孫 杰，王青華，章珈寧，白鈞劍，劉 晴，朱春鵬

（1.國(guó)網(wǎng)新源有限公司富春江水力發(fā)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(jì)60年代設(shè)計(jì)建造的一座低水頭河床式水電站，該電站設(shè)有17個(gè)溢流孔，每個(gè)溢流孔安裝有一個(gè)潛孔式弧形閘門(mén)，閘門(mén)采用卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)進(jìn)行操作。啟閉機(jī)在其卷筒軸承支座下安裝有監(jiān)測(cè)鋼絲繩拉力的荷重儀，監(jiān)測(cè)啟閉機(jī)鋼絲繩的載荷，一旦超標(biāo)，立即報(bào)警。因此，為保證閘門(mén)在泄洪時(shí)正常啟閉，荷重儀的可靠性和準(zhǔn)確性非常重要。

1 卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)

該水電站泄流孔閘門(mén)采用的卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1所示，電動(dòng)機(jī)通過(guò)變速箱和聯(lián)軸器分別驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)的驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)聯(lián)軸器與左右兩側(cè)的小齒輪軸相連。小齒輪帶動(dòng)大齒輪，進(jìn)而帶動(dòng)卷筒，卷起或放下鋼絲繩。啟閉機(jī)原有荷重儀安裝在卷筒軸承支座下，可以直接測(cè)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(dǎo)致其更換和校驗(yàn)均比較困難，很難保證其準(zhǔn)確測(cè)量鋼絲繩拉力。至目前為止，該電站所有的啟閉機(jī)荷重儀都難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)鋼絲繩拉力。

圖1 啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 傳統(tǒng)荷重儀測(cè)量鋼絲繩拉力的方法

閘門(mén)啟閉機(jī)鋼絲繩拉力監(jiān)測(cè)方式目前采用的是傳統(tǒng)荷重式傳感器，簡(jiǎn)稱(chēng)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(cè)量鋼絲繩的拉力在垂直方向的分量。在閘門(mén)升降過(guò)程中，鋼絲繩角度會(huì)一直發(fā)生變化，導(dǎo)致荷重儀測(cè)量值不能準(zhǔn)確地反映鋼絲繩所受到的拉力。

圖2 啟閉機(jī)荷重儀安裝位置圖

荷重儀的常規(guī)標(biāo)定方法是采用閘門(mén)自重作為標(biāo)準(zhǔn)重量對(duì)荷重儀進(jìn)行標(biāo)定。通常標(biāo)定時(shí)，無(wú)法把閘門(mén)全部拉出水面。閘門(mén)受水流的浮力和沖擊力以及閘門(mén)與軌道摩檫力影響，鋼絲繩受到的拉力并不等于閘門(mén)自重。這種標(biāo)定方法無(wú)法保證荷重儀的測(cè)量精度。

因此，傳統(tǒng)的荷重儀測(cè)量鋼絲繩拉力存在以上先天不足之缺陷，所測(cè)量到的數(shù)據(jù)只能大致估算鋼絲繩受力大小，一旦發(fā)生卡澀或受力偏斜，所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)就與鋼絲繩所受實(shí)際拉力大小相差甚遠(yuǎn)，容易發(fā)生惡性事故。本文將以經(jīng)典力學(xué)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一套基于扭矩的新型間接測(cè)量系統(tǒng)，可穩(wěn)定準(zhǔn)確地對(duì)啟閉機(jī)鋼絲繩拉力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 扭矩傳感器測(cè)量鋼絲繩拉力的原理

該新型鋼絲繩拉力測(cè)量系統(tǒng)是基于經(jīng)典理論力學(xué)原理開(kāi)發(fā)的。在圖3所示的左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)軸上分別安裝兩個(gè)扭矩傳感器，通過(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)軸扭矩大小，測(cè)量鋼絲繩拉力大小[2]。

圖3 扭矩測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

卷筒直徑D0，大齒輪中徑D1，小齒輪中徑D2，驅(qū)動(dòng)軸直徑D3。

當(dāng)鋼絲繩拉力為F時(shí)，拉力F對(duì)卷筒產(chǎn)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(qū)動(dòng)軸的扭矩相同,同為T(mén)1；

驅(qū)動(dòng)軸為實(shí)心圓軸，截面模量為

驅(qū)動(dòng)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(jiàn)，只要測(cè)量出驅(qū)動(dòng)軸的表面剪切力，就可以直接計(jì)算出鋼絲繩的拉力。該原理只要保證鋼絲繩受力方向和驅(qū)動(dòng)軸表面呈相切方向即可，毋須關(guān)注鋼絲繩受力方向是否完全豎直。

4 扭矩測(cè)量裝置

根據(jù)上述扭矩傳感器測(cè)量鋼絲繩拉力的原理，設(shè)計(jì)一套測(cè)量鋼絲繩拉力的裝置。在驅(qū)動(dòng)軸上安裝扭矩傳感器和扭矩采集儀，并采用無(wú)線(xiàn)通信的方式，把扭矩測(cè)量結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)。測(cè)量系統(tǒng)采用集電環(huán)供電的方式，可以實(shí)現(xiàn)鋼絲繩拉力的長(zhǎng)期穩(wěn)定在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

扭矩傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)軸表面，方便拆卸和維護(hù)。扭矩傳感器的安裝對(duì)驅(qū)動(dòng)軸無(wú)損傷。

扭矩傳感器和采集儀都可單獨(dú)拆卸進(jìn)行校準(zhǔn)。相對(duì)荷重儀只能使用閘門(mén)自重進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)量準(zhǔn)確度有了大幅提升。

從以上理論和設(shè)計(jì)原理上看，該新型監(jiān)測(cè)方法可完全消除傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)法的先天缺陷，而且測(cè)量也非常準(zhǔn)確。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思想和該電站閘門(mén)啟閉機(jī)轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，開(kāi)發(fā)了一套閘門(mén)啟閉機(jī)鋼絲繩拉力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括了扭矩傳感器、扭矩采集儀、供電模塊、自校準(zhǔn)模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和數(shù)據(jù)接收與顯示模塊，并將該系統(tǒng)安裝在該電站的第9號(hào)閘門(mén)啟閉機(jī)上。

5 實(shí)測(cè)效果

系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行了閘門(mén)開(kāi)啟試驗(yàn)。扭矩法測(cè)量鋼絲繩拉力裝置測(cè)試效果如圖4所示。圖中顯示了閘門(mén)反復(fù)開(kāi)啟中，左右側(cè)鋼絲繩應(yīng)力變化趨勢(shì)。在區(qū)域1內(nèi),為年度閘門(mén)首次開(kāi)啟上升，可以看出閘門(mén)開(kāi)啟初始階段左側(cè)鋼絲繩拉力大于右側(cè)拉力。左側(cè)拉力逐步下降，右側(cè)拉力逐步上升到一定程度后，開(kāi)始逐步下降。區(qū)域2內(nèi)為閘門(mén)下放過(guò)程。下降過(guò)程中，左右兩側(cè)拉力同時(shí)逐步上升。下放一小段后，進(jìn)入第3階段。區(qū)域3為啟閉機(jī)剎車(chē)，閘門(mén)在中間位置保持時(shí)的鋼絲繩拉力，此階段兩側(cè)鋼絲繩拉力平穩(wěn)，無(wú)變化。區(qū)域4為再次啟動(dòng)開(kāi)啟閘門(mén)上升后兩側(cè)鋼絲繩拉力。可以看出兩側(cè)拉力先急劇上升一段后，緩慢下降。區(qū)域5為閘門(mén)下放過(guò)程。左側(cè)鋼絲繩拉力先逐步上升后逐步下降。右側(cè)鋼絲繩拉力則一直緩慢下降。直至閘門(mén)關(guān)閉，鋼絲繩拉力迅速降為零。

圖4 閘門(mén)啟閉機(jī)開(kāi)啟試驗(yàn)扭矩法測(cè)量鋼絲繩拉力趨勢(shì)圖

該電站閘門(mén)自身質(zhì)量約為80 t，從圖4中可以看出，在閘門(mén)啟閉過(guò)程中，左右鋼絲繩拉力之和均小于80 t力。而該啟閉機(jī)的荷重儀測(cè)試結(jié)果顯示，在整個(gè)過(guò)程，左右兩側(cè)拉力和均大于80 t力。荷重儀測(cè)量結(jié)果與扭矩傳感器測(cè)量結(jié)果趨勢(shì)相同，但數(shù)值有明顯差異，且荷重儀測(cè)量結(jié)果明顯偏大。

在圖4所示的區(qū)域2和區(qū)域3的交點(diǎn)位置，此時(shí)閘門(mén)是下落轉(zhuǎn)停穩(wěn)狀態(tài)，摩擦力在閘門(mén)停止前的方向與拉力同向。在閘門(mén)停穩(wěn)前的一刻，摩檫力+鋼絲繩拉力=閘門(mén)自重-河水浮力。所以此時(shí)鋼絲繩拉力=閘門(mén)自重-河水浮力-摩檫力，明顯鋼絲繩拉力小于閘門(mén)自重。由此可判斷荷重儀測(cè)量的測(cè)量結(jié)果是錯(cuò)誤的。

扭矩傳感器和采集儀均在校準(zhǔn)期限內(nèi)，測(cè)量數(shù)據(jù)可信；荷重儀由于是采用閘門(mén)單次試驗(yàn)啟動(dòng)過(guò)程中以閘門(mén)自重作為鋼絲繩受力進(jìn)行標(biāo)定，因此測(cè)量數(shù)據(jù)不是非常可信。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，荷重儀可以反映鋼絲繩拉力變化趨勢(shì)，但測(cè)量誤差大，無(wú)法準(zhǔn)確顯示鋼絲繩拉力。

6 總結(jié)

通過(guò)測(cè)量驅(qū)動(dòng)軸扭矩的方式，測(cè)量鋼絲繩拉力。對(duì)比傳統(tǒng)荷重儀方法，可以直接測(cè)量鋼絲繩拉力，沒(méi)有閘門(mén)自重校驗(yàn)帶來(lái)的影響，也沒(méi)有鋼絲繩受力方向不是豎直時(shí)產(chǎn)生的測(cè)量誤差。同時(shí)本方案，扭矩傳感器可以定期標(biāo)定，且更換方便。更能確保測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性?；谂ぞ氐膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為閘門(mén)啟閉機(jī)鋼絲繩拉力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了一個(gè)可以選擇的新方法。