一種弧形閘門啟閉機鋼絲繩拉力實時監測系統

孫 杰，王青華，章珈寧，白鈞劍，劉 晴，朱春鵬

（1.國網新源有限公司富春江水力發電廠，浙江 杭州 311504；2.上海安乃基能源科技有限公司，上海 201315）

0 引言

某水電站是20世紀60年代設計建造的一座低水頭河床式水電站，該電站設有17個溢流孔，每個溢流孔安裝有一個潛孔式弧形閘門，閘門采用卷揚式啟閉機進行操作。啟閉機在其卷筒軸承支座下安裝有監測鋼絲繩拉力的荷重儀，監測啟閉機鋼絲繩的載荷，一旦超標，立即報警。因此，為保證閘門在泄洪時正常啟閉，荷重儀的可靠性和準確性非常重要。

1 卷揚式啟閉機結構

該水電站泄流孔閘門采用的卷揚式啟閉機，結構如圖1所示，電動機通過變速箱和聯軸器分別驅動左右兩側的驅動軸，驅動軸通過聯軸器與左右兩側的小齒輪軸相連。小齒輪帶動大齒輪，進而帶動卷筒，卷起或放下鋼絲繩。啟閉機原有荷重儀安裝在卷筒軸承支座下，可以直接測量卷筒重量和鋼絲繩拉力的垂直方向的合力。因荷重儀傳感器安裝位置，導致其更換和校驗均比較困難，很難保證其準確測量鋼絲繩拉力。至目前為止，該電站所有的啟閉機荷重儀都難以準確監測鋼絲繩拉力。

圖1 啟閉機結構簡圖

2 傳統荷重儀測量鋼絲繩拉力的方法

閘門啟閉機鋼絲繩拉力監測方式目前采用的是傳統荷重式傳感器，簡稱荷重儀。荷重儀安裝在軸承座下方[1]，如圖2所示，若想拆卸荷重儀，必須把軸承座拆卸掉，荷重儀的檢修和更換極為不方便。荷重儀只能測量鋼絲繩的拉力在垂直方向的分量。在閘門升降過程中，鋼絲繩角度會一直發生變化，導致荷重儀測量值不能準確地反映鋼絲繩所受到的拉力。

圖2 啟閉機荷重儀安裝位置圖

荷重儀的常規標定方法是采用閘門自重作為標準重量對荷重儀進行標定。通常標定時，無法把閘門全部拉出水面。閘門受水流的浮力和沖擊力以及閘門與軌道摩檫力影響，鋼絲繩受到的拉力并不等于閘門自重。這種標定方法無法保證荷重儀的測量精度。

因此，傳統的荷重儀測量鋼絲繩拉力存在以上先天不足之缺陷，所測量到的數據只能大致估算鋼絲繩受力大小，一旦發生卡澀或受力偏斜，所監測到的數據就與鋼絲繩所受實際拉力大小相差甚遠，容易發生惡性事故。本文將以經典力學為基礎，設計和開發一套基于扭矩的新型間接測量系統，可穩定準確地對啟閉機鋼絲繩拉力進行實時監測。

3 扭矩傳感器測量鋼絲繩拉力的原理

該新型鋼絲繩拉力測量系統是基于經典理論力學原理開發的。在圖3所示的左右兩個驅動軸上分別安裝兩個扭矩傳感器，通過測量驅動軸扭矩大小，測量鋼絲繩拉力大小[2]。

圖3 扭矩測量裝置結構圖

卷筒直徑D0，大齒輪中徑D1，小齒輪中徑D2，驅動軸直徑D3。

當鋼絲繩拉力為F時，拉力F對卷筒產生的扭矩為

大齒輪與小齒輪的嚙合力

將式（1）代入式（2）

齒輪嚙合力作用在小齒輪的扭矩：

小齒輪的扭矩與驅動軸的扭矩相同,同為T1；

驅動軸為實心圓軸，截面模量為

驅動軸表面剪切力為

將式（4）和式（5）帶入式（6），可得：

由式（7）可得：

由式（8）可見，只要測量出驅動軸的表面剪切力，就可以直接計算出鋼絲繩的拉力。該原理只要保證鋼絲繩受力方向和驅動軸表面呈相切方向即可，毋須關注鋼絲繩受力方向是否完全豎直。

4 扭矩測量裝置

根據上述扭矩傳感器測量鋼絲繩拉力的原理，設計一套測量鋼絲繩拉力的裝置。在驅動軸上安裝扭矩傳感器和扭矩采集儀，并采用無線通信的方式，把扭矩測量結果發送至上位機。測量系統采用集電環供電的方式，可以實現鋼絲繩拉力的長期穩定在線監測。

扭矩傳感器安裝在驅動軸表面，方便拆卸和維護。扭矩傳感器的安裝對驅動軸無損傷。

扭矩傳感器和采集儀都可單獨拆卸進行校準。相對荷重儀只能使用閘門自重進行標定，測量準確度有了大幅提升。

從以上理論和設計原理上看，該新型監測方法可完全消除傳統監測法的先天缺陷，而且測量也非常準確。

根據以上設計思想和該電站閘門啟閉機轉軸結構及現場環境，開發了一套閘門啟閉機鋼絲繩拉力實時監測系統，該系統包括了扭矩傳感器、扭矩采集儀、供電模塊、自校準模塊、無線通信模塊和數據接收與顯示模塊，并將該系統安裝在該電站的第9號閘門啟閉機上。

5 實測效果

系統安裝完成后，進行了閘門開啟試驗。扭矩法測量鋼絲繩拉力裝置測試效果如圖4所示。圖中顯示了閘門反復開啟中，左右側鋼絲繩應力變化趨勢。在區域1內,為年度閘門首次開啟上升，可以看出閘門開啟初始階段左側鋼絲繩拉力大于右側拉力。左側拉力逐步下降，右側拉力逐步上升到一定程度后，開始逐步下降。區域2內為閘門下放過程。下降過程中，左右兩側拉力同時逐步上升。下放一小段后，進入第3階段。區域3為啟閉機剎車，閘門在中間位置保持時的鋼絲繩拉力，此階段兩側鋼絲繩拉力平穩，無變化。區域4為再次啟動開啟閘門上升后兩側鋼絲繩拉力?？梢钥闯鰞蓚壤ο燃眲∩仙欢魏?，緩慢下降。區域5為閘門下放過程。左側鋼絲繩拉力先逐步上升后逐步下降。右側鋼絲繩拉力則一直緩慢下降。直至閘門關閉，鋼絲繩拉力迅速降為零。

圖4 閘門啟閉機開啟試驗扭矩法測量鋼絲繩拉力趨勢圖

該電站閘門自身質量約為80 t，從圖4中可以看出，在閘門啟閉過程中，左右鋼絲繩拉力之和均小于80 t力。而該啟閉機的荷重儀測試結果顯示，在整個過程，左右兩側拉力和均大于80 t力。荷重儀測量結果與扭矩傳感器測量結果趨勢相同，但數值有明顯差異，且荷重儀測量結果明顯偏大。

在圖4所示的區域2和區域3的交點位置，此時閘門是下落轉停穩狀態，摩擦力在閘門停止前的方向與拉力同向。在閘門停穩前的一刻，摩檫力+鋼絲繩拉力=閘門自重-河水浮力。所以此時鋼絲繩拉力=閘門自重-河水浮力-摩檫力，明顯鋼絲繩拉力小于閘門自重。由此可判斷荷重儀測量的測量結果是錯誤的。

扭矩傳感器和采集儀均在校準期限內，測量數據可信；荷重儀由于是采用閘門單次試驗啟動過程中以閘門自重作為鋼絲繩受力進行標定，因此測量數據不是非?？尚?。在整個測量過程中，荷重儀可以反映鋼絲繩拉力變化趨勢，但測量誤差大，無法準確顯示鋼絲繩拉力。

6 總結

通過測量驅動軸扭矩的方式，測量鋼絲繩拉力。對比傳統荷重儀方法，可以直接測量鋼絲繩拉力，沒有閘門自重校驗帶來的影響，也沒有鋼絲繩受力方向不是豎直時產生的測量誤差。同時本方案，扭矩傳感器可以定期標定，且更換方便。更能確保測量系統的準確性和穩定性?；谂ぞ氐膶崟r監測系統，為閘門啟閉機鋼絲繩拉力實時監測提供了一個可以選擇的新方法。