２０１３年１２月 水运工程 Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｃ．２０１３ Ｎｏ．１２ Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．４８６ 第１２期总第４８６期 船闸平板输水阀门动力优化及 流激振动特性分析术 王新 ，严秀俊 （１．南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京２１００２９； ２．南京水利科学研究院通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏南京２１００２９） 摘要：针对船闸大尺寸平板输水阀门的流激振动问题，应用模态试验与有限元数值模拟相结合的分析方法研究阀门的 自振特性，指导阀门结构动力优化设计，通过水弹性模型试验研究阀门的流激振动特性。研究表明：阀门自振频率的试验 值和计算值吻合较好，振型完全一致；结构优化后基频显著提高，已完全脱离了水流脉动的高能区，流激振动响应较小， 不至于产生危害。 关键词：船闸；平板阀门；自振特性；流激振动；模型试验 中图分类号：Ｕ ６４１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—４９７２（２０１３）１２—０１５１—０４ Ｄｙｎａｍｉｃ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏｗ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｆｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｐｌａｔｅ ｖａｌｖｅ ｏｆ ｓｈｉｐ ｌｏｃｋ ＷＡＮＧ Ｘｉｎ ，ＹＡＮ Ｘｉｕ－ｊｕｎ （１．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ－Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｎａｍｉｎｇ ２１００２９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００２９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｌｏｗ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ｐｌａｔｅ ｖａｌｖｅ ｏｆ ａ ｓｈｉｐ ｌｏｃｋ，ｗｅ ｅｍｐｌｏｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｏｄｅ ｔｅｓｔ ａｎｄ ＦＥＭ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｓｅｌｆ－ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｔｅ ｖａｌｖｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｈｙｄｒｏ－ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ ｉｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｌｆｏｗ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｌｖｅ．Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｖａｌｕｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｌｆ－ｖｉｂｒａｔｉｏｎ￣ｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｄｅ ｓｈａｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｌｖｅ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ．Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ￣ｅｑｕｅｎｅｙ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ，ｗｈｉｃｈ ａｖｏｉｄｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｆｌｏｗ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｗｉｌｌ ｎｏｔ ｉｎｄｕｃｅ ｈａｒｍｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐ ｌｏｃｋ；ｐｌａｔｅ ｖａｌｖｅ；ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｆｌｏｗ－ｉｎｄｕｃｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ 阀门是船闸输水系统的咽喉，确保其安全可 靠运行至关重要。阀门非恒定流水动力特性较为 复杂，且门楣底缘等位置极易发生空化，加剧水 流紊动，常常引起阀门强烈振动。葛洲坝二号船 闸ｆｌ 输水阀门，０．６开度阀门振动强烈，加速度最 凝土塌落，导水板与底止水螺栓被剪断；湖南五 强溪船闸［２］、福建水口船闸【３ 输水阀ｉ＇ｑｏ．１开度内均 出现较强冲击型振动，振动加速度大于５．Ｏｇ。阀 门流激振动问题涉及外激励荷载和结构的本身固有 特性两个方面，外激励荷载作为振动的外因，通过 大均方根值达４．０ｇ，支铰固定螺栓松动，支座混 收稿日期：２０１３—０３—２８ 体型优化、采用ｄ，ｌ＇３槽、掺气等措施后可基本确 ￥基金项目：国家自然科学基金（５１１０９１４３，５１２０９１４４）；江苏省自然科学基金（ＢＫ２０１１１０９）；南京水利科学研究院 基金（Ｙ１１３００４） 作者简介：王新（１９８３一），男，博士，高级工程师，研究方向为水工水力学模型试验与数值分析。 水运工程 定，而阀门结构的动特性作为振动的内因，其基频 应尽量远离水流脉动的高能区，以免共振 ］。故 阀门结构动力设计是稳定运行的一个重要因素。 某船闸输水阀门采用平板门，阀门段廊道 尺寸为４．６ ｍ×６．０ Ｉｌｌ（宽×高），最大工作水头 １９．２０ ｍ。而已建船闸绝大多数采用的是反弧门， 平板门应用较少，相关经验匮乏，且与已使用的 桥巩、沙溪口平板阀门相比，该阀门又具有尺寸 大的特点，因此，有必要进行结构动力优化设计 及流激振动特性研究。本文通过模态试验与有限 元计算研究结构的自振特性，指导结构优化设 计，通过水弹性模型试验研究阀门流激振动特 性，评价其振动安全性。 １模态试验 对结构动力学方程作拉普拉斯变换，可得振 动系统传递函数： Ｈ（ｊｃｏ） 喜（ ＋ ）（１） 式中：Ａ ，Ａ：分别为ｒ阶模态的留数矩阵及其共轭； ，， ：分别为 阶模态特征值及其共轭。结构传递函 数包含结构的全部模态参数，因此，获取结构传 递函数并经参数识别后就可得到结构的动特性。 阀门动特性模型按弹性相似原理设计，模型 几何比尺Ｌ，＝１０，用有机玻璃精加工而成。根据 阀门构造特征，将阀门结构离散为６５个节点，每 个节点考虑横向 、水流方向，，、竖向 ３个方向， 共１９５个自由度，节点布置见图１。对逐节点施加 任意大小的力进行激励，同时记录激励力与固定 节点的 、 、 ３个方向振动加速度信号，经电荷 放大器滤波放大后送人计算机，通过时域复指数 拟合求出传递函数，进而取得阀门结构的模态频 率、相应的阻尼与振型。激励使用激振锤，力的 大小通过装于锤头的力传感器测量，振动响应则 用三向微型加速度传感器测量。 试验测得阀门前五阶模态频率和阻尼比列于 表１。闸门基频ｌ９．２３ Ｈｚ，一、二阶振型见图２，均 是沿面板法向的振动，一阶为反对称扭振，二阶 为对称弯曲振动。 表１ 阀门自振频率和阻尼比 图１阀门节点离散 ａ１一阶振型 ｂ）二阶振型 图２阀门振型 水运工程 ２０１３亟 性，重新制作比尺仍为１：１０的阀门弹性模型，对 修改后的阀门进行模态试验。将优化前后阀门前 相似的阀门全水弹性模型。在阀门上游面板形心 布置微型三向加速度传感器测量阀门的振动加速 五阶动特性参数列于表３进行对比。 表３阀门优化前后动特性参数对比 度，在阀门的面板、横梁腹板和翼缘、纵隔板、 边梁、吊耳等位置张贴多个应变计，测量阀门动 应力，试验在定水头定开度恒定流下进行。 以最大工作水头工况为例，阀门形心３个方向 振动加速度及不同构件的动应力列于表４。由表可 知，阀门在小开度（０．１～０．２）时振动相对较小， 在０．５～０．８开度范围阀门振动相对较大，与实际运 行中小开度时振动较大略有不同，主要由于采用 恒定流试验，启门初期的冲击型振动无法反映； 试验结果表明，阀门增设下游面板后基频显 著提高，由１９．２３ Ｈｚ增加到６０．７９ Ｈｚ，之后各阶频率 也都有明显的提升，对应的各阶振型完全相同。阀 门设计优化后，其自振频率已完全脱离了水流脉动 的高能区，不会出现危害性较大的共振。 ４流激振动 阀门３个方向振动以竖向最大，面板法向次之，横 向最小；最大振动加速度均方根值为２．８１ ｎ１／ｓ２，均 出现在竖向，最大动应力均方根值为１．７７ ＭＰａ，出 现在面板上；阀门下部动应力相对较大，上部动 应力相对较小。与正常运行的同类阀门实测振动 相比，该阀门振动不大，不至于产生危害，若考 虑实际工况下阀门良好止水的约束作用，振动还 会有所减小。０．６开度面板法向振动加速度时程及 尽管不会发生共振，但流激振动特性仍需进 一步研究。目前流激振动响应研究较可靠的方法 是水弹性模型试验，研制满足比尺要求的水弹性 功率谱密度曲线绘于图５，主频在５ Ｈｚ内，与水流 脉动主频基本一致。 材料，制作同时满足几何相似、运动相似和动力 表４振动加速度和动应力 ６ ，４ 暑 。 薏．： 瞽一４ ．６ 频率／Ｈｚ ６ １２ １８ ２４ ３Ｏ ３６ ４２ ４８ ５４ ６０ ０ 时间／ｓ 图５阀ｆ７ｏ．６开度面板法向加速度时程及功率谱密度 （下转第１７６页） 水运工程 砂为主，局部夹粉质黏土或粉土，而表层为新近 填粉细砂层含水量大，承载力低，而且其渗透速 度比中粗砂慢，如何快速有效排水是这一类工程 的关键。工程试验区结果表明高真空击密法是一 个快速有效的方法，对今后长江中下游类似工程 的吹填粉细砂，表层含水率高，承载力低，如何 迅速排水是本工程地基处理的难点和关键。本工 程采用高真空击密法加固地基，为找到经济合理 的施工参数，分别在散货堆场和件杂堆场设一个 具有参考价值。 参考文献： …１ ＪＧＪ ７９—２０ｏ２建筑地基处理技术规范【Ｍ】． 试验区。经过持续７ ｄ的高真空降水，Ａ区水位从 地表降低至地表以下３．５ ｍ，Ｂ区水位从地表降低 至地表以下３．１ ｍ，为强夯施工创造了良好条件。 Ａ区强夯能级为４ ０００ ｋＮ・ｍ，施工沉降为７２ ｃｍ； Ｂ区强夯能级为２ ５００ ｋＮ・ｉｎ，施工沉降为５８ ｃｍ。 【２］滕圣康，王金臻，徐士龙，等．高真空击密法加固水利吹 填粉煤灰地基的试验［Ｊ］．水运工程，２００４（７）：９－１２． ［３】虞剑英，陆渊．高真空击密法处理沿海软土地基的试验 研究［Ｊ】．水运工程，２００７（４）：７５—７９． 【４］ＧＢ ５００２ １－２００１岩土工程勘察规范［Ｍ】． 【５】ＪＴＳ １３３一ｌ—２Ｏ１０港口岩土工程勘察规范【Ｍ］． ［６］ＪＴＳ １４７—１—２０１０港口工程地基规范［Ｍ】． 试验区检测结果显示Ａ区容许地基承载力达到２２５ ｋＰａ 以上，０～８ ｍ内砂层平均标贯击数约２０．６击，平均端 阻 值约７．４８ ＭＰａ，满足设计指标要求；Ｂ区容许地 基承载力达到１９６ ｋＰａ以上，０～７ ｍ内砂层平均标贯 击数约１７．０击，平均端阻尸 值约６．２１ ＭＰａ，满足设 计指标要求。 本工程是一个典型的长江中下游地区吹填长 江粉细砂形成陆域的地基处理案例，其特点是吹 【７］龚晓南．地基处理手册【Ｍ］．３版．北京：中国建筑工业出 版社，２００８． （本文编辑郭雪珍） （上接第１５４页） ５结论 南京水利科学研究院，１９９０． 【２］骆少泽．五强溪船闸输水阀门流激振动原型观测报告【Ｒ］． 南京：南京水利科学研究院，１９９７． １）阀门模态试验与有限元计算得到的自振频 率吻合较好，阀门空气中基频在２０ Ｈｚ左右。阀门增 设下游面板后基频提高到６０．７９ Ｈｚ，已完全脱离了水 【３］骆少泽．水口船闸输水阀门流激振动原型观测报告【Ｒ］． 南京：南京水利科学研究院，１９９８． ［４】潘树军，王新．大型平面钢闸门流激振动模型试验与数 值模拟［Ｊ］．水电能源科学，２０１ １，２９（８）：１４８—１５１． 【５】高峰虎，李长寿，王新，等．五道水库泄洪洞工作闸门流 激振动研究［Ｊ］．黑龙江大学工程学报，２０１２，３（１）：１７— ２１． 流脉动的高能区（０～２０ Ｈｚ），不会出现共振。 ２）阀门流激振动响应竖向最大，面板法向次 之，横向最小，在０．５—０．８开度时振动相对较大， 最大振动加速度均方根值为２．８ １ ｍ／ｓ ，最大动应力 均方根值为１．７７ ＭＰａ，可见，结构优化后阀门振动 不大，不至于产生危害。 因此，平板阀门设置下游面板在满足门楣通 气要求的同时，增强了门体的整体刚度，对大尺 ［６ 刘亚坤，倪汉根，叶子青，等．水工弧形闸门流激振动分 ６］析［Ｊ］．大连理工大学学报，２００５，４５（５）：７３０—７３４． 【７］吴杰芳，让，余岭，等．闸门流激振动全水弹性模型 试验的原型验ｉｉＥ［Ｊ］．长江科学院院报，２００５，２２（５）：６２— ６４． 寸平板阀门流激振动控制较为有利，类似工程设 计可作参考。 ［８】严根华，阎诗武，樊宝康，等．高水头大尺寸闸门流激振 参考文献： ［１】阎诗武．葛洲坝二号船闸阀门振动原型观测报告嘲．南京 动原型观测研究【Ｊ】．水力发电学报，２００１（４）：６５—７５． （本文编辑郭雪珍）
