一种水工闸门与启闭机故障注入装置、系统与方法与流程

1.本发明涉及故障注入技术，特别是涉及一种水工闸门与启闭机故障注入装置、系统与方法。


背景技术：

2.水工钢闸门与启闭机作为水工机械装备中的重要组成部分，其在使用过程中的可靠性对于水利水电工程中的止水、泄洪、灌溉等功能的发挥起到至关重要作用。然而，在实际工作中，由于水工闸门与启闭机具有规定寿命长、设计安全裕度高、及启闭频次低等特点，故水工闸门与启闭机在全生命周期内发生故障的频率较低。为了快速了解水工闸门与启闭机在各种故障状态下的响应，以便对其安全性、适用性、耐久性等可靠度指标进行分析与评估，故研究水工闸门与启闭机的故障注入具有重要意义。
3.故障注入一般分为实物故障注入和非实物故障注入，两种故障注入都是通过人为方式向目标系统中引入故障，从而使该系统产生错误与失效，与此同时观察和记录故障响应数据，为后续实际系统的测试与验证进行分析。目前，考虑到工程安全和社会影响等方面的原因，无法向实际使用中的水工机械装备注入故障进行测试与试验。
4.在现有技术中，尚无法短时间内大量提供水工闸门与启闭机的故障原因与故障数据等问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可靠性高、成本低、能短时间内大量提供水工闸门与启闭机的故障原因与故障数据的水工闸门与启闭机故障注入装置与方法。
6.为了达到上述目的，本发明提出的第一技术方案为：
7.一种水工闸门与启闭机故障注入装置，包括：水箱箱体、门槽、平面闸门、弧形闸门、3台用于模拟波浪载荷与水体流动的造浪机、2台用于控制与驱动平面闸门启闭的卷扬提升机、用于驱动弧形闸门启闭的液压泵站、电气控制柜；其中，液压泵站、2台卷扬提升机、3台造浪机均连接电气控制柜；
8.水箱箱体包括：相互连通的前部水箱、中部水箱、后部水箱，沿着从前到后的方向，前部水箱底面向下倾斜，且前部水箱底面与地面之间的夹角为50
°
；前部水箱前壁内侧上部配置有3台造浪机；后部水箱后侧壁底部安装有出水管；门槽安装于前部水箱与中部水箱之间，前部水箱、门槽、中部水箱之间由螺栓固定，中部水箱与后部水箱之间也由螺栓固定。
9.门槽顶端上面由2个第一支架分别固定有1台卷扬提升机，平面闸门两侧可滑动地装设于门槽内；2台卷扬提升机通过穿过导轮、滑块的钢丝绳分别固定连接平面闸门一侧。
10.弧形闸门包括：弧形面板、2个三角形支臂、2个液压杆，弧形闸门安装于中部水箱内、平面闸门后侧；靠近后部水箱侧，中部水箱两侧壁上部均向内装设有销轴，2个三角支臂的尖端均通过第二支撑脚固定于对应的销轴上，两个三角支臂尖端的对边侧固定于弧形面板上；中部水箱与后部水箱连接处外侧分别装设有一个第二支架，2个液压杆一端分别固定
于对应的第二支架上，2个液压杆另一端均固定于弧形面板上，2个液压杆还通过各自对应的进油管与出油管连接液压泵站。
11.综上所述，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入装置包括水箱、门槽、平面闸门、弧形闸门、卷扬提升机、液压站、造浪机、电气控制柜等组成结构，构成了一个与实际工程应用中的模拟水工闸门与启闭机；卷扬提升机提升或下放安装于门槽里侧的平面闸门，液压站推动或拉动弧形闸门向前或向后旋转，使得水槽里的水流能被截断或顺利流过，并采用造浪机模拟实际水渠中的复杂水况；同时，在平面闸门与弧形闸门打开的情况下，水流能从底面倾斜的水箱中由前向后流动，并从水箱后端设置的排水管中排出。由此可见，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入装置能短时间内可靠地模拟实际工程中的水工闸门与启闭设备工作情况，解决了实际工程中无法采用现有的实际水工闸门与启闭设备进行各种注入实物故障状态下安全性、适用性、耐久性等状态的分析与研究的问题，具有很重要的现实意义。而且，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入装置结构简单，成本也比较低。
12.为了达到上述目的，本发明提出的第二技术方案为：
13.一种水工闸门与启闭机故障注入系统，包括：上述水工闸门与启闭机故障注入装置；用于进行各类故障采集，并将故障采集信息发送至下位机的传感器组，用于对来自传感器组的故障采集信息进行预处理、存储的下位机，用于对下位机发送的经过预处理的故障采集信息进行状态监测、故障分析以及实现工作人员和所述水工闸门与启闭机故障注入装置之间交互的上位机，用于实现下位机与上位机之间通信的通信模块；其中，传感器组包括：应力应变传感器、加速度传感器、位移传感器、倾角传感器、液位传感器、流速传感器、温度传感器、风速传感器、声发射传感器、腐蚀传感器；
14.传感器组中各传感器装设于所述水工闸门与启闭机故障注入装置上，各传感器输出端连接下位机输入端，下位机输出端通过通讯模块连接上位机输入端，上位机输出端连接所述水工闸门与启闭机故障注入装置。
15.所述电气控制柜还连接传感器组、下位机、上位机。
16.综上所述，本发明所述本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统包括所述水工闸门与启闭机故障注入装置、传感器组、下位机、上位机、通信模块，所述水工闸门与启闭机故障注入装置本身能实现实物故障的注入，注入的故障被传感器组采集后发送至下位机，下位机对采集信息进行预处理并存储后，通过通讯模块发送至上位机，上位机对来自下位机的预处理信息进行状态监测与故障分析；同时，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统还能实现非实物故障的注入，即，通过上位机的人机界面，可以对所述水工闸门与启闭机故障注入装置进行非实物故障注入，并依次进行上述传感器组的采集、下位机的预处理与存储、上位机的状态监测与故障分析，从而全面地、系统地、完整地解决了现有技术中无法采用现有的实际水工闸门与启闭设备进行各种注入故障状态下安全性、适用性、耐久性等状态的分析与研究的问题，同样具有很重要的现实意义。而且，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统的结构也比较简单，成本也比较低。
17.为了达到上述目的，本发明提出的第三技术方案为：
18.一种水工闸门与启闭机故障注入方法，包括如下步骤：
19.步骤1、针对上述水工闸门与启闭机故障注入装置，建立其故障发生情景。
20.步骤2、在故障发生情景下，构建故障注入策略。
21.步骤3、根据已构建的故障注入策略，通过上位机中的人机交互模块对权利要1～5所述的水工闸门与启闭机故障注入装置进行故障注入。
22.步骤4、故障注入后，传感器组采集各类原始故障信息，并将各类原始故障信息传输至下位机进行预处理，得到各类预处理故障信息，并存储。
23.步骤5、上位机根据从下位机读取的各类预处理故障信息，判定故障注入策略是否完成：如果未完成，则返回步骤2；如果已完成，则执行步骤6。
24.步骤6、根据各类预处理故障信息，进行故障分析，实现对上述水工闸门与启闭机故障注入装置的故障注入、故障诊断的模拟。
25.综上所述，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入方法针对所述水工闸门与启闭机故障注入装置，构建故障发生情景、故障注入策略；根据故障发生情景、故障注入策略，由上位机中的人机交互模块将故障注入所述水工闸门与启闭机故障注入装置；由传感器组采集各类故障信息，由下位机对各类故障信息初步处理后，再由上位机根据预处理采集信息进行状态监测与故障分析。因此，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入方法能全面地、系统地、完整地解决了现有技术中无法采用现有的实际水工闸门与启闭设备进行各种注入故障状态下安全性、适用性、耐久性等状态的分析与研究的问题，同样具有很重要的现实意义。而且，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入方法基于所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统的结构也比较简单，故其成本也比较低。
附图说明
26.图1为本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入装置的组成结构示意图。
27.图2为本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入方法的总体流程示意图。
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步地详细描述。
29.图1为本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入装置的组成结构示意图。如图1所示，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入装置，包括：水箱箱体、门槽5、平面闸门6、弧形闸门8、3台用于模拟波浪载荷与水体流动的造浪机3、2台用于控制与驱动平面闸门6启闭的卷扬提升机1、用于驱动弧形闸门8启闭的液压泵站15、电气控制柜19；其中，液压泵站15、2台卷扬提升机1、3台造浪机3均连接电气控制柜19；
30.水箱箱体包括：相互连通的前部水箱4、中部水箱10、后部水箱12，沿着从前到后的方向，前部水箱4底面向下倾斜，且前部水箱4底面与地面之间的夹角为50
°
；前部水箱4前壁内侧上部配置有3台造浪机3；后部水箱12后侧壁底部安装有出水管13；门槽5安装于前部水箱4与中部水箱10之间，前部水箱4、门槽5、中部水箱10之间由螺栓固定，中部水箱10与后部水箱12之间也由螺栓固定。
31.门槽5顶端上面由2个第一支架分别固定有1台卷扬提升机1，平面闸门6两侧可滑动地装设于门槽5内；2台卷扬提升机1通过穿过导轮、滑块的钢丝绳2分别固定连接平面闸门6一侧。
32.弧形闸门8包括：弧形面板、2个三角形支臂、2个液压杆9，弧形闸门8安装于中部水箱10内、平面闸门6后侧；靠近后部水箱12侧，中部水箱10两侧壁上部均向内装设有销轴，2个三角支臂的尖端均通过第二支撑脚11固定于对应的销轴上，两个三角支臂尖端的对边侧固定于弧形面板上；中部水箱10与后部水箱12连接处外侧分别装设有一个第二支架，2个液压杆9一端分别固定于对应的第二支架上，2个液压杆9另一端均固定于弧形面板上，2个液压杆9还通过各自对应的进油管与出油管连接液压泵站15。
33.总之，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入装置包括水箱、门槽、平面闸门、弧形闸门、卷扬提升机、液压站、造浪机、电气控制柜等组成结构，构成了一个与实际工程应用中的模拟水工闸门与启闭机；卷扬提升机提升或下放安装于门槽里侧的平面闸门，液压站推动或拉动弧形闸门由前或向后旋转，使得水槽里的水流能被截断或顺利流过，并采用造浪机模拟实际水渠中的复杂水况；同时，在平面闸门与弧形闸门打开的情况下，水流能从底面倾斜的水箱中右前向后流动，并从水箱后端设置的排水管中排出。由此可见，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入装置能短时间内可靠地模拟实际工程中的水工闸门与启闭设备工作情况，解决了实际工程中无法采用现有的实际水工闸门与启闭设备进行各种注入实物故障状态下安全性、适用性、耐久性等状态的分析与研究的问题，具有很重要的现实意义。而且，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入装置结构简单，成本也比较低。
34.本发明所述水工闸门与启闭机故障注入装置中，液压泵站15包括：液压马达14、电磁阀16、油泵、电机、油箱；其中，电磁阀安装于2个液压杆9的进油管上。
35.本发明所述水工闸门与启闭机故障注入装置中，平面闸门6、所述弧形闸门8的材料为钢材、木材、水弹性材料等。
36.本发明所述水工闸门与启闭机故障注入装置中，平面闸门6两侧与门槽5之间、弧形闸门8两侧与中部水箱10对应的侧壁之间均装设有止水橡胶7。
37.本发明所述水工闸门与启闭机故障注入装置中，弧形闸门8启闭高度为0～750毫米，平面闸门6启闭高度为0～600毫米，水箱箱体注水高度0～600毫米。
38.一种水工闸门与启闭机故障注入系统，包括：上述水工闸门与启闭机故障注入装置；用于进行各类故障采集，并将故障采集信息发送至下位机的传感器组，用于对来自传感器组的故障采集信息进行预处理、存储的下位机，用于对下位机发送的经过预处理的故障采集信息进行状态监测、故障分析以及实现工作人员和所述水工闸门与启闭机故障注入装置之间交互的上位机，用于实现下位机与上位机之间通信的通信模块；其中，传感器组包括：应力应变传感器、加速度传感器、位移传感器、倾角传感器、液位传感器、流速传感器、温度传感器、风速传感器、声发射传感器、腐蚀传感器、视觉传感器。
39.传感器组中各传感器装设于本发明所述水工闸门与启闭机故障注入装置上，各传感器输出端连接下位机输入端，下位机输出端通过通讯模块连接上位机输入端，上位机输出端连接所述水工闸门与启闭机故障注入装置；所述电气控制柜(19)还连接传感器组、下位机、上位机。
40.实际应用中，下位机对传感器组发送的各类故障采集信息进行预处理，具体包括：异常信息的恢复、信息统计等。
41.本发明所述传感器组中，所述应力应变传感器数量至少15个，分别布置在弧形闸
门左右三角形支臂、弧形闸门的门体面板、弧形闸门主纵横梁、液压杆、平面闸门的门体前后面板、平面闸门主纵横梁上、卷扬提升机支架上。所述加速度传感器数量至少12个，分别布置在弧形闸门左右三角形支臂、弧形闸门的门体面板、弧形闸门主纵横梁上、液压杆、平面闸门的门体前后面板、平面闸门主纵横梁上、卷扬提升机支架上。所述位移传感器数量至少12个，分别布置在弧形闸门左右三角形支臂、弧形闸门的门体面板、弧形闸门主纵横梁上、液压杆、平面闸门的门体前后面板、平面闸门主纵横梁上、卷扬提升机支架上。所述倾角传感器数量至少2个，分别布置在弧形闸门主纵横梁上、平面闸门主纵横梁上。所述液位传感器数量至少2个，分别布置在本发明所述水工闸门与启闭机故障注入装置前部水箱箱体和后部水箱箱体上。所述温度传感器至少1个、所述风速传感器至少1个，均布置在环境任意位置上。所述腐蚀传感器至少8个，布置在弧形闸门主纵横梁、弧形闸门左右三角形支臂、平面闸门的门体前后面板、平面闸门主纵横梁上。所述视觉传感器可根据需要安装于视野范围较宽位置处。
42.总之，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统包括所述水工闸门与启闭机故障注入装置、传感器组、下位机、上位机、通信模块，所述水工闸门与启闭机故障注入装置本身能实现实物故障的注入，注入的故障被传感器组采集后发送至下位机，下位机对采集信息进行预处理并存储后，通过通讯模块发送至上位机，上位机对来自下位机的预处理信息进行状态监测与故障分析；同时，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统还能实现非实物故障的注入，即，通过上位机的人机界面，可以对所述水工闸门与启闭机故障注入装置进行非实物故障注入，并依次进行上述传感器组的采集、下位机的预处理与存储、上位机的状态监测与故障分析，从而全面地、系统地、完整地解决了现有技术中无法采用现有的实际水工闸门与启闭设备进行各种注入故障状态下安全性、适用性、耐久性等状态的分析与研究的问题，同样具有很重要的现实意义。而且，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统的结构也比较简单，成本也比较低。
43.本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统中，下位机为计算机、ni(国家仪器，national instruments)公司生产的设备或无主机。
44.通讯模块能够实现上位机与下位机之间的有线通讯或无线通讯。
45.本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统中，所述状态监测包括：应力应变状态、振动加速度与振动位移状态、腐蚀状态、疲劳裂纹状态、倾角姿态状态、磨损状态、启闭状态、漏渗油状态、环境状态；其中，环境状态包括实时环境温度、实时水位、实时水流流量、实时风速。
46.本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统中，所述故障分析的内容包括：平面闸门6或弧形闸门8的自激、平面闸门6或弧形闸门8的爬行、平面闸门6或弧形闸门8的颤抖振动；平面闸门6或弧形闸门8的卡阻；平面闸门6或弧形闸门8的倾斜；平面闸门6或弧形闸门8的应力应变超标；平面闸门6或弧形闸门8的腐蚀超标；液压泵站欠压或超压；油路回油或堵塞；门前水位过高；平面闸门6或弧形闸门8的关联部分漏水；卷扬提升机超载；卷扬提升机左右不同步。
47.图2为本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入方法的总体流程示意图。如图2所示，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入方法，包括如下步骤：
48.步骤1、针对所述水工闸门与启闭机故障注入装置，建立其故障发生情景。
49.本发明所述水工闸门与启闭机故障注入方法步骤1中，所述故障发生情景包括：人为指定的所述的水工闸门与启闭机故障注入装置的故障情景、实际发生的所述水工闸门与启闭机故障注入装置的故障情景。
50.步骤2、在故障发生情景下，构建故障注入策略。
51.步骤3、根据已构建的故障注入策略，通过上位机中的人机交互模块对所述水工闸门与启闭机故障注入装置进行故障注入。
52.步骤4、故障注入后，传感器组采集各类原始故障信息，并将各类原始故障信息传输至下位机进行预处理，得到各类预处理故障信息，并存储。
53.步骤5、上位机根据从下位机读取的各类预处理故障信息，判定故障注入策略是否完成：如果未完成，则返回步骤2；如果已完成，则执行步骤6。
54.步骤6、根据各类预处理故障信息，进行故障分析，实现对所述水工闸门与启闭机故障注入装置的故障注入、故障诊断的模拟。
55.总之，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入方法针对所述水工闸门与启闭机故障注入装置，构建故障发生情景、故障注入策略；根据故障发生情景、故障注入策略，由上位机中的人机交互模块将故障注入所述水工闸门与启闭机故障注入装置；由传感器组采集各类故障信息，由下位机对各类故障信息初步处理后，再由上位机根据预处理采集信息进行状态监测与故障分析。因此，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入方法能全面地、系统地、完整地解决了现有技术中无法采用现有的实际水工闸门与启闭设备进行各种注入故障状态下安全性、适用性、耐久性等状态的分析与研究的问题，同样具有很重要的现实意义。而且，本发明所述一种水工闸门与启闭机故障注入方法基于所述一种水工闸门与启闭机故障注入系统的结构也比较简单，故其成本也比较低。
56.本发明所述水工闸门与启闭机故障注入方法步骤2中，所述故障注入策略包括：弧形闸门、液压站以及弧形闸门与液压站之间关联结果的故障部位与故障特征，平面闸门、卷扬提升机以及平面闸门与卷扬提升机之间关联结果的故障部位与故障特征。
57.弧形闸门、液压站以及弧形闸门与液压站之间关联结果的故障部位与故障特征见下表：
[0058][0059][0060]
平面闸门、卷扬提升机以及平面闸门与卷扬提升机之间关联结果的故障部位与故障特征见下表：
[0061][0062]
本发明所述水工闸门与启闭机故障注入方法步骤5中，所述判定故障注入策略是否完成的评判指标包括定性评判与定量评判，定性评判为人为评判，定性评判包括平面闸门振动、弧形闸门振动、平面闸门卡阻、弧形闸门卡阻，平面闸门振动与弧形闸门振动的评价指标为无明显振动、振动强烈、振动剧烈甚至轰鸣，平面闸门卡阻与弧形闸门卡阻的评价指标为平顺、爬行、卡顿。
[0063]
定量评判的各评判指标具体如下表：
[0064][0065][0066]
其中，σ表示平面闸门或弧形闸门的许用应力，α表示平面闸门或弧形闸门的垂直倾角，μ表示平面闸门与弧形闸门的实时应力，d表示平面或弧形闸门腐蚀深度，m表示平面闸门与弧形闸门的承受压力，l表示钢丝绳在电机带动下产生的钢丝绳张力，q表示平面闸
门与弧形闸门的漏水量，r表示分别带动两根钢丝绳的两个电机的转速差。
[0067]
实施例一
[0068]
选定平面闸门出现卡阻故障特征的情景下，建立故障注入策略：通过电气控制柜19调节卷扬提升机1的转速，使卷扬提升机1驱动钢丝绳提升或下降的左电机与右电机转速不同。当卷扬提升机1通过钢丝绳2带动门槽5中的平面闸门6做启闭运动时，平面闸门6出现故障特征。通过工作人员观察，确定平面闸门6是否出现平顺、爬行或者卡顿的故障特征。如果平面闸门6未出现卡顿，则重新调节电气控制柜19，使其发生卡顿；如果平面闸门6出现卡顿，则对传感器组采集的卡顿故障信息进行预处理、分析与研究。
[0069]
实施例二
[0070]
选定需要弧形闸门8出现漏水的故障特征情景下，制定故障注入策略：向前部水箱4中注入水位为600mm的水；通过电气控制柜19调节卷扬提升机1，卷扬提升机1通过钢丝绳2带动门槽5中的平面闸门6做启闭运动时，前部水箱4中的水经过门槽5流入中部水箱10；进一步地，通过电气控制柜19调节液压泵站15，液压泵站15通过液压管路17连接于液压杆9，液压杆9带动弧形闸门8做启闭运动；在弧形闸门8运行过程中，改变止水橡胶7的宽度，水流依次经中部水箱10、后部水箱12，并从出水管13流出。通过工作人员观察，确定弧形闸门8与中部水箱10之间接触的两侧是否出现无漏水、轻微漏水、严重漏水的故障注入特征。如果弧形闸门8未出现漏水，则重新调节电气控制柜19及止水橡胶7，使其漏水；如果弧形闸门8出现漏水，则对传感器组采集的弧形闸门漏水故障信息进行预处理、分析与研究。
[0071]
实施例三
[0072]
选定需要弧形闸门8出现闸门振动的故障特征情景下，制定故障注入策略：在前部水箱4中注入水位为600mm的水；通过电气控制柜19调节卷扬提升机1，卷扬提升机1通过钢丝绳2带动门槽5中的平面闸门6做启闭运动时，前部水箱4中的水经过门槽5流入中部水箱10；通过电气控制柜19调节液压泵站15，液压泵站15通过液压管路17连接于液压杆9，液压杆9带动弧形闸门8做启闭运动的过程中，水流依次经中部水箱10、后部水箱12后，从出水管13流出。通过工作人员观察，确定弧形闸门8是否出现位移故障特征，由安装在弧形闸门8上的位移传感器采集位移故障特征，下位机对该位移故障特征进行预处理；之后，由上位机分析预处理信息，并确定弧形闸门位移距离是否满足小于0.05mm、0.05mm～0.50mm、或者大于0.50mm的故障特征。如果未出现弧形闸门位移故障特征，则需重新调节电气控制柜19，使其发生位移；如果出现弧形闸门位移故障特征，则对传感器组采集的弧形闸门位移故障信息进行预处理、分析与研究。
[0073]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。