三峡大学 硕士学位论文 反弧门钢止水密封面同步仿形修复技术研究 姓名：张勤超 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：赵新泽 20100601 内 容 摘 要 弧形闸门（反弧门）越来越多使用钢止水密封，钢止水密封面在门体自重、水 压力、气蚀等作用下易发生变形与腐蚀损伤，造成闸门漏水。为保证钢止水的密封 性，需对钢止水密封面进行修复，所以反弧门钢止水修复技术日益受到水利水电工 程界的关注，本文以三峡水利枢纽工程船闸输水廊道反弧门为研究对象，在西部交 通建设科技项目（ “三峡船闸快速检修关键技术研究” （200732800074）子项目反 弧门钢止水修磨设备研制）的资助下，研究了反弧门钢止水密封面同步仿形修复技 术。主要内容包括： （1） 在分析三峡水利枢纽工程船闸输水廊道反弧门钢止水密封面特点与破坏原 因的基础上，根据边界条件及相关参数设计了反弧门钢止水同步仿形修复装置，该 装置由信息采集与检测模块、实现仿形功能的液压驱动部分和机械结构连结部分组 成，能完成反弧门钢止水密封面堆焊后的同步仿形修复工作。 （2）考虑系统刚度、强度及稳定性，根据有限元理论对修复装置的典型悬臂结 构-门架进行了有限元分析，据此提出了误差补偿要求。 （3） 运用多体系统理论建立了反弧门钢止水密封面同步仿形修复装置修复误差 的数学模型，并根据工程实际参数对模型进行了简化，使模型中只含有位置误差特 征分量及运动误差特征分量，为修复误差控制提供了方便。 （4） 运用 9 线辨识法对修复误差数学模型进行了误差辨识， 并根据辨识结果提 出了误差控制与补偿方案。 本文得到的结果可以为反弧门钢止水型式及精度设计提供参考，对于反弧门钢 止水同步仿形修复装置的进一步自动化实现具有较大意义。 关键词：反弧门;钢止水;密封面;修复技术;误差补偿关键词：反弧门;钢止水;密封面;修复技术;误差补偿 II Abstract Steel seal sealing is used more and more in radial gate(Anti-arc door),steel seal sealing surface is susceptible to deformation and corrosion damage under the gravity、 water pressure and action of cavitation, etc,it leads to gate leakage.So the steel sealing seal surface has to be repaired to ensure the sealing.In Water Resources and Hydropower Engineering,anti-arc steel door steel seal repair techniques have been concerned increasingly.The anti-arc steel door seal sealing surface synchronous profiling repair techniques has been studied in the paper based on the subject of anti-arc steel door in the ship lock of Three Gorges Water Control Project.In the same time,the paper was funded by the project of Western Transportation Construction Science and Technology( “The key technology of quick repair in Three Gorges ship lock”(200732800074).The main contents include: (1) According to boundary conditions and parameters,the anti-arc steel door sealing seal synchronous profiling repairing device has been designed through the analysis of the characteristics and damage causes about anti-arc steel door seal sealing surface in the Three Gorges water control project.The device consists of detecting module、the hydraulic drive part which has profiling functions and the mechanical structure part.It can complete the sealing seal surface synchronous profiling repairing work after the anti-arc door steel seal sealing surface has been welded. (2)Considering the stiffness、strength and stability of the device,the typical cantilever structure of the repair device has been analyzed based on the finite element theory，and the error compensation claims have been proposed. (3)Anti-arc steel door sealing seal repair error mathematical model has been set up based on the multi-body system，and the model has been simplified by the engineering parameters.So that the simplified model contains only the characteristics components of position error and movement error.Its convenient for error control. (4)The error of mathematical model has been identified by using the 9-line identification method,the method of error control and compensation have been proposed based on the results of the identification. The theoretical results obtained in this paper can provide reference for the type and accuracy design of anti-arc door.It is significant for the automation of the anti-arc steel seal sealing repair device. III Key words:Anti-arc door;steel seal;sealing surface;repair technology;error compensation 三峡大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文 中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 日 期： I 1 引 言 随着我国水电开发事业的不断推进，高水头、大容量水电站不断涌现，闸门在 高水头作用下止水的可靠性与合理性日益受到工程界的关注。已建水闸、水库的维 护也逐渐引起人们的注意，病险水库、水闸引发的事故已造成巨大经济损失。闸门 止水问题则更是关系到水闸、水库安全及维护的关键问题。闸门漏水不仅会损失水 资源，在电站蓄水过程中损失动力，也会引起闸门腐蚀，损失大量钢材。更严重的 是，闸门漏水会引起闸门止水振动，在闸坝上游面激起驻波，直接威胁到大坝的安 全。因此，解决好闸门止水问题是关乎到电站、水闸安全与国计民生的大事。 反弧门因启闭特性好、受力稳定而在水电工程中被广泛采用，同时钢止水也因 其检修周期长、止水效果好，而在反弧门止水中被广泛采用。因此，研究反弧门的 钢止水问题具有重要意义，在传统的反弧门钢止水修复中，大多采用人工堆焊，然 后手工打磨的方法。该法效率低，成本高，施工人员安全风险高，本文提出的反弧 门钢止水密封面同步仿形修复技术，可以很好的克服传统修复工艺之不足。而且堆 焊修复后的钢止水密封面密封性好，能很好的解决反弧门钢止水修复问题。本文在 反弧门钢止水密封面同步仿形修复方法基础上设计了钢止水同步仿形修复装置，并 对该装置的误差进行了深入研究，根据误差辨识提出了误差控制及补偿措施，对进 一步提高修复精度，更好解决反弧门钢止水修复问题具有重要指导意义。 2 1 绪论 1.1 项目背景及研究意义 随着我国水利水电事业的发展，高水头、大流量水电站不断开发，闸门在高水 头作用下止水的可靠性与合理性日益受到工程界的关注1。闸门漏水是一个比较普 遍的问题，它使水库、河道或渠道的水量遭受不应有的损失，在抽水灌溉时则更损 失了动力2。闸门的漏水也可能使门体构件遭受锈蚀等损害，这样会缩短闸门的使 用寿命，损失大量钢材。更严重的是闸门漏水可能引起止水振动，止水振动可能诱 发激励使闸门产生强烈振动3。闸门的振动对大坝乃至整个水利枢纽工程的安全性 影响更不容忽视，如果不及时处理会对人民的生民财产安全造成很大威胁。 世界上曾多次发生因闸门结构运行失事而导致人民生命财产遭到重大损失的 事件，经验教训极其深刻。有资料表明美国阿肯色斯河工程的溢流闸门曾因底止水 漏水造成振动，在上游面激起驻波。美国某抽水蓄能电站由于机组前弧形闸门运行 疏忽， 造成地下厂房淹没事故4。上世纪 70 年代哥伦比亚德尔蒙特坝深孔式泄水道 上的一扇闸门汛期运行时被破坏，使所在地区遭受很大损失，造成 80 人死亡的严 重后果4。 我国亦发生过多起因闸门漏水，导致闸门结构发生强烈振动而破坏的事件。据 不完全统计，我国已有 20 多起低水头弧形闸门失事破坏的实例，尤其是表孔弧形 闸门。例如，国内八盘峡水电站泄洪底孔闸门由于止水射水引起过振动3。江苏埠 山水闸工作弧门及河南三义寨渠首工作弧门均因受到特殊水动力荷载的作用引发 闸门结构强烈振动，使之难以正常运行。浙江胶口水库底孔工作闸门在水动力荷载 作用下发生强烈振动而破坏造成重大损失4。 据资料统计，截止到 2006 年我国已建成各类水库 85849 座，水闸 41209 座5， 这其中有些已经运行三、四十年还未进行系统检修，病险水库在水电工程中的比例 在逐渐增大，到 1999 年底统计，大型水库病险水库近 34%，中型水库近 40%，小 型水库达 42%以上，其危害程度显而易见。例如，江西省某水电站已运行 40 多年， 其溢洪道弧门面板、主梁、小横梁支腿等锈蚀严重，焊缝错边，止水橡皮老化、损 伤、漏水严重6。