水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统及闸门安全评价方法与流程

本发明属于在线监测，具体的说，是涉及一种水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统及闸门安全评价方法。

背景技术：

1、平面定轮闸门是一种闸门边梁上装设定轮作为支承行走部件的平面闸门；平面定轮闸门在水利水电工程中应用十分广泛，例如：工作闸门、事故闸门等。

2、平面定轮闸门的运行安全至关重要，因此，需要对平面定轮闸门进行监测，现有技术中，针对平面定轮闸门的监测主要有两种方案：方案一采用人工定检或巡检，其存在效率低、监测准确率差等不足，已经逐渐被淘汰；方案二是通过传感器对平面定轮闸门进行实时的在线监测，其监测主要针对平面定轮闸门的应力监测、振动监测，已经启闭机的运行监测，该方案主要存在以下不足：(1)监测范围窄、测点布置不科学，无法全面评估平面定轮闸门的运行安全；(2)行业内对于闸门综合振动频率、振动位移、振动特征的闸门安全评价仍然处于空白。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，以解决现有技术所存在监测范围窄、单吊点和双吊点闸门监测点布置没有相区别、对于闸门综合振动频率、振动位移、振动特征的闸门安全评价仍然处于空白的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统，包括边缘计算pc、与所述边缘计算pc通信的数据采集箱，以及通过信号线缆与所述数据采集箱通信的传感器监测模块；所述传感器监测模块包括闸门应力监测模块、闸门流激振动监测模块、闸门运行姿态监测模块、电流监测模块、转速监测模块、启闭机振动监测模块、启闭机机架应力监测模块和钢丝绳断丝监测模块。

4、进一步的，还包括用于所述信号线缆收放的线缆收放装置。

5、进一步的，当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述闸门应力监测模块包括主梁后翼缘跨中、横向布置的双吊点第一应力传感器、双吊点第二应力传感器、双吊点第三应力传感器和双吊点第四应力传感器，主梁上部梁格面板跨中、横向布置的双吊点第五应力传感器，以及主梁上部梁格面板跨中、纵向布置的双吊点第六应力传感器；

6、当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述闸门应力监测模块包括主梁后翼缘跨中、横向布置的单吊点第一应力传感器、单吊点第二应力传感器，主梁上部梁格面板跨中、横向布置的单吊点第三应力传感器和单吊点第五应力传感器，主梁上部梁格面板跨中、纵向布置的单吊点第四应力传感器和单吊点第六应力传感器。

7、进一步的，当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述闸门流激振动监测模块包括布置在闸门底主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的双吊点第一流激振动传感器，布置在闸门底主梁上部梁格面板跨中的双吊点第二流激振动传感器，布置在闸门底主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的双吊点第三流激振动传感器，顶主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的双吊点第四流激振动传感器，布置在顶主梁下部梁格面板跨中的双吊点第五流激振动传感器，布置在顶主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的双吊点第六流激振动传感器；

8、当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述闸门流激振动监测模块包括布置在底主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的单吊点第一流激振动传感器、布置在底主梁上部梁格面板跨中的单吊点第二流激振动传感器、布置在闸门底主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的单吊点第三流激振动传感器、布置在顶主梁后翼缘与左侧纵梁连接处的单吊点第四流激振动传感器、布置在顶主梁下部梁格面板跨中的单吊点第五流激振动传感器、布置在顶主梁后翼缘与右侧纵梁连接处的单吊点第六流激振动传感器。

9、进一步的，当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述闸门运行姿态监测模块包括布置在顶节闸门顶主梁腹板跨中的双吊点倾角传感器；

10、当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述闸门运行姿态监测模块包括布置在顶节闸门顶主梁腹板跨中的单吊点倾角传感器。

11、进一步的，所述电流监测模块包括布置在启闭机控制柜电动机端子输出端的电流传感器；所述转速监测模块包括布置在电动机轴端的转速传感器；所述钢丝绳断丝监测模块包括布置在卷筒两侧钢丝绳处的钢丝绳断丝传感器。

12、进一步的，当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述启闭机机架应力监测模块包括布置在左吊点左侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器i，布置在左吊点右侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器ii，布置在右吊点左侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器iii，布置在右吊点右侧机架主梁上翼缘跨中、横向布置的双吊点应力传感器iv；

13、当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述启闭机机架应力监测模块包括布置在机架主梁上翼缘跨中、横向布置的单吊点应力传感器i，布置在机架主梁下翼缘跨中、横向布置的单吊点应力传感器ii。

14、进一步的，当平面定轮闸门为双吊点闸门时，所述启闭机振动监测模块包括左吊点电动机固定端、水平布置的双吊点振动传感器，左吊点电动机固定端、垂直布置的双吊点振动传感器，左吊点减速器高速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，左吊点减速器高速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器，左吊点减速器低速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，左吊点减速器低速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器，左吊点卷筒轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，左吊点卷筒轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器，右吊点电动机固定端、水平布置的双吊点振动传感器，右吊点电动机固定端、垂直布置的双吊点振动传感器，右吊点减速器高速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，右吊点减速器高速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器，右吊点减速器低速端轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，右吊点减速器低速端轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器，右吊点卷筒轴承座、水平布置的双吊点振动传感器，右吊点卷筒轴承座、垂直布置的双吊点振动传感器；

15、当平面定轮闸门为单吊点闸门时，所述启闭机振动监测模块包括电动机固定端、水平布置的单吊点振动传感器，电动机固定端、垂直布置的单吊点振动传感器，减速器高速端轴承座、水平布置的单吊点振动传感器，减速器高速端轴承座、垂直布置的单吊点振动传感器，减速器低速端轴承座、水平布置的单吊点振动传感器，减速器低速端轴承座、垂直布置的单吊点振动传感器，卷筒轴承座、水平布置的单吊点振动传感器，卷筒轴承座、垂直布置的单吊点振动传感器。

16、本发明还提供了应用如上所述的水利水电工程固定卷扬式启闭机启闭的平面定轮闸门实时在线监测系统的闸门安全评价方法，包括：

17、(1)闸门振动特征评价

18、首先，通过智能型激振装置的激励扫频测试，得到闸门的谐振频率，并确定闸门实际启闭工况条件下的振动频率预警、报警阈值；

19、其次，闸门启闭过程中，根据其在实际水位条件下，实时在线监测系统测得的流激振动实测频率，通过运行模态分析得到闸门的时域数据；

20、最后，采取比对方法判断闸门运行的安全裕度和闸门运行的稳定性；

21、(2)闸门振动特性评价

22、根据度汛过程中实时在线监测系统针对的闸门监测数据，得到a-f曲线图，判断闸门振动响应的振幅、频率是否满足公式loga＜3.14-1.16logf的要求，当不满足公式关系时，表明闸门的振动特性状态不良，式中，a为振动幅值，f为振动频率；

23、(3)闸门振动位移评价

24、根据测得的闸门振动构件的平均位移，判断闸门振动危害程度。

25、进一步的，在所述的闸门振动特征评价中，在闸门运行过程中，采用模糊推理实现工作闸门当前运行状态和振动特征数据库的状态匹配，建立并确定评判标准以及各评判特征阈值。

26、进一步的，所述运行模态分析采用协方差驱动的随机子空间分析模态识别算法，其具体步骤如下：

27、首先，由数据的相关矩阵组成toeplitz矩阵，并将式(2)代入式(1)，得到式(3)

28、

29、ri＝cai-1g (2)

30、

31、上式中，ri表示相关矩阵，g为下一状态输出相关矩阵，a为空间矩阵，c为输出矩阵，oi为扩展的可观矩阵；γi为逆向扩展的可控矩阵；

32、其次，对式(3)进行奇异值分解，得式(4)，然后比较式(3)和式(4)，得式(5)，将式(5)代入式t2i+1，得到式(6)，即系统空间矩阵a：

33、

34、

35、

36、

37、式(3)中的c为oi矩阵的前l行，g为γi矩阵的后l列；

38、最后，根据式(7)对系统空间矩阵a进行特征值分解，得到各振型的固有频率值、模态阻尼比和系统的模态振型：

39、a＝ψλψ (7)

40、固有频率值：

41、

42、模态阻尼比：

43、

44、模态振型：

45、φ＝cψ (10)

46、式中：fn为系统的振动频率；ξn为系统的阻尼比；δt为输出数据的采样间隔；re为特征值的实部。

47、进一步的，还包括闸门运行姿态评价：倾角传感器的y轴与闸门中心线在同一平面，x轴为平行于闸门的水平轴，当闸门边距l小于规定值lmin时，即表示闸门倾斜角度达到临界值；其中，l是闸门倾斜后，闸门侧边到侧轨之间的距离。

48、与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

49、(1)本发明采用闸门应力监测模块、闸门流激振动监测模块、闸门运行姿态监测模块、电流监测模块、转速监测模块、启闭机振动监测模块、启闭机机架应力监测模块和钢丝绳断丝监测模块作为闸门的监测构件，不仅监测覆盖范围广，而且根据设备的运行特点，各测点的布置更科学合理，相较于现有技术而言，本发明监测更全面、监测数据更精确，为全面评估闸门运行安全提供了有力的数据支撑。

50、(2)本发明结合了闸门振动特征评价、闸门振动位移评价、闸门振动特性评价、闸门运行姿态评级，通过上述四个评价基准实现对闸门安全运行的主要参数的评估，填补了业内的技术空白，有效地保证了闸门的运行安全。

51、(3)本发明根据单吊点闸门和双吊点闸门的结构特点，提供了二者相区分的传感器布置方式，更科学合理。