由于0.789mm ≤2mm，誤差值在允許設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，同時(shí)對(duì)檢測(cè)裝置門縫檢測(cè)精度的影響較小。

5 主要技術(shù)特點(diǎn)

該裝置優(yōu)化后主要有以下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）使用激光測(cè)距的方式，將門縫狀態(tài)數(shù)據(jù)化、實(shí)時(shí)化，采用非接觸的方式進(jìn)行測(cè)量，防止裝置互相碰撞，增加了裝置的可靠性。

（2）傳感器置于封閉腔體之類，隔絕了日曬雨淋，同時(shí)設(shè)計(jì)裝有遮光罩，防止陽(yáng)光直射，減少環(huán)境光的入射角度，增加了激光測(cè)距儀的工作壽命與工作可靠性。

（3）錯(cuò)位檢測(cè)標(biāo)靶按一定傾角安裝，將兩門體的相對(duì)距離變化通過計(jì)算轉(zhuǎn)化為相對(duì)水平變化。

6 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了現(xiàn)階段船閘合攏對(duì)位檢測(cè)的數(shù)據(jù)化方式，激光測(cè)距儀在船閘中的運(yùn)用，在對(duì)現(xiàn)有問題進(jìn)行分析研究后提出了一套問題解決方案。