双端扭转底轴的钢坝差分翻转性态监测方法、系统、设备及存储介质与流程

本发明涉及钢坝底轴的受载信息监测的，尤其涉及一种双端扭转底轴的钢坝差分翻转性态监测方法、系统、设备及存储介质。

背景技术：

1、钢坝是水利工程的重要设备，其启合过程的承载性态直接关系到整个工程的安全。由于复杂工况的水动力影响，以及摩阻、卡顿、转枢抱死等内、外约束叠加作用，钢坝运行工况和承载条件呈现复杂多变的特征。现行工程管理采用汛前试动作和巡视考核等简易安全措施，无法准确掌握钢坝运行性状，呈现一定盲目操作的特点，甚至可能诱发运行失事情况的发生。

2、目前，亟待解决以上问题。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的第一目的在于提出一种双端扭转底轴的钢坝差分翻转性态监测方法，为钢坝运行性态甄别和警兆辨识提供准确监测数据。

2、本发明的第二目的是提供一种双端扭转底轴的钢坝差分翻转性态监测系统。

3、本发明的第三目的是提供一种电子设备。

4、本发明的第四目的是提供一种计算机存储介质。

5、技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种双端扭转底轴的钢坝差分翻转性态监测方法，包括如下步骤：

6、在钢坝底轴表面部位上布置n组测试点，每一测试点上对应布置一个传感器；

7、获取双端扭转底轴上每一测试点部位的正交切应力，

8、根据测试点部位的正交切应力，获取离散测试点处的双端扭转底轴扭矩信息；

9、根据离散测试点处的双端扭转底轴扭矩信息，获取双端扭转底轴所受差分扭矩连续分布情况以及双端底轴除去两驱动端驱动不同步的底轴承载所受翻转扭矩信号；

10、根据双端底轴除去两驱动端驱动不同步的底轴承载所受翻转扭矩信号，获取对应的波动频率信息频谱，根据波动频率与固有频率进行校验比对，提取双端扭转底轴运行病害信息。

11、其中，测试点位置远离底轴支座30cm以内区域，测试点位于底轴相邻支座跨中部位处，且位于底轴横载面外廓相对门叶45°～315°区间内；传感器由一个0°应变片、一个45°应变片、一个90°应变片、一个135°应变片组成，或传感器由一个0°应变片、一个60°应变片、一个90°应变片、一个120°应变片组成。

12、优选的，获取双端扭转底轴上每一测试点部位的正交切应力的具体步骤为：

13、双端扭转底轴正交切应力按惠斯通电桥电路进行，通过电子测量方法获得双端扭转底轴轴线距离为ρ的测试点部位的正交切应力应变ε(ρ)测试值通过公式(1)获得，

14、

15、式中：为测试点部位处因受载引起的惠斯通电桥应变花电阻变化率；为应变花电阻变化引起的电压变化率；ε为材料受载应变；k为应变片材料的灵敏系数；

16、若传感器采用0°、45°、90°、135°布置应变片，则按照公式(2)获得正交切应力解算值σ1,2(ρ)和主应力的方向β；

17、

18、式中：σ1,2(ρ)为与双端扭转底轴轴线距离为ρ的测试点部位的正交切应力解算值，为单组测试点部位的正交切应力方向，e为底轴的材料弹性模量，μ为应变片材料的泊松比，ε0°(ρ)、ε45°(ρ)、ε90°(ρ)、ε135°(ρ)为0°、45°、90°、135°方位与双端扭转底轴轴线距离为ρ的测试点部位的应变测试值；

19、若传感器采用0°、60°、90°、120°布置应变片，则按照公式(3)获得正交切应力解算值σ1,2(ρ)和主应力的方向β；

20、

21、式中：ε0°(ρ)、ε60°(ρ)、ε90°(ρ)、ε120°(ρ)为0°、60°、90°、120°方位与双端扭转底轴轴线距离为ρ的测试点部位的应变测试值。

22、再者，获取双端扭转底轴扭矩信息的具体步骤为：

23、根据材料力学圆周扭转变形的平面假设以及静力学方程，将与双端扭转底轴轴线距离为ρ的测试点处获得的正交切应力解算值σ1,2(ρ)代入公式(4)，可得到该测试点处底轴翻转扭矩t；

24、

25、式中，t为双端扭转底轴所承受的扭矩，ip为双端扭转底轴的极惯性矩，ip＝∫∫ρ2da；ρ为测试点距离双端扭转底轴轴线的距离，a为底轴横截面面积。

26、进一步，所述获取双端扭转底轴所受差分扭矩t连续分布情况和双端底轴除去两驱动端驱动不同步的底轴承载所受翻转扭矩信号的具体步骤为：

27、根据布置在钢坝底轴受载响应显著的底轴表面部位上的n组测试点集合，n取偶数，在底轴左端建立一个坐标系，以闸门底轴为横坐标，以底轴差分扭矩为纵坐标；令测试点集合在底轴上的位置从左到右依次为{x1、x2、x3……xn}，并根据公式(4)计算出每一组测试点集合所对应的底轴差分扭矩大小依次为{t1、t2、t3……tn}；

28、以中间位置的测试点x(n+1)/2和测试点t(n+1)/2为界点，建立差分扭矩数据的左子集合{x1、x2、x3……x(n+1)/2}—{t1、t2、t3……t(n+1)/2}，差分扭矩数据的右子集合{x(n+1)/2……xn-1、xn}—{t(n+1)/2……tn-1、tn}，按公式(5)获得的差分同性区块

29、

30、式中：δti为相邻测试点差分扭矩，取δti＝ti-ti+1(i＝1，2……n-1)；

31、将差分同性区块数据按式(6)建立双端扭转底轴的主动端差分扭矩τ(x')，并按差异最小二乘法提出约束限定条件；

32、

33、式中：为主动端差分扭矩τ(x')的拟合函数，τ(x')为双端扭转底轴主动端差分扭矩t的分布方程，{α1、α2、α3……α(n+1)/2}为τ(x')的待定系数；

34、对公式(6)解算获得待定系数的唯一解α1*、α2*、α3*……α(n+1)/2*，双端扭转底轴主动端差分扭矩分布方程τ(x')，按公式(7)确定，

35、

36、根据τ(x')＝0，可以解算出双端底轴承载差分临界位置x'＝x'c*；

37、明确双端扭转底轴从动端的差分扭矩，按公式(8)拟合约束边界条件，获得从动端的差分扭矩数据集合

38、

39、式中：δti为相邻测试点差分扭矩，取δti＝ti-ti+1(i＝1，2…，c*)，

40、将差分同性区块数据按公式(9)建立双端扭转底轴的从动端差分扭矩γ(x')，并按差异最小二乘法提出约束限定条件；

41、

42、式中：{ξ1(x'),ξ2(x')……ξm(x')}为从动端差分扭矩γ(x')的拟合函数；γ(x')为双端扭转底轴从动端差分扭矩t的分布方程，γ(x')＝β1ξ1(x')+β2ξ2(x')+…+βmξm(x')；{β1、β2、β3……βm}为γ(x')的待定系数；

43、对公式(9)的解算，可以获得待定系数{β1、β2、β3……βm}的唯一解β1*、β2*、β3*……βm*，获得公式(10)双端扭转底轴从动端差分扭矩分布方程γ(x')，

44、

45、底轴最大差分扭矩t最大差分翻转按公式(11)确定，

46、t最大差分翻转＝τmax+гmax(11)

47、式中：t最大差分翻转为双端扭转底轴除去双端不同步的底轴承载所受翻转扭矩；τmax为为底轴主动端最大差分扭矩，гmax为底轴从动端最大差分扭矩，按式(12)取值；

48、

49、式中，l为双端扭转底轴长度。

50、优选的，所述提取双端扭转底轴运行病害信息的具体为：

51、根据双端底轴除去两驱动端驱动不同步的底轴承载所受翻转扭矩信号t最大差分翻转，通过对双端底轴翻转扭矩信号的连续n次，n取128或256或512，进行采样，每组n个最大翻转扭矩信号；

52、令连续时间信号g(t)＝{t最大差分翻转(1)，t最大差分翻转(2)……t最大差分翻转(n)}，建立快速傅立叶积分方法，提出工程病害频率信息；

53、连续时间信号g(t)的傅里叶变换按公式(13)进行，

54、

55、对于实际测试过程中获得有限长离散信号g(n)，n＝0,1,2……,n-1，是非连续的离散采样信息g(nt)，按公式(14)实现离散信号g(nt)的频谱分析；

56、

57、将g(n)分解为偶数和奇数两个序列之和g(n)＝g1(n)+g2(n)，g1(n)和g2(n)的长度都是n/2，g1(n)是偶数序列，g2(n)是基数序列，可推导出公式(15)；

58、

59、其中h1(k)和h2(k)分别为g1(n)和g2(n)的n/2点离散傅里叶变换，h1(k)和h2(k)均以n/2为周期，且所以h(k)可表示为公式(16)、公式(17)；

60、

61、采用128点或256点或512点数据的快速傅立叶积分fft分析法，n＝128，256或512，进行蝶式类型迭代计算后，通过比较各k值点的h(k)的大小，即各频率下的h(k)的大小，找出其中最大值与对应的波动频率信息频谱主频fα，以及次频fβ、再次频fγ，其中k即为频率f，可表示为公式(18)；

62、h(kα)＝max{h(0)，h(1)，h(2)，……，h(n-1)}→fα＝kα  (18)

63、根据主频fα、次频fβ、再次频fγ与装置固有频率进行校验比对，提取双端扭转底轴运行病害信息。

64、再者，还包括如下步骤：

65、当钢坝无水压作用时，将钢坝从合到开的全过程运行一次，侦知钢坝此时翻转性态的本底特性；当钢坝处于静止状态时，受到上下水压力作用，侦知钢坝持住时底轴差分扭转性态特性和数据；当钢坝泄水运行时，受到泄水激流水动力藕合作用，侦知钢坝各开度下持住时底轴差分扭转性态特性和数据；当钢坝启闭运行时，完成从静止开始运作，到目标开度的全过程监测。

66、基于相同的发明构思，本发明公开了一种双端扭转底轴的钢坝差分翻转性态监测系统，包括：

67、数据采集模块，用于在钢坝底轴表面部位上布置n组测试点，每一测试点上对应布置一个传感器；

68、正交切应力计算模块，用于获取双端扭转底轴上每一测试点部位的正交切应力，

69、双端扭转底轴扭矩计算模块，用于根据测试点部位的正交切应力，获取离散测试点处的双端扭转底轴扭矩信息；

70、最大差分翻转扭矩计算模块，用于根据离散测试点处的双端扭转底轴扭矩信息，获取双端扭转底轴所受差分扭矩连续分布情况以及双端底轴除去两驱动端驱动不同步的底轴承载所受翻转扭矩信号；

71、提取波动频率模块，根据双端底轴除去两驱动端驱动不同步的底轴承载所受翻转扭矩信号，获取对应的波动频率信息频谱，根据波动频率与固有频率进行校验比对，提取双端扭转底轴运行病害信息。

72、本发明公开了一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，

73、存储器，用于存储计算机程序，该计算机程序被处理器运行，执行上述的一种双端扭转底轴的钢坝差分翻转性态监测方法。

74、本发明公开了一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行，执行上述的一种双端扭转底轴的钢坝差分翻转性态监测方法。

75、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明通过受力构件切应力与双端动力扭矩呈现的差分动力学特性，结合电子测量技术，递归解算获取双端动力类钢坝翻转、持住运行的承载性状，满足在役钢坝运行病害甄别和警兆信息辨识的工程需要，从而切实保障钢坝安全可靠运行；本发明监测得到双端扭转底轴钢坝翻转、持住运行的承载性状，对于工程管理的信息过程感知和病害警兆预警，具有重要的工程现实意义。