船闸大型浮式检修门沉浮量自动检测设计

胡 航， 陈友之， 佘立子， 黎 攀， 熊 玥

（长江三峡通航管理局， 湖北 宜昌 443002）

0 引言

三峡船闸浮式检修门（后简称浮门）是一种用于辅助船闸闸室排干的浮箱式挡水门。在末级闸室检修时，需用拖轮牵引浮门至门槽下沉就位挡水，门体依靠浮门内水舱充水或排水实现检修门槽内的沉浮作业。浮门沉浮量是指浮门在检修门槽内沉浮作业期间，浮门门体下沉或上浮的数值，一般需精确到cm。沉浮量数据可用于判断浮门是否沉浮到位以及沉浮时浮门的浮态是否平稳，是沉浮过程中需采集的重要数据。

由于浮门使用频率不高、检修门槽环境特殊，三峡船闸现有浮门控制系统并未设计沉浮量自动检测功能。沉浮量数据采集主要是人工测量，测量作业涉及悬边，安全保障和安全监护难度大。人工测量的实时性、准确性、可靠性相对低，会造成沉放位置不合适需排水起升浮门，重复浮门沉浮作业，使沉放时间增加、沉放效率降低、安全风险增加。所以，研究实现沉浮量自动检测，对于减少浮门沉浮人员配置，降低浮门沉浮作业安全风险，提高沉放浮门效率，可靠保障检修安全有重要意义。

1 沉浮量检测需求分析

1.1 沉浮量检测精度需求分析

沉浮量检测精度需求根据两方面进行分析。

一是根据沉浮作业人员沉浮作业经验分析。当差值大于20 cm 或大于15 cm 且有上升趋势时需调整姿态，小于20 cm 且基本保持则判定作业平稳。浮门下沉至离门槽底槛50 cm 左右时，需中断沉浮流程进行浮门姿态调整确保浮门位置合适、止水面贴合后，再进行下沉操作，可知沉浮量检测精确到厘米即可。

二是根据浮门需要可靠反映的横倾高度差值ΔH 分析。电气控制系统中浮门横倾角度α 为2°时，系统开始预警；当α 为3°时，系统报警并触发沉浮作业紧急中断操作。已知浮门长度为L，高度为h，门槽宽度为b，浮门横倾角度为α，可以根据公式计算出浮门横倾高度差值ΔH。

1）当α=3°时，sin α=ΔH/L；

2）当α=1°时，sin α=ΔH/L；

3）当浮门卡在门槽时，α≈5.79°，ΔH=Lsin α；

代入现场数据可知，沉浮量精确到分米就能满足浮门姿态判断需求。综合可知，浮门沉浮量检测精确到厘米即可。

1.2 沉浮量检测量程需求分析

1）当检测方式为门体吃水测量时，沉浮量为浮门门体吃水值H。已知浮门门体常规排空吃水值为H1，三峡船闸下游水位为H2，门槽底槛高程为H3。则沉浮量H=H2-H3-H1。量程区间为Hmin～Hmax。Hmin=H2min-H3-H1，Hmax=H2max-H3-H1。

2）当检测方式为门体水上部分高程测量时，沉浮量为门体水上部分高程变化值H。已知门体高度为R，门槽底槛为H3，门体常规排空吃水值为H1，三峡船闸下游水位H2，则沉浮量H=（R-H1+H2）-[H2+R-（H2-H3）]=H2-H3-H1。量程区间为Hmin～Hmax。Hmin=H2min-H3-H1，Hmax=H2max-H3-H1。

可知，两种检测方式的量程均一致。

2 沉浮量检测方式与方法

浮门沉浮量的测量方式主要有两种方式。

2.1 门体水上部分高程测量方式

通过测量门体水上部分垂直水平面方向位移量变化，得出浮门沉浮量。主要的检测方法有如下几种：

1）基于拉绳式开度仪对门体水上部分的沉浮行程进行自动检测得出沉浮量。

这种检测方法在三峡船闸闸阀门活塞杆行程测量的应用十分成熟稳定。如能结合门槽环境设计出合适的测量、安装方案，沉浮量数据的精度、实时性均能可靠保障。但此方法测量数据的准确性受浮门在门槽内的横向位移范围影响。当横向位移较大时，会造成沉浮数据较实际值偏大，也会造成拉绳在出口处磨损。需实际试验测量横向位移情况对该方法测量准确性和设备的影响。

2）基于激光测距仪对门体水上部分高度值进行自动检测，换算得出沉浮量[1]。激光有光速不变性、方向性好的特点，理论上测量精度、数据准确性高。项目成员通过了解葛洲坝船闸、三峡船闸闸门合拢处门缝错位激光测量的应用情况，得知激光测量受环境光的影响较大，需设计装置隔离环境光保护光检测通路，才能保障检测的可靠准确。装置设计、安装难度大。

2.2 门体吃水测量方式

一种方式是测量、监测门体水下部分垂直水平面方向位移量变化，得出浮门沉浮量。浮门门体近似船舶结构，沉浮量的测量技术可参考船舶吃水检测技术。针对船舶吃水测量技术现状，查阅相关论文及应用技术，了解到现有的主要测量方法有压力传感器法、电子水尺法、激光水位测量法、图像处理法、声呐测量法等[2]。结合三峡船闸浮门现场情况总结筛选得出如下两种检测方法推荐研究应用。

1）基于压力传感器（如水位计）对浮门的吃水量进行自动检测，换算得出实时沉浮量。可通过在门体多处安装压力传感器，综合处理计算出沉浮量，以减少晃动和水浪等干扰的影响，增加测量的准确度。此方法的测量精度、可靠性、准确性是可以满足要求的。

2）基于电子水尺对浮门的吃水量进行自动检测，换算得出实时沉浮量。将数据采集仪和数字显示仪相结合。其原理是利用水的导电性测量两电极的电位差，从而测量出水位数据。从某种程度上讲，电子水尺的原理与压力传感器方法是一样的。

2.3 检测方式比选

对四种检测方式进行优缺点比较，结果如表1所示。

表1 四种检测方式优缺点比较

3 三峡船闸浮门沉浮量自动检测设计

结合比选结果，基于激光测距仪进行三峡船闸浮门沉浮量自动检测设计。基于激光测距仪的设计方案，采用将激光测距仪传感器本体安装在浮门门体端固定支座上，反射板固定在闸墙端可调节支架上的安装方式，安装方式简图如图1-1 和图1-2 所示。通过设计计算，在保证激光在允许偏转角度能打在反射板区域时，测量端的测量变化值即为浮门沉浮量。激光测距仪可独立显示沉浮量，也可接入控制系统，在人机界面显示沉浮量。

图1 激光测距仪安装方案

该设计方案的支架安装设计为两个部分，分别为浮门端传感器支座、闸墙端可调节反射板支架。传感器支座需根据测距仪传感器尺寸、浮门甲板安装环境进行设计，要具备传感器位置调整功能。可分解设计为浮门端固定支架、传感器调节位移平台、传感器安装板。

激光测距由激光测距仪发射激光至反射板，反射回激光测距仪。经过选型与测试，可选择具有质量轻、材料强度高、不易变形等优点的KT 板作为反射板。由于测量距离长，反射板反射面积需根据浮门横倾角度计算，确保浮门在允许的横倾角度内，激光可以发射到反射板上，有检测数据。反射板安装支架需根据反射板尺寸、闸墙安装环境进行设计，安装位置要在传感器反射区内且需结合传感器位置进行校准以满足反射要求。

4 结语

本文分析了三峡船闸浮式检修门沉浮量检测精度需求，针对目前三峡船闸浮式检修门沉浮过程中采用人工测量及依靠水箱内水位计监测的技术作为沉浮量存在准确性差、可靠性不强、人员工作量大且安全风险高的问题，基于成熟的检测技术探究了沉浮量的自动监测与测量的可行性，通过拉绳式开度仪、激光测距仪、压力传感器、电子水尺四种方案的对比，选定了基于激光测距仪为主体的实现浮门沉浮量自动检测的设计思路。通过三峡船闸浮门门槽内沉浮测试实验结果可知，该设计方案测量数据精准，分辨率高、响应速度快，满足三峡船闸浮式检修门沉浮量检测精度需求。