激光测振系统在水工金属结构上的应用

　　1　振动及其对设备的危害

　　振动是当弹性体受到外部动力作用时的一种自然现象,它是一种周期运动。在振动理论中,振动现象可以分成4种类型,即自由振动、强迫振动、参数振动和自激振动。对于n自由度(线性)粘性阻尼系统,确定系统势能函数为

　　质量矩阵[M]、阻尼矩阵[C]和刚度矩阵[K]通常都是实对称的矩阵。根据比例粘性阻尼系统的实模态理论和非比例粘性阻尼系统的复模态理论,得到运动方程的通解。

　　在大多数情况下,振动是有害的,往往破坏机器的正常工作,振动的动载荷使机器加快失效,降低机器设备的使用寿命甚至导致损坏造成事故,振动的机器产生噪音,极大地危害到人类的健康而被列为需要控制的公害。

　　水工金属结构上的闸门、启闭机在启闭过程中和水轮机在高速旋转过程中,这些设备和埋件往往会出现强烈的振动现象。水工金属结构的强烈振动不但会产生较大的噪音,而且由于振动造成的疲劳破坏,可能使结构本身撕裂或产生较大的变形,从而影响到整个结构的正常使用;有时破坏达到相当严重的地步,以致造成整个闸门、启闭机、埋件及其周围建筑的破坏,甚至将影响到整个水利工程的正常运行。

　　2　振动原因的分析

　　闸门振动的原因多是由于动水作用的不平衡所引起的。闸门可以看作是一个弹性整体,在外力作用下,将会产生与之抗衡的弹性力、阻力、惯性力等。若外力是时间的函数,闸门中除了产生弹性力外,将出现阻力和惯性力。这些力的出现,导致闸门产生了振动。闸门产生振动的原因很多,止水振动是引起闸门振动的主要原因之一。此外,闸门底缘形状不好形成的水流紊动;门槽不平整使提升闸门时摩擦不均匀;电流电压的不稳定使启闭电机产生的窜动等均是诱发闸门产生振动的原因。

　　根据国内外的原型观测与模型试验结果分析,止水振动造成闸门的振动是由于止水与止水面(侧壁)间存在初始缝隙δ(见图1)。在上游水位较低时,通过止水缝隙的流速v较小,止水断面内外压差不能克服止水的弹性,从而止水不会发生振动。当上游水位达到某一高度时,止水断面外压力达到pro。由于上游水头增加,缝隙中流速v也加大,止水断面内压力降低较大。止水断面内外压差加大,迫使止水产生一个向止水缝隙减小方向的运动。缝隙δ减小了,通过的流量也减小了。由于水流的惯性,流来同样多的水流,因此产生一附加水头,附加水头与原来的压差共同作用,迫使止水压在侧壁上,造成止水关闭,流速变为零。此时附加水头消失,止水由于弹性而复位,水流又冲入缝隙,开始了下一次的循环。因此周而复始产生的冲击,即是闸门产生振动的原因。而维持这种振动的能量是上游水头。这种振动的干扰力不是周期性的,而是由于止水本身的原因,造成水流周期性的冲过缝隙和停止,所以这种振动属于自激振动的范围。