一种集成启闭力检测功能的水工钢闸门的制作方法

本实用新型涉及水利工程技术领域，具体涉及水工钢闸门的启闭控制技术领域。

背景技术：

随着水利工程的建设与发展，作为水利水电工程关键设备的水工钢闸门也向着多样化、大型化的方向发展，加强其安全监测成为工程管理的重要方向。

水工钢闸门是水利水电工程实现安全渡汛、合理调配水资源的关键设备。其中，启闭力是水工钢闸门安全运行的关键指标之一，直接关系水工建筑物的安全运行。

水工钢闸门启闭过程中存在着多种运行工况，运行时启闭力的情况比较复杂，遇到故障和病态效应也比较大，危及水工钢闸门的正常运行，对整体水利系统的运行存在隐患。所以说，在线检测启闭力和及时获取启闭力的动态数据，对水工钢闸门运行性状提供可视化的信息显示，有效的侦知钢闸门运行的状态。

现役水工钢闸门功能单一、作用简单，不具备启闭力的侦知能力。还须要另行增加检测设备通过卷筒、钢丝绳、传动轴等部件的受载间接检测获得，信息准确性和工程经济性都不能适应现代化水利发展的需要。

技术实现要素：

本实用新型目的是提出一种水工钢闸门，其同时集成有监测启闭力大小的功能。

本实用新型包括钢闸门、设有吊孔和对称设置两组腹板的吊耳，所述吊耳的下端连接在钢闸门的上端，其特征在于在钢闸门上方还设置传感装置，所述传感装置包括应力应变传感器、电测变送模块、电测铠装和传输导线，所述应力应变传感器复合在吊耳的腹板表面，应力应变传感器的信号输出端连接电测变送模块的信号输入端，电测变送模块的信号输出端连接传输导线；所述电测铠装设置在应力应变传感器和电测变送模块的外围。

本实用新型的应力应变传感器采用惠氏电桥测量方法获得吊耳板的受载形变微应变信息；电测变送模块对应力应变传感器受载形变微应变信息准确检测，并按虎克定理侦知钢闸门启闭力。电测铠装则用于保护应力应变传感器和电测变送模块等部件，避免受近水或水下等恶劣工况造成的危害，确保工程在役条件下可靠工作。

本实用新型使水工钢闸门具备在线启闭力检测能力和信息测报，适应现代化水利发展的目标趋势，从而加强水工钢闸门安全信息的软技术支撑手段。本实用新型在水工钢闸门上集成启闭力的直接、便捷侦知功能和信息测报，改变现行在役钢闸门启闭力只能间接测量、准确性不足的现状，有利于促进工程安全可靠运行。本实用新型结构技术理念新颖，呼应现代化水利的要求，解决了钢闸门运行中对启闭力的在役侦知，使得钢闸门出厂时，就具备启闭力的侦知技术，有利于在水利水电工程领域内进行推广使用，更好保障水工钢闸门设备安全可靠运行。

本实用新型应用于水利工程设备中，通过水工钢闸门上集成启闭力的直接、便捷侦知功能和信息测报，改变现行在役钢闸门启闭力只能间接测量、准确性不足的现状，有利于促进工程安全可靠运行；同时也避免了管养部门对水工钢闸门启闭力的检测工作，为水工钢闸门设备安全运行提供有效地保障。通过惠斯通电桥测量原理，由应力应变信号自动归算得到钢闸门运行中启闭力的动态数据，及时地为管养部门提供启闭力数据的即时性分析，对水工钢闸门的安全运行具有重要的意义。

实用新型有益效果：长期以来现役水工钢闸门功能单一、作用简单，不具备启闭力的侦知能力，主要另行增加检测设备通过卷筒、钢丝绳、传动轴等部件的受载间接检测获得，信息准确性和工程经济性都不能适应现代化水利发展的需要。

与现役的水工钢闸门相比，本实用新型通过建立集成启闭力的检测功能，极大地增强了水工钢闸门运行过程中启闭力的动态检测侦知和信息的及时获取。本实用新型采用惠氏电桥测量原理，对钢闸门启闭力进行有效的侦知，能够更好地为启闭力的动态变化提供可视化显示，从而避免了钢闸门运行存在的隐患。通过建立启闭力检测功能，有效地侦知水工钢闸门的启闭力，这样既减轻了管理人员的工作，又能够达到保障钢闸门的效果。本实用新型结构制造工艺简单，技术理念新颖，呼应现代化水利的要求，有利于在水利工程行业内进行推广使用，从而提高水工钢闸门设备安全的有效保障。

进一步地，为了获得更为客观的吊耳变形数据，本实用新型所述吊耳为两只，传感装置为四组，两组传感装置的各应力应变传感器分别设置在一只吊耳的两组腹板上，另两组传感装置的各应力应变传感器分别设置在另一只吊耳的两组腹板上，并且四组传感装置的各应力应变传感器分别布置在相应吊耳的吊孔下方、居中的同一高度上。

更进优选地，本实用新型每一组传感装置的应力应变传感器由至少两块竖向应变片和至少两块横向应变片组成，各竖向应变片布置在同一高度上，且相对吊耳的吊孔竖向中心轴对称布置；各横向应变片布置在同一高度上，且相对吊耳的吊孔竖向中心轴对称布置，以多点串联获取吊耳的腹部受载相关的变形微变量。

附图说明

图1为本实用新型的一种结构示意图。

图2为图1中I部放大图。

图3为一组传感装置中应变片与吊耳的连接关系示意图。

图4为本实用新型的直接测量实际应变示意图。

图5为本实用新型的惠氏电桥测量原理的示意图。

图6为传感装置的信号传递示意图。

具体实施方式

一、结构说明：

如图1、2、3所示，本实用新型设有钢闸门1、具有吊孔2-1的两只吊耳2，两只吊耳2的下端分别与钢闸门1的上端焊接固定，在两只吊耳2之间，通过吊孔2-1穿置连接销3，每只吊耳2设有相背且对称的两组腹板2-2。

在其中一只吊耳2的两组腹板2-2上分别设置两组传感装置A和B，在另一只吊2的两组腹板2-2上分别设置两组传感装置C和D。

如图2、6所示，每一组传感装置设有应力应变传感器4、电测变送模块5、电测铠装6和传输导线7，应力应变传感器4的信号输出端连接电测变送模块5的信号输入端，电测变送模块5的信号输出端连接传输导线7，电测铠装6包覆式设置在应力应变传感器4和电测变送模块5的外围，用以防水防尘。

如图3所示，每一组传感装置的应力应变传感器4由四块竖向应变片4-1和四块横向应变片4-2组成，各竖向应变片4-1布置在腹板2-2的同一高度上，且相对吊耳2的吊孔2-1竖向中心轴对称布置，各横向应变片4-2布置在腹板2-2的同一高度上，且相对吊耳2的吊孔2-1竖向中心轴对称布置。

四组传感装置的各应力应变传感器的各竖向应变片分别布置在相应吊耳的吊孔下方腹板的同一高度上，各横向应变片分别布置在相应吊耳的吊孔下方腹板的同一高度上。

二、结合图4、5对本实用新型的工作原理进行说明：

1、电桥测量原理：

应变片一般采用惠斯通电桥进行电路测量。惠斯通电桥将应变片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，+VOUT和-VOUT为终端与应变成正比的差分电压,式（1.1）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。

(1.1)

式中：Ve为电桥激励电压，(++Exc)-(- Exc)；R1～R2为电桥电阻。

式(1.1)比较复杂，通常所用四个电阻采用同样的标称值R。考虑电阻具有4个、2个或1个电阻变化增量的情况进行简化，以待测量阻值R的变化增量为dR表示，假定dR为正值，如果实际阻值减小，则用-dR表示。

）4个电阻变化增量

四个电桥电阻中R2和R4的阻值随着待测量的增大而增大，R1和R3的阻值则相应减小,这种情况常见于全桥四个应变计检测。式（1.2）给出了输出电压(Vo)与电阻相对变化量(dR/R)呈线性关系。

（1.2）

2）2个电阻变化增量

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。式（1.3）给出了输出电压(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）

3）1个电阻变化增量

电桥中有一只电阻R1或R2或R3或R4有阻值变化增量(dR和-dR) 。式（1.4）给出输出电压(Vo)与电阻相对变化量(dR/R)的关系，由于分母中出现了dR项，必须通过软件校准其非线性输出，多见成本或布线比信号幅度更重要的场合。

（1.4）

刚性结构受外力作用时发生轻微变形，设在1V激励电压下，由式（1.2）可以知道电桥满幅输出2mV相当于阻值满幅变化0.2%。

吊耳板呈现的闸门启闭力，按照虎克定律，吊耳板呈现的闸门启闭力按式1.5所获得。

（1.5）

式中，Fn表示闸门受载启闭力，S是Fn作用的面积，是弹性体原长，是受力后的伸长量，比例系数E称为弹性模量，也称为杨氏模量，由于应变为纯数，故弹性模量和应力具有相同的单位，弹性模量是描写材料本身的物理量，由上式可知，应力大而应变小，则弹性模量较大；反之，弹性模量较小。

2、本实用新型水工钢闸门运行过程中启闭力特征的应用：

1）当钢闸门不受水压力时，将钢闸门从闭到开的过程运行一次，可以测得钢闸门此时启闭力的大小，测得门的自重，也可以作为汛前检查，得知钢闸门运行状况是否良好；当汛期后，水处于静止状态时，闸门吊耳处受到上托力的作用，可以测得此状态时钢闸门启闭力的大小。

2）当钢闸门处于静止状态时，受到上下水压力的作用，此时，钢闸门运行过程中主要是持住力，通过集成启闭力检测功能的水工钢闸门，可以测得此时持住力的大小。

3）当钢闸门泄水运行时，受到泄水激流的作用，闸门固定在一定的开度，可以获得此时钢闸门的持住力。

4）当钢闸门需要运行时，闸门从静止开始运作，此时钢闸门的受到的力为启门力，可以通过本实用新型侦知运行过程中的启门力。

5）当钢闸门全开或者关门运行时，可以获得此运行过程中的闭门力。

通过本实用新型，使水工钢闸门在启闭运行过程中，不管是钢闸门的关闭或者钢闸门的开启运行，还是钢闸门各种工况的运行，启闭力都可以得到准确的侦知，以保障水工钢闸门的安全运行。

3、启闭力传感装置：

1）启闭力传感装置的测力原理

（1）启闭力应变片的测力原理

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见式（2.1）所示。

（2.1）

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，其相对变化为。其中u为金属丝材料的泊松比；应变，为金属导线长度的相对变化，见式（2.2）所示。

（2.2）

在电阻丝伸长所产生的电阻值变化dR/R，见式（2.3）所示。在式（2.3）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，见式（2.4）所示。当敏感栅电阻应变计被粘贴到构件表面后，构件受力而变形时，可以通过测试电阻变化表征构件的应变。

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。

（2）启闭力的测力原理-虎克定理

（2.5）

式中Fn表示内力，S是Fn作用的面积，是弹性体原长，是受力后的伸长量，比例系数E称为弹性模量，也称为杨氏模量，由于应变为纯数，故弹性模量和应力具有相同的单位，弹性模量是描写材料本身的物理量，由上式可知，应力大而应变小，则弹性模量较大；反之，弹性模量较小。

启闭力的测量计算公式，见式（2.6）所示，

（2.6）

式中：F为启闭力，k为标定系数，为应力的大小。

2）启闭力传感装置的信息传递通讯协议：

Modbus通讯标准是一个工业通讯系统，由带智能终端的可编程序控制器和计算机通过公用线路或局部专用线路连接而成，主要应用于各种数据的采集和过程监控。本实用新型中，通讯协议主要对启闭力检测的相关数据顺利地传送到数据接收的地方，依据标准要求，编写本实用新型的数据通讯协议。

通讯协议编码格式，见下式所示：

式中：ID为监测地址；XX为功能代码：03为查询相关数据功能码/05为输入相关操作数据；LL为传感器被读或输入的对应寄存器编号；YYYY为寄存器编号对应的具体数据。