一种闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法与流程

1.本发明属于水利工程技术领域，具体地说，本发明涉及一种闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法。


背景技术：

2.卷扬式启闭机目前通常采用荷重传感器的方法来监测钢丝绳的拉力。荷重传感器一般按照在启闭机轴承座下，当荷重传感器损害后，更换麻烦，需要对主设备进行拆卸，并且荷重传感器只测量垂直于传感器表面的力，当力的方向有变化时，测量精度则大大降低。
3.监测钢丝绳的拉力还可通过扭矩测量联轴器来监测钢丝绳的拉力，扭矩测量联轴器设置在卷扬式启闭机电机输出轴和变速箱输入轴之间，但是采用此办法需要改变启闭机原有结构，改动很大，难以在现有的启闭机上安装。
4.现有的闸门使用时，当闸门停靠在某一位置时，钢丝绳承受弧形闸门的重量，钢丝绳始终处于拉紧状态，弧形闸门正面受水流冲击而产生振动，当水流激振激起闸门的共振频率时，对闸门会有非常大的损坏。
5.公告号为cn216712943u的实用新型专利，于2022年6月10日公开了名称为一种闸门卡阻自动监测保护系统，该系统包括钢绳，钢绳上连接有张力传感器，张力传感器上连接有引出线，引出线的一端连接有智能数字显示仪，张力传感器的一侧安装有两个u型螺栓，两个u型螺栓与钢绳相互配合，u型螺栓的设置能够便于将张力传感器与钢绳之间进行固定，张力传感器上设有导向轮，导向轮与钢绳相互配合，导向轮的设置能够便于将钢绳上的拉力传递到张力传感器上。该闸门卡阻自动监测保护系统不能在现有的启闭机上安装，不能提升应力测试精度，不可降低闸门的损坏。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可在现有的启闭机上安装、应力测试精度高、可降低闸门的损坏的闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法。
7.为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
8.该闸门的钢丝绳应力测量装置，包括变速箱，所述变速箱侧方设有卷扬式启闭机，所述变速箱一端连接有电动机，另一端设有传动轴，所述卷扬式启闭机与变速箱通过传动轴连接；所述钢丝绳底端与闸门连接，所述钢丝绳上端与卷扬式启闭机连接，所述传动轴上设有数据采集模块。
9.所述数据采集模块包括扭矩应变片，所述扭矩应变片一侧设有温度传感器；所述传动轴上还设有集电环，所述集电环连接数据采集模块。
10.所述传动轴下方设有现地控制箱，所述现地控制箱包括路由器，所述路由器设在扭矩应变片下方。
11.所述集电环底端连接有碳刷，所述碳刷与电源连接。
12.所述闸门顶端设有吊梁，所述钢丝绳底端连接在吊梁上。
13.所述卷扬式启闭机成对设置在变速箱两侧。
14.一种闸门的钢丝绳应力实时监测方法，利用闸门的钢丝绳应力测量装置来实现，包括以下步骤：
15.1)采集数据采集模块的温度曲线与应力采集误差曲线，得到原始数据；
16.2)传动轴上设置数据采集模块和温度传感器，保持启闭机处于安装状态72小时，采集温度和应力数据，计算出扭矩应变片的零点温飘；
17.3)根据零点温飘和温度曲线修正因温度变化引起的应力测量误差；
18.4)上位机定期计算零点温飘，以更多数据修正应力测量数据；
19.5)上位机将应力模块采集的原始数据和零点温飘数据分别保存于数据库中不同的表格；
20.6)当零点温飘数据改变后，查看历史数据，系统直接分别调出原始数据和零点温飘数据并进行对比，将对比结果呈现给用户。
21.所述应力采集误差曲线的测量方法，包括以下步骤：
22.对数据采集模块采集的温度标定；
23.将数据采集模块放置在温度箱内，将标准应力模拟仪放置在室温环境中，连接数据采集模块与标准应力模拟仪；
24.改变温度箱的温度，记录数据采集模块在不同温度下采集的应力数据的误差。
25.所述零点温飘的测量方法，包括以下步骤：
26.在卷扬式启闭机为稳定工作状态时，对应力数据进行低通滤波处理；
27.通过最小二乘法拟合温度与应力关系曲线，消除应力数据中的特殊值和突出值，计算出扭矩应变片的零点温飘。
28.所述定期计算零点温飘的方法，包括以下步骤：
29.当卷扬式启闭机累计稳定工作时间每超过100小时，通过最小二乘法拟合温度与应力数据，得到新拟合的温度与应力关系曲线；
30.将新拟合的温度与应力关系曲线与先前拟合的温度与应力关系曲线重新以最小二乘法拟合，生成新的拟合曲线，消除应力数据中的特殊值和突出值，计算出扭矩应变片的零点温飘。
31.本发明的技术效果为：采用本发明的闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法，通过测量传动轴应力变化，对卷扬式启闭机闸门的钢丝绳应力的实时监测，利用温度传感器和扭矩应变片，解决户外扭矩应变片无法现场做温度试验的问题。通过现场自然温度变化，受力扭矩应变片应力变化，来解决传感器温度漂移的零点漂移问题，通过算法修正温度带来的零飘，提升应力测试精度。
32.该实时监测方法对钢丝绳应力的实时监测，传动轴上所粘贴的扭矩应变片上采集的数据，可以计算出钢丝绳所受拉力的情况，操作人员可根据系统计算结果判断闸门应达到的开启程度，从而避免水流激振激起闸门的共振频率，降低闸门的损坏，延长闸门的使用寿命。
33.该测量装置可以在现有的启闭机上直接安装，不需要对启闭机进行拆卸，维护方便，测量准确度高。
附图说明
34.本说明书包括以下附图，所示内容分别是：
35.图1是本发明的闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法的结构示意图；
36.图2是图1的局部放大图；
37.图3是本发明的闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法的卷扬式启闭机的剖视图；
38.图4是本发明的闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法的工作示意图；
39.图5是本发明的闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法的现地控制箱的示意图；
40.图6是本发明的闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法的集电环的结构示意图。
41.图中标记为：1、电动机；2、变速箱；3、传动轴；4、卷扬式启闭机；5、集电环；6、电容模块；7、数据采集模块；8、扭矩应变片；9、接收轴；10、闸门；11、碳刷；12、工控机；13、路由器；14、电源模块；15、卷筒；16、钢丝绳；17、吊梁。
具体实施方式
42.下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。
43.如图1至图6所示，该闸门的钢丝绳应力测量装置，包括变速箱2，变速箱2侧方设有卷扬式启闭机4，变速箱2一端连接有电动机1，另一端设有传动轴3，卷扬式启闭机4与变速箱2通过传动轴3连接；钢丝绳16底端与闸门10连接，钢丝绳16上端与卷扬式启闭机4连接，传动轴3上设有数据采集模块7。
44.为了避免闸门10的损坏和实现便于在已投入运行的设备上安装的目的，采取的技术方案为：在变速箱2的传动轴3上粘贴上扭矩应变片8，两个数据采集模块7分别固定在传动轴3上。扭矩应变片8可通过测量卷扬式启闭机4传动轴3的剪切应力来测量钢丝绳16的拉力。
45.如图1和图2所示，数据采集模块7包括扭矩应变片8，扭矩应变片8一侧设有温度传感器；传动轴3上还设有集电环5，集电环5连接数据采集模块7。
46.由于启闭机工作在户外，环境温度变化范围大。温度会对扭矩应变片8的输出产生较大的影响。为提升测量精度，需补偿温度对测量结果的影响。在扭矩应变片8附近安装温度传感器，把扭矩应变片8环境温度传递给上位机。
47.扭矩应变片8采用全桥的组桥方式，采用此种粘贴方式后，温度对测量结果的影响主要是应变片的零点温飘和采集仪的温飘，可降低温度对扭应变的影响。
48.其中扭矩应变片8和数据采集模块7可在发电机输出轴或者发电机与卷线盘之间的其他动力传送轴上粘贴。
49.设置集电环5并配电容模块6对数据采集模块7供电，集电环5由碳刷11供电，通过组装式集电环5解决了数据采集模块7供电问题。
50.传动轴3下方设有现地控制箱，现地控制箱包括路由器13，路由器13设在扭矩应变
片8下方。
51.数据采集模块7可通过路由器13无线传递扭矩信号，解决旋转轴应力数据传输问题。
52.如图2和图6所示，集电环5底端连接有碳刷11，碳刷11与电源连接。碳刷11对集电环5供电，现地控制箱的电源模块14同时为碳刷11、工控机12和路由器13供电。
53.如图4所示，闸门10顶端设有吊梁17，钢丝绳16底端连接在吊梁17上。吊梁17作为闸门10起吊和下落的平衡吊具，设置吊梁17可提高钢丝绳16控制升降闸门10的稳定性。
54.如图1所示，卷扬式启闭机4成对设置在变速箱2两侧。闸门10可安装多个钢丝绳16实现升降，可提高闸门10升降过程的稳定性
55.闸门的钢丝绳应力实时监测方法，利用闸门的钢丝绳应力测量装置来实现，包括以下步骤：
56.1)采集数据采集模块7的温度曲线与应力采集误差曲线，得到原始数据；
57.2)传动轴3上设置数据采集模块7和温度传感器，保持启闭机处于安装状态72小时，采集温度和应力数据，计算出扭矩应变片8的零点温飘；
58.3)根据零点温飘和温度曲线修正因温度变化引起的应力测量误差；
59.4)上位机定期计算零点温飘，以更多数据修正应力测量数据；
60.5)上位机将应力模块采集的原始数据和零点温飘数据分别保存于数据库中不同的表格；
61.6)当零点温飘数据改变后，查看历史数据，系统直接分别调出原始数据和零点温飘数据并进行对比，将对比结果呈现给用户。
62.应力采集误差曲线的测量方法，包括以下步骤：
63.对数据采集模块7采集的温度标定；
64.将数据采集模块7放置在温度箱内，将标准应力模拟仪放置在室温环境中，连接数据采集模块7与标准应力模拟仪；
65.改变温度箱的温度，记录数据采集模块7在不同温度下采集的应力数据的误差。
66.零点温飘的测量方法，包括以下步骤：
67.在卷扬式启闭机4为稳定工作状态时，对应力数据进行低通滤波处理；
68.通过最小二乘法拟合温度与应力关系曲线，消除应力数据中的特殊值和突出值，计算出扭矩应变片8的零点温飘。
69.定期计算零点温飘的方法，包括以下步骤：
70.当卷扬式启闭机4累计稳定工作时间每超过100小时，通过最小二乘法拟合温度与应力数据，得到新拟合的温度与应力关系曲线；
71.将新拟合的温度与应力关系曲线与先前拟合的温度与应力关系曲线重新以最小二乘法拟合，生成新的拟合曲线，消除应力数据中的特殊值和突出值，计算出扭矩应变片8的零点温飘。
72.零点温飘的计算原理如下：
73.由于应力采集设备在不同温度下，采集到的相同应力时，采集到的数据是不同的。
74.在数据采集模块7安装到启闭机前，在实验室内对数据采集模块7做温度试验。对数据采集模块7采集数据的温度标定，将数据采集模块7放置至温度箱，标准应力模拟仪放
在室温环境内，测试在不同的温度下，数据采集模块7采集相同应力时，采集的应力数据的误差，进而得到数据采集模块7的温度曲线与应力采集误差曲线。
75.由于启闭机安装在户外，扭矩应变片8安装完成后，无法用温度试验箱进行温度试验来标定不同温度下的零点漂移。因此需要在扭矩应变片8附近安装温度传感器，检测扭矩应变片8所处的环境温度。
76.在启闭机工作过程中，启闭机的工作状态除启闭机升降过程以外，其他工作状态都是稳态，即启闭机扭矩测量结果的浮动，与温度关联性极强。启闭机稳态时，钢丝绳16拉力相对稳定，但也受河水波浪的影响，钢丝绳16拉力有一定的浮动，因此选择启闭机工作稳定的时间区域进行计算。
77.当扭矩应变片8粘贴完成后，让启闭机保持安装时状态72小时。系统采集温度和应力数据，根据大量的温度和应力数据，通过经验公式得出零点温飘，
78.在计算零点温飘之前，需要摈除钢丝绳16拉力变化造成的应力浮动的影响。
79.首先对应力曲线进行低通滤波可消除钢丝绳16拉力的应力浮动，然后采用相关函数计算温度和应力的相关性。
80.其中低通滤波是一种过滤方式，可使低频信号正常通过，可阻隔、减弱超过设定临界值的高频信号。
81.利用最小二乘法拟合温度与应力关系曲线，通过最小二乘法消除应力数据中的特殊值和突出值，摈除了温度对应力采集误差的影响，从而对应力测量数据进行修正。
82.当零点温飘因外部环境因素改变后，操作人员查看历史数据，系统直接分别调出原始数据和零点温飘数据并进行对比，将对比结果呈现给工控机12上。
83.由于扭矩可直接反应钢丝绳16的拉力，通过对扭矩的测量，可实现对钢丝绳16的拉力的监测。操作人员可根据上述数据的对比结果并结合经过修正后应力测量数据判断钢丝绳16的应力情况，由于钢丝绳16的拉力可反应监测弧形闸门10的振动，为避免水流激振激起闸门10的共振频率，可调节闸门10的开启程度来避开共振区。
84.系统按照上述方法定期拟合温度与应力关系曲线结合零点温飘来修正应力测量数据：在启闭机工作稳定的时间区域，当累计稳定工况时间每超过100小时，对温度与应力数据定期按照上述方法处理。将新拟合的曲线与之前拟合的曲线，重新按照最小二乘法生成新的拟合曲线以修正应力测量数据。
85.如图1所示，电动机1控制变速箱2来调节两个传动轴3转动，进而带动卷扬式启闭机4内的钢丝绳16控制闸门10的升降。闸门10停靠在某一位置时，钢丝绳16承受弧形闸门10的重量，钢丝绳16始终处于拉紧状态。弧形闸门10正面受水流冲击而产生振动，弧形闸门10的振动可以一定程度的反应在钢丝绳16的拉力上。通过钢丝绳16的拉力可以监测弧形闸门10的振动，当水流激振激起闸门10的共振频率时，对闸门10会有非常大的损坏，闸门10的共振频率一般在40hz以内。
86.如图3和图4所示，卷扬式启闭机4通过卷筒15牵动钢丝绳16和吊梁17控制闸门10的上升和下降，为避开共振区，需要调整闸门10的开启程度。由上述步骤中对钢丝绳16应力的实时监测，传动轴3上所粘贴的扭矩应变片8上采集的数据和修正后的应力测量数据，可以计算出钢丝绳16所受拉力的情况，操作人员可根据系统计算结果判断闸门10应达到的开启程度。
87.如图5和图6所示，现地控制箱主要由工控机12，路由器13和电源模块14组成。现地控制箱的电源模块14通过碳刷11为集电环5提供电源，同时为工控机12和路由器13供电，由路由器13的接收轴9接收应变采集装置的信号，并由工控机12对信号进行分析处理，系统采样率应在80hz或以上。
88.通过扭应力测量来测量卷扬式启闭机4钢丝绳16拉力的方法如下：扭应力测量为在现场采用全桥粘贴扭矩应变片8的方式，同时在扭矩应变片8旁放置温度传感器测量环境温度。上位机根据温度和应变测量数据，启闭机工作状态，以及采集模块温度曲线，计算出扭矩应变片8的零点温飘。并根据计算出的零点温飘和温度曲线修正因温度变化带来的应力测量误差。上位机定期计算零点温飘，以更多数据修正计算误差。上位机以特定数据结构保存应力数据，以适应零点温飘系数的更新快速应用到历史数据中。
89.其中上位机计算扭矩应变片8零点温飘的方法为：首先判定启闭机的工作状态为稳定工作状态。对上位机稳定工作状态下的应力数据进行低通滤波处理，然后做温度和应力的互相关函数，计算温度和应力采集数据的相关性曲线，然后摈除温度对数据采集模块7采集误差的影响，进而计算出扭矩应变片8的零点温飘。
90.其中上位机以特定结构保存应力数据的数据结构为：数据采集模块7采集的原始数据单独保存于数据库的一张表格，零点温飘单独保存于另外的表格。当零点温飘改变后，查看历史数据时，系统直接分别调出原始数据和零点温飘数据，进行计算并将计算结果呈现在用户界面。
91.该闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法，通过测量传动轴3应力变化，对卷扬式启闭机4的闸门10的钢丝绳16应力的实时监测，利用温度传感器和扭矩应变片8，解决户外扭矩应变片8无法现场做温度试验的问题。通过现场自然温度变化，扭矩应变片8的应力变化，来解决传感器温度漂移的零点漂移问题，通过算法修正温度带来的零飘，提升应力测试精度。
92.该实时监测方法对钢丝绳应力的实时监测，传动轴3上所粘贴的扭矩应变片8上采集的数据，可以计算出钢丝绳16所受拉力的情况，操作人员可根据系统计算结果判断闸门10应达到的开启程度，从而避免水流激振激起闸门10的共振频率，降低闸门10的损坏，延长闸门10的使用寿命。
93.该测量装置可以在现有的启闭机上直接安装，不需要对启闭机进行拆卸，维护方便，测量准确度高。
94.以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种闸门的钢丝绳应力测量装置，其特征在于：包括变速箱(2)，所述变速箱(2)侧方设有卷扬式启闭机(4)，所述变速箱(2)一端连接有电动机(1)，另一端设有传动轴(3)，所述卷扬式启闭机(4)与变速箱(2)通过传动轴(3)连接；所述钢丝绳(16)底端与闸门(10)连接，所述钢丝绳(16)上端与卷扬式启闭机(4)连接，所述传动轴(3)上设有数据采集模块(7)。2.按照权利要求1所述的闸门的钢丝绳应力测量装置，其特征在于：所述数据采集模块(7)包括扭矩应变片(8)，所述扭矩应变片(8)一侧设有温度传感器；所述传动轴(3)上还设有集电环(5)，所述集电环(5)连接数据采集模块(7)。3.按照权利要求2所述的闸门的钢丝绳应力测量装置，其特征在于：所述传动轴(3)下方设有现地控制箱，所述现地控制箱包括路由器(13)，所述路由器(13)设在扭矩应变片(8)下方。4.按照权利要求3所述的闸门的钢丝绳应力测量装置，其特征在于：所述集电环(5)底端连接有碳刷(11)，所述碳刷(11)与电源连接。5.按照权利要求4所述的闸门的钢丝绳应力测量装置，其特征在于：所述闸门(10)顶端设有吊梁(17)，所述钢丝绳(16)底端连接在吊梁(17)上。6.按照权利要求5所述的闸门的钢丝绳应力测量装置，其特征在于：所述卷扬式启闭机(4)成对设置在变速箱(2)两侧。7.一种闸门的钢丝绳应力实时监测方法，利用权利要求2-6任一项所述的闸门的钢丝绳应力测量装置来实现，其特征在于，包括以下步骤：1)采集数据采集模块(7)的温度曲线与应力采集误差曲线，得到原始数据；2)传动轴(3)上设置数据采集模块(7)和温度传感器，保持启闭机处于安装状态72小时，采集温度和应力数据，计算出扭矩应变片(8)的零点温飘；3)根据零点温飘和温度曲线修正因温度变化引起的应力测量误差；4)上位机定期计算零点温飘，以更多数据修正应力测量数据；5)上位机将应力模块采集的原始数据和零点温飘数据分别保存于数据库中不同的表格；6)当零点温飘数据改变后，查看历史数据，系统直接分别调出原始数据和零点温飘数据并进行对比，将对比结果呈现给用户。8.按照权利要求7所述的闸门的钢丝绳应力实时监测方法，其特征在于，所述应力采集误差曲线的测量方法，包括以下步骤：对数据采集模块(7)采集的温度标定；将数据采集模块(7)放置在温度箱内，将标准应力模拟仪放置在室温环境中，连接数据采集模块(7)与标准应力模拟仪；改变温度箱的温度，记录数据采集模块(7)在不同温度下采集的应力数据的误差。9.按照权利要求7所述的闸门的钢丝绳应力实时监测方法，其特征在于，所述零点温飘的测量方法，包括以下步骤：在卷扬式启闭机(4)为稳定工作状态时，对应力数据进行低通滤波处理；通过最小二乘法拟合温度与应力关系曲线，消除应力数据中的特殊值和突出值，计算出扭矩应变片(8)的零点温飘。10.按照权利要求7所述的闸门的钢丝绳应力实时监测方法，其特征在于，所述定期计
算零点温飘的方法，包括以下步骤：当卷扬式启闭机(4)累计稳定工作时间每超过100小时，通过最小二乘法拟合温度与应力数据，得到新拟合的温度与应力关系曲线；将新拟合的温度与应力关系曲线与先前拟合的温度与应力关系曲线重新以最小二乘法拟合，生成新的拟合曲线，消除应力数据中的特殊值和突出值，计算出扭矩应变片(8)的零点温飘。

技术总结
本发明公开了一种闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法，包括变速箱(2)，变速箱(2)侧方设有卷扬式启闭机(4)，变速箱(2)一端连接有电动机(1)，另一端设有传动轴(3)，卷扬式启闭机(4)与变速箱(2)通过传动轴(3)连接；钢丝绳(16)底端与闸门(10)连接，钢丝绳(16)上端与卷扬式启闭机(4)连接，传动轴(3)上设有数据采集模块(7)，采用本发明的闸门的钢丝绳应力测量装置及实时监测方法，测量装置可在现有的启闭机上安装、应力测试精度高、可降低闸门的损坏。的损坏。的损坏。


技术研发人员：孙杰 吕孟东 章珈宁 薛静军 徐方 林义 王青华 朱春鹏 李福鹏 周猛杰
受保护的技术使用者：国家电网有限公司 国网新源集团有限公司 上海安乃基能源科技有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/15