郝楠楠 韩 刚 滕 楷

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江省发展规划研究院，浙江 杭州 310012)

弧形闸门是水利水电工程的关键设备之一,它综合集成了机械、电气、液压，是一套复杂综合机电系统。它的安全稳定运行对水利水电工程主体作用的发挥和下游人民的生命财产安全至关重要。弧形闸门大多长期处于挡水工况中，该系统具有结构复杂、故障监测难度大、故障特征信号较难处理、故障诊断难等特点，单一系统或关键部件的故障都会对系统整体产生较大影响[1]。为了减少和避免突发事故造成的安全隐患，需要对弧形闸门整体进行状态监测与故障诊断，及时有效识别关键部件的故障特征信号，分析其演化过程，制定维修策略，实现由“事后维修”到“全寿命周期监测”的转变。因此，建立一套弧形闸门实时在线监测和故障诊断系统，对闸门安全运行和功能的发挥具有重要意义[2]。

本文首先研究弧形闸门的系统组成，提出一套弧形闸门实时在线监测系统方案，在此基础上，详细介绍了故障诊断技术在整个系统中的应用。

1 弧形闸门的系统组成

1.1 弧形闸门关键部件

弧形闸门系统由闸门门体、预埋支撑构件及液压启闭设备构成。弧形闸门具有启闭省力、运行可靠、维护方便、闸墩的厚度较小、水力动力学条件较好等特点，广泛应用于各种类型的水利水电工程中。闸门本体由转动门叶、弧门支臂、支铰中心和阻水封装等部分组成，并配套建设相应的检修平台。预埋构件包括侧轨、底槛、顶楣和固定支铰座承重部分，一般均埋入混凝土内，起到配合止水和承力作用。启闭设备主要为液压启闭机，是闸门启闭的控制中枢，适应不同工况运行。弧形闸门的系统组成见图1。

图1 弧形闸门的系统组成

1.2 弧形闸门液压启闭机

液压启闭机为弧形闸门启闭的动力装置和控制装置，主要由液压泵、液压阀、液压缸、油箱和附件等关键部件构成(见图2)。

图2 液压启闭机系统组成

液压启闭机的主要工作原理：通过控制电机作用于液压泵，进而产生液压能，形成“电—机—液”的动力传递。在液压系统的控制下，液压缸内的活塞体内壁做轴向往复运动，从而带动连接在活塞上的连杆和闸门做直线运动，以达到闸门开启和关闭，具有转动灵活、行程准确、工作平稳、能有效吸收外负载力等优点，可实现液压流量控制、无级调速等功能。

液压启闭机的调节控制装置是液压控制阀组，主要包括节流阀、换向阀、限压阀和溢流阀等元件。通过对液压油的流量、方向和压力等进行调节，实现对液压系统的各种功能。液压启闭机的控制阀大多为标准元件，而且大部分采用插装技术。插装阀组具有机构紧凑、密封度好、综合集成度较高、噪声低等特点。但液压阀组的故障监测、运行维修和故障元件更换较为困难[4]。

2 弧形闸门在线监测系统方案

2.1 监测系统构成

弧形闸门正常运行过程中，闸门的门体、主梁、边梁、支臂等部位都将承受一定的应力。由于长期处于挡水工况，弧形闸门的支臂会受到水流的动力冲击，产生流激振动；通过监测闸门的运行姿态，可以实时观测其具体运行情况，并及时作出调整。对支铰轴的实时运行扭矩进行监测，并对其运行状态进行安全评估，从而实现弧形闸门的安全可靠运行。建立液压启闭机综合监测系统，实现对其压力、液位、流量、温度、油缸开度仪参数等进行监测。同时，对系统压力高低报警、油箱温度高低报警、油缸各腔室压力高低报警、滤油器堵塞报警和限位开关等反馈信号进行数字化处理，对整个设备运行状态进行数字孪生映射，从而实现控制设备的安全稳定运行。

弧形闸门实时在线监测包括静应力实时在线监测、动应力实时在线监测、振动响应实时在线监测、运行姿态实时在线监测、支铰轴承扭矩状态在线监测、液压启闭机综合状态在线监测。

2.2 在线监测系统方案

弧形闸门实时在线监测系统应该能够对其主要结构部件的静应力、动应力、振动响应、运行姿态、支铰轴承扭矩和摩擦信号、液压启闭机综合运行状态等进行实时数据采集、数据传输、数据预处理和简单分析。在此基础上，提出响应的运行维护策略，确保闸门的安全可靠运行。监测系统方案见表1。

表1 弧形闸门在线监测系统方案

3 故障诊断技术在弧形闸门运行中的应用

基于弧形闸门在线监测系统方案，可以实现对其运行状态进行全寿命周期管理，及时掌握其运行潜在故障，并做出相应的维护方案。整套在线监测系统采集的信号分为模拟量和开关量，通过建立特征信号与故障类型的映射关系，实现对关键部件的故障诊断。

3.1 应力监测诊断

在闸门不同工况运行过程中，闸门面板、主梁、支臂等关键部件都会承受一定的应力作用。通过设定应力的阈值范围，实现对构件的应力变化和结构强度的有效监测。

3.2 流激振动监测诊断

通过对弧形闸门支臂的流激振动信号进行时域和频域分析，设定阈值边界，以此评定闸门启闭过程的流激振动安全性。

3.3 运行姿态监测诊断

监测闸门运行倾角的变化，可以实时判断运行姿态，及时采取有效应对措施。

3.4 支铰轴监测诊断

支铰轴的安全状态对闸门安全可靠运行至关重要，对支铰轴的运行扭矩进行实时监测，分析支铰轴的摩擦信号，进行特征提取，建立相关模型，评估其潜在风险，为弧形闸门的正常运作提供保障。

3.5 液压启闭机综合监测诊断

通过对其压力、液位、流量、温度、油缸开度仪参数等进行监测，同时对系统压力高低报警、油箱温度高低报警、油缸各腔室压力高低报警、滤油器堵塞报警和限位开关等反馈信号进行数字化处理，对整个设备运行状态进行数字孪生映射，实现液压启闭机综合监测诊断。

弧形闸门在线监测与故障诊断系统(见图3)具有以下功能：在线监测关键部件的应力和振动及运行姿态等状态信息；阈值报警参数设置功能；温度和振动等关键信号参数趋势分析；故障录波功能以便于故障分析；运行状态实时数据显示和数字孪生三维映射显示功能；液压启闭机温度与压力融合监测诊断功能；人工智能故障诊断功能；振动时域信号分析功能；频谱信号分析功能；信号突变点分析功能；报表生成与打印；网络通信传输功能。

图3 弧形闸门在线监测与故障诊断系统

4 结 语

对弧形闸门系统整体进行状态监测与故障诊断至关重要。本文在详细介绍弧形闸门的结构组成基础上，分析了关键部件的监测方法，提出了一套弧形闸门实时在线监测和故障诊断系统，可实现弧形闸门实时远程化监测及全寿命周期管理，减少人力成本与误判，提高闸门科学管理水平，为弧形闸门的安全稳定运行提供可靠的保障。