CN110095269A - 双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，包括连杆，连杆的两端分别设有一滑轮，两滑轮分别与连杆传动连接，连杆上还设有测应力传感器，测应力传感器根据连杆变形度检测连杆所受轴向拉力；用于提升闸门的绳索的两端分别绕过两滑轮，以滑轮为支点发生挠曲变形；监测装置还包括能够测算绳索挠曲变形角的角度测量装置，根据绳索挠曲变形角及连杆所受轴向拉力计算闸门启闭力。本发明装置结构简便、实用性强，呼应现代化水利发展的要求，对传统钢闸门的实用性、高效性进行完善和提高，从而实现水工钢闸门启闭力监测数据的多维数字化，为水工钢闸门的安全运行提供有效的保障。

Description

双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置

技术领域

本发明涉及水利设备技术领域，具体涉及一种双联动索双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置。

背景技术

水工钢闸门是水利水电工程日常运行的重要组成部分，担负着调水、防洪排涝、引水发电等任务，也是实现安全度汛、合理分配水资源等重要的设备，水工钢闸门的运行性状直接关系着整个水利***的安全。全国的水工钢闸门运行性态主要依靠定期检查与专家评估确定，对于运行管理人员缺乏必要的技术支撑方法。启闭力的性状是水工钢闸门安全运行的关键因素，能有效提供启闭力的实时数据，准确侦知钢闸门的运行状况，对现代化水利设备创新的目标具有重要的意义。

目前水工钢闸门启闭力的检测，主要采用机械称重的方法进行，将启闭力检测相关仪器直接安装在启闭机的卷筒轴开展。受荷载集中等因素的影响，这类测试方法不能达到精确、及时的检测，因此不能满足现代化水利发展的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷或缺陷之一。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，包括连杆，所述连杆的两端分别设有一滑轮，两滑轮分别与连杆传动连接，所述连杆上还设有测应力传感器，测应力传感器根据连杆变形度检测连杆所受轴向拉力；用于提升闸门的绳索的两端分别绕过两滑轮，以滑轮为支点发生挠曲变形；所述监测装置还包括能够测算绳索挠曲变形角的角度测量装置，根据绳索挠曲变形角及连杆所受轴向拉力计算闸门启闭力。

连杆的两端通过螺纹连接有螺母，所述滑轮通过螺母与所述连杆传动连接；闸门启闭力相同的情况下，旋转螺母调节两滑轮的距离能够改变连杆的变形度，从而改变测应力传感器的测量精度。

本发明的优点在于：

本发明的优点在于：本发明装置结构简便、实用性强，呼应现代化水利发展的要求，对传统钢闸门的实用性、高效性进行完善和提高，从而实现水工钢闸门启闭力监测数据的多维数字化，为水工钢闸门的安全运行提供有效的保障。

附图说明

图1为本发明具体实施方式启闭力监测的整体结构示意图；

图2为本发明具体实施方式算法的示意图；

图3为本发明具体实施方式惠斯通电桥框图及测载应变片的布设方式图；

图4为本发明具体实施方式调节螺杆的测力结构示意图；

图5为本发明具体实施方式三力交汇测力模型计算简图。

其中：1、联动测载装置；2、调节螺杆；3、角度测量装置；4、启闭机；5、固定建筑物；6、绳索；201、螺纹；202、螺母；203、应变变送模块；301、摆杆；302、摆杆滑轮；303、角度传感器；401、转轴；402、固定壳体；2011-测载应变片。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1至图5所示，双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，包括连杆，连杆的两端分别设有一滑轮，两滑轮分别与连杆传动连接，连杆上还设有测应力传感器，测应力传感器根据连杆变形度检测连杆所受轴向拉力；用于提升闸门的绳索6的两端分别绕过两滑轮，以滑轮为支点发生挠曲变形；监测装置还包括能够测算绳索挠曲变形角的角度测量装置3，根据绳索6挠曲变形角及连杆所受轴向拉力计算闸门启闭力。本发明装置结构简便、实用性强，呼应现代化水利发展的要求，对传统钢闸门的实用性、高效性进行完善和提高，从而实现水工钢闸门启闭力监测数据的多维数字化，为水工钢闸门的安全运行提供有效的保障。

具体的，启闭力监测装置包括联动测载装置1，联动测载装置1包括连杆即调节螺杆2，调节螺杆2为细牙螺杆，调节螺杆2的中间段为非螺纹段，两端螺纹段上的螺纹201上均连接有螺母202，转动两端的螺母202，使两端的螺母202在螺纹201上移动。两端的螺母202上都连接有一滑轮，即摆杆滑轮302。摆杆滑轮302上连接有绳索6，绳索6的一端固定在顶部的固定建筑物5上，另一端固定在启闭机4上，启闭机4包括转轴401和固定壳体402，转轴401转动连接在固定壳体402之间，固定壳体402上固定有用于驱动转轴旋转的电机，电机转动带动转轴401转动，绳索6连接在转轴401上。为了避免集中载荷，影响本装置的正常运动，联动测载装置1距离固定建筑物5和/或转轴401之间的距离至少为0.25米。绳索6的底端还连接有闸门，具体的，为了减少绳索6的摩擦力，闸门上设有滑轮。由于闸门的重量较大，所以绳索选用钢丝绳索，一般情况下闸门选用水工钢闸门。启动启闭机，对绳索6进行卷绕或放松以此来提升或降落水工钢闸门。

调节螺杆2的中间非螺纹段设有测应力传感器，测应力传感器包括测载应变片2011，测载应变片2011粘贴在调节螺杆2上，具体的，测载应变片2011有四片，四片测载应变片2011连接形成惠斯通电桥电路。根据惠斯通电桥电路输出的电压计算调节螺杆2所受轴向拉力。绳索6给调节螺杆2两端的摆杆滑轮302向外的力，和摆杆滑轮302相连接的螺母202拉动调节螺杆2，调节螺杆2会因拉力的作用下伸长。测载应变片2011将调节螺杆2的应变量转换成电阻变化量，通过测载应变片2011和连接电路组成的应变变送模块203，对调节螺杆2的轴向拉力进行计算。

角度测量3装置根据角度传感器303检测的角度测算绳索6挠曲变形角。角度测量装置3包括摆杆301、摆杆滑轮302和角度传感器303。螺母202和摆杆滑轮302之间对称设有两个摆杆301，摆杆301以调节螺杆2的轴线对称分布，摆杆301的一端和螺母202一体成型的固定块相铰接，另一端和摆杆滑轮302滑动连接。铰接形式可以为合页、球绞或铰链铰接等。角度传感器303连接在两根摆杆301之间，角度传感器303测量两根摆杆301之间的角度，进一步计算绳索6的挠曲变形角。通过绳索6的挠曲变形角和调节螺杆2上的拉力计算闸门的启闭力，具体计算包括以下过程。

一、计算调节螺杆2的拉力

1.1测载应变片2011的电阻

测载应变片2011是一种能将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件。设金属电阻丝，其材料的电阻率为ρ，原始长度为L，设其横截面是直径为D的圆形，横截面积为A，初始时其电阻值R为：

在外力作用下，电阻丝发生变形，设电阻丝沿轴向伸长，其横向尺寸会相应缩小，横截面的半径减少导致横截面面积发生变化。导线的横截面原面积为A＝πD²/4，其相对变化为dA/A＝2dD/D＝-2μ^dL/L。其中u为金属丝材料的泊松比；应变ε＝dL/L，为金属导线长度的相对变化：

在电阻丝伸长所产生的电阻值变化dR/R的值可表示为：

式中：前一项是由金属丝变形后电阻率发生变化所引起的；后一项是由金属丝变形后几何尺寸发生变化所引起的。可以知道，金属材料在一定的应变范围内，电阻丝的相对电阻变化与丝的轴向长度的相对变化成正比。当敏感栅电阻应变计被即测载应变片2011粘贴到调节螺杆2表面后，调节螺杆2受力而变形时，可以通过测试电阻变化表征构件的应变。电阻丝的相对电阻变化与丝的轴向长度的相对变化的关系为：

式中：Ks为单根金属丝的灵敏系数，与导线材料的成分、加工过程和热处理状态有关，而与受力状态(即拉伸或压缩)无关。

1.2惠斯通电桥测量原理

测载应变片2011一般采用惠斯通电桥进行电路测量。惠斯通电桥测载将应变片2011应变产生的电阻转换为差分电压，+Exc和-Exc为终端加载激励电压，+V_OUT和-V_OUT为终端与应变成正比的差分电压,下式给出了输出电压Vo，它是激励电压和电桥所有电阻的函数。当Vo+和Vo-等于Ve的1/2时，电桥输出对电阻的改变非常敏感，这是惠斯通电桥进行应变测量的基本原理。

式中：V_e为电桥激励电压，其值为(++Exc)-(-Exc)；R1～R4为电桥电阻。

对于半桥惠斯通电桥电路中，四个电桥电阻中同一侧(R1和R2，或R3和R4)两个电阻有阻值变化特增量，且相反(dR和-dR)，另两片为补偿电阻。这种情况常见于采用半桥两个应变计检测，另两个电阻仅提供中位电压，作为补偿片出现。它的输出电压为：

输出电压(Vo)与电阻相对变化量(dR/R)仍呈线性关系，其灵敏度是四电阻变化增量电桥的一半。

1.3测力工况调节螺杆拉力的计算

调节螺杆2受到轴向外力作用时，在轴向方向将伸长或缩短，同时横向尺寸将缩小或增大，即同时发生轴向变形和横向变形。当调节螺杆2发生弹性形变时，调节螺杆2的轴向变形△L与拉力F、杆长L成正比，与杆的横截面积成反比。

式中：F_N为调节螺杆所受的轴向拉力；E为材料的弹性模量，其值表征材料的抵抗弹性变形的能力，工程上的大部分材料在拉伸和压缩时的E值可以认为是相同的。式中的就是轴向应变。它是相对变形，表示轴向变形的程度。

因此调节螺杆2所受拉力大小为：

二、挠曲变形角β的监测

2.1构建方程组，求解挠曲变形角度。

为了计算钢丝绳索挠曲变形角度，构建了一种高次多元方程组，在闸门运行过程中，根据双联测载滑轮相对运行的运动轨迹，在运行的轨迹曲线上进行多点插值拟合速算列解，拟合完成速算求解，快速侦知绳索6受载后的挠曲变形角度β。

两摆杆301产生的角度使用角度电子传感器获得，根据已知两摆杆301之间产生的角度，采用高次多元方程拟合插值的方法，基于插值进行快速的递算。

高次多点插值计算如公式(2-1)、(2-2)所示，

挠曲变形角度以及角度的示意计算如图2所示。

2.2挠曲变形角的求解

根据三力定芯测载模型计算启闭力时，需要已知绳索6的挠曲变形角度。当调节螺杆2在特制合金六角螺母内旋转改变行程时，两摆杆滑轮302之间的距离以及绳索6的弯曲程度也发生变化。两摆杆301与调节螺杆2之间的角度也会发生变化，通过角度电子传感器检测的两摆杆301与调节螺杆之间2的角度，再结合构建的方程组就可以侦知钢丝绳的挠曲变形角度β。

(1)连杆机构之间的几何关系

式中：X为摆杆滑轮与绳索的交点到摆杆滑轮两边弯曲的绳索的延长线的交点之间的距离；L为摆杆的长度；r为螺杆的半径；R为摆杆滑轮的半径；θ为两摆杆延长线相交后两摆杆之间所夹的角度；β为绳索弯曲的角度；S为夹持测力滑轮中心到两连杆铰链连线的距离。

(2)绳索弯曲角度与角度传感器所测的角度之间的关系

式中的字母所代表的量同上式。

由上述方程的几何关系可以得到β和θ之间的关系，故可以由角度测量传感器303测量的角度结合上述方程组，可以侦知绳索6的挠曲变形角度。

2.3挠曲变形角β的参考取值范围

本发明装置，依据闸门的不同重量挠曲变形角β的参考取值范围不同，根据钢闸门的重量，进行对启闭力的计算。

三、调节螺杆

3.1调节螺杆的细牙螺纹选取

基于我国便于制造、便于维护的原则，预调节螺杆的细牙螺纹采用M10—M200。根据公式(3-1)所得，

式中：σ按照235MPa选材；

d—按受力荷载的确定。

3.2测力工况预调节螺杆的敏感度

本发明装置的调节螺杆2为敏感度测量装置，主要为测角度和测拉力，提供便捷的辅助功效。

四、三力定测载模型，启闭力T的计算

若物体在三个非平衡力同时作用下处于平衡状态，这三个力必定共面共点(三力定芯原理)，合力为零，称为三个共点力的平衡，其中任意两个力的合力必定与第三个力大小相等，方向相反作用在同一条直线上。当绳索6被摆杆滑轮302拉拽变形时，绳索6两端的拉力和摆杆滑轮302的拉拽力处于一个平衡状态，故满足三力平衡的计算法则。

绳索的拉力T即启闭力的计算公式为：

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (7)

1.双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，包括连杆，所述连杆的两端分别设有一滑轮，两滑轮分别与连杆传动连接，所述连杆上还设有测应力传感器，测应力传感器根据连杆变形度检测连杆所受轴向拉力；

用于提升闸门的绳索的两端分别绕过两滑轮，以滑轮为支点发生挠曲变形；所述监测装置还包括能够测算绳索挠曲变形角的角度测量装置，根据绳索挠曲变形角及连杆所受轴向拉力计算闸门启闭力。

2.根据权利要求1所述的双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述连杆的两端通过螺纹连接有螺母，所述滑轮通过螺母与所述连杆传动连接；

闸门启闭力相同的情况下，旋转螺母调节两滑轮的距离能够改变连杆的变形度，从而改变测应力传感器的测量精度。

3.根据权利要求2所述的双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述连杆上用于与螺母连接的螺纹为细牙螺纹。

4.根据权利要求2所述的双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述角度测量装置包括两根摆杆，两根摆杆以连杆为轴线对称分布于连杆两侧，所述摆杆的一端与所述螺母铰接，另一端与所述滑轮滑动连接；

所述角度测量装置还包括用于测量两摆杆夹角的角度传感器，角度测量装置根据角度传感器检测的角度测算绳索挠曲变形角。

5.根据权利要求4所述的双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述摆杆和所述滑轮通过球铰、合页或铰链铰接。

6.根据权利要求1所述的双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述测应力传感器包括固定于连杆中点处的四片测载应变片，四片测载应变片形成惠斯通电桥电路，根据惠斯通电桥电路输出的电压计算连杆所受轴向拉力。

7.根据权利要求1所述的双联动索水工钢闸门启闭力性态监测装置，其特征在于，所述绳索挠曲变形角的取值范围是[30°，170°]。