（水工结构工程专业论文）景洪水力式升船机承船厢受力特性分析.pdf

摘要 升船机承船厢属于大型而受力复杂的空间薄壁结构，对其受力进行准确的分 析，关系到升船机能否安全的运行。目前国内外在升船机方面的研究较少，比利 时和德国等国家有建成和使用较大规模升船机的经验可供借鉴。我国目前尚无升 船机的设计规范，只能参照国内外有关规范及标准。 目前，升船机承船厢结构的计算方法主要有平面体系薄壁结构计算方法、空 间刚架有限元计算方法和空间板梁组合结构有限元计算方法。其中美国a l g o r 公司的s u p e rs a p 通用结构分析软件应用较为广泛，属于空间板梁组合结构有限 元计算方法。本文以景洪水力式升船机承船厢为工程实例，采用河海大学李同春 教授自行开发的有限元计算程序对其进行计算分析。对升船机承船厢在自重、超 载、沉船、断绳等十几种工况下的刚度、强度进行了计算，对不同工况下承船厢 的计算结果进行了横向和纵向的对比分析。 文中阐述了承船厢结构不同计算方法的具体区别，并对采用不同计算方法得 出的成果进行比较分析。阐述了钢丝绳吊点位置、导轨作用位置对承船厢应力、 挠度的影响，对承船厢的设计提出合理的建议。 本文对垂直升船机承船厢各种机械设备作了详尽的介绍，对各种计算工况下 的荷载、约束条件作了明确的规定。水力浮动式升船机是一种新型的升船机，景 洪水电站升船机作为国内外首例这种型式的升船机，没有经验可供借鉴，许多问 题都还没有形成一套完整的设计计算理论。本文结合河海大学与南京水利科学研 究院的合作项目景洪水力式升船机承船厢受力特性研究对景洪水力式升船 机承船厢进行计算分析。通过计算分析，为景洪升船机承船厢的设计提供依据， 提出合理的建议。 关键词：升船机；承船厢；挠度；应力；刚度；强度 空间刚架结构；板梁组合结构； a b s t r a c t s h i pl i f tb e l o n gt ol a r g e s c a l ea n ds t r e s sc o m p l e xs p a c et h i n - w a l lc o n s t r u c t i o n ， p r e c i s ea n a l y s i st oi t ss t r e s si st h ek e yf a c t o ro fs h i pl i ts a f em o v e m e n t a tp r e s e n t f e wr e s e a r c hi nt h es h i pl i f ta s p e c ti nd o m e s t i cm a df o r e i g n ，b e l g i u ma n dg e r m a n y h a v ec o m p l e t ea n da r eu s i n gt h el a r g e s c a l es h i pl i f t ，t h es u c c e s s f u le x p e r i e n c ec a n h e l pu s o u rc o u n t r ys t i l ld i dn o th a v et h es h i pl i f td e s i g ns t a n d a r d w eh a v et or e f e rt o t e l a t e ds t a n d a r d sa n de r i t e r i o n s n o w , t h ec o m p u t a t i o n a lm e t h o do fs h i p1 i f fs t r u c t u r em a i n l yh a v et h ep l a n e s y s t e mt h i n w a l lc o n s t r u c t i o nc o m p u t a t i o n a lm e t h o d 、s p a c ef r a m ec o n s t r u c t i o nf i n i t e e l e m e n tm e t h o da n dp l a t e b e a mc o m p o s i t es t r u c t u r ef i 血t ee l e m e n tm e t h o d a m e r i c a n a l g o rc o r p o r a t i o n ss u p e rs a pg e n e r a ls t r u c t u r ea n a l y s i ss o f t w a r ei sw i d e s p r e a d b e l o n g st op l a t e - b e a mc o m p o s i t es t r u c t u r ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h i sa r t i c l er e c e i v e s t h ej i n g h o n gh y d r a u l i cs h i pl i f tc h a m b e ra st h ep r o j e c te x a m p l e ，u s e st h ef i n i t e e l e m e n tc o m p u t a t i o n a lp r o c e d u r ew h i c hd e v e l o p e db vh o h a iu n i v e r s i t yp r o f l i t o n g c h u n t h i sa r t i c l ec a l c u l a t et h ed e a d w e i g h t 、t h eo v e r l o a d 、t h es u n k e ns h i p 、 b r e a k st h er o p ea n ds e v e r a lk i n do fo p e r a t i n gm o d e s a n a l y s et h ec o m p u t a t i o n a l r e s u l to f s e v e r a lk i n do f o p e r a t i n gm o d e s t h i s p a l ：l e re l a b o r a t e dt h ec o n c r e t e d i f i e r e n c eo fs e v e r a l c o m p u t a t i o n a l m e t h o d s ，c o m p a r ea n da n a l y s et h er e s u l t o fd i f i r e r e n tm e t n o d s e l a b o r a t e dt h e i n f l u e n c eo fs h i pl i f tc h a m b e rr o p e sp o s i t i o na n dt h eo r i e n t e do r b i t p o s i t i o n ，b r i n g f o r w a r ds o m ea d v i c ef o rs h i pl i f tc h a m b e r sd e s i g n t h i sp a d e ri n t r o d u c e dt h em e c h a n i s mi ns h i pl i tc h a m b e r , c l e a r l ye x p l a i n dt h e l o a da n dr e s t r i c tc o n d i t i o n h y d r a u l i cf l o a ts h i pl i f ti san e w - s t y l es h i pl i f t j i n g h o n g h y d r e l e c t r i cp o w e rs t a t i o nh y d r a u l i ct o a ts h i pl i f ta st h ef i r s te x a m p l ei nt h ew o r l d h a v en oe x p e r i e n c e ，h a v en ow h o l ed e s i g na n dc a l c u l a t et h e o r ya tm a n yq u e s t i o n s t 1 1 i s a r t i c l ec o m b i n e dj i n g h o n gh y d r e l e c t r i cp o w e rs t a t i o nh y d r a u l i cf l o a ts h i pl i r c h a m b e rd e f l e c t i o na n ds t r e s sc a l c u l a t i o n a f t e rt h ec a l c u l a t ea n da n a l y s e ，o f f e rt h e g i s tf o rj i n g h o n gh y d r e l e c t r i cp o w e rs t a t i o nh 3 ，d r a n l i cf l o a ts h i pl i f t sd e s i g n ，a n d o f f e rl c l g i c a la d v i c e k e y w o r d s ：s h i pl i f t ；c h a m b e r ；d e f l e c t i o n ；s t r e s s ；s t i f f n e s s ；s t r e n g t h ；s p a c ef r a m e c o n s t r u c t i o n ；p l a t e - b e a mc o m p o s i t es t r u c t u r e ； 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 虽：鋈 j 。d 7 年月弓a 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布c 包括刊登) 授权河海大学研究生 院办理。 论文作者( 签名) ： 苤：耋扣唧年弓月，；。日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外通航建筑物发展概况 升船机和船闸是当今世界上船舶克服航道上集中落差的两种最主要的通航 建筑物型式。升船机是利用机械动力拖动承船厢作上升下降运动克服落差，船闸 则借助于闸室内水位变化升降船舶克服落差以达到通航目的。作为二者的结 合，水坡是7 0 年代发展起来的一种新型过船设施，它是通过机械动力带动浮载 船舶的楔形水体作上升下降运行，从而达到过坝的目的。1 。 早期兴建船闸主要为改善河道的通航条件，单纯作为航运工程在天然河道或 人工运河上建设。至2 0 世纪3 0 年代，世界各国才逐步开始在水利枢纽中建设 船闸。从2 0 世纪5 0 年代开始，美国和俄罗斯等国家，在大型水利枢纽中建成 了一批水头较高、规模较大的船闸，推动船闸建设向高水头、大型化和现代化的 方向发展”。 我国在2 0 世纪5 0 年代末期，开始在一些大型水利枢纽上建造船闸。6 0 年 代初，先后在湖南萧水建成了一座小型分开布置的两级双牌船闸和在广西郁江建 成了一座中型连续布置的两级西津船闸，开始了我国在大型水利枢纽上建设船闸 的历史。目前已先后建成了浙江富春江上的七里垅，江西赣江上的万安，福建闽 江上的水口，湖南沅水上的五强溪等船闸。2 0 世纪7 0 年代，我国开始在特大 型水利枢纽上修建通航建筑物。至1 9 8 1 年和1 9 8 4 年，长江葛洲坝工程先后建 成了1 号、2 号两座高水头大型船闸和一座3 号高水头中型船闸，从此开始了 我国在特大型水利枢纽上建设大型高水头单级船闸的历史，使我国在水利枢纽上 建设高水头大型船闸的技术迈入世界的前列。 国外升船机的发展史可追溯到很久以前。公元前6 0 0 年，在古希腊，科林斯 城堡的国王庇里安多斯曾在连接伯罗奔尼撤与希腊大陆的科林斯地峡建造过一 条长6 0 0 m 的滑道，沿斜坡拖船上岸并通过地峡，可视为国外斜面升船机的原始 形式”3 。现代升船机最早于1 7 8 8 年出现在英国的开特罩冶金工厂引水渠上，为 一双排纵向斜面升船机。 国外升船机应用较多的是前苏联、德国、比利时、英国、法国等国家。第一 河海大学硕士学位论文 座平衡重式垂直升船机1 8 0 9 年建于英国的塔得比格。比利时斯特勒比蒂厄双 线升船机是国外最大的平衡重式垂直升船机。前苏联西伯利亚叶尼塞河上的克拉 斯诺雅斯克升船机是当今世界上最大的自行式斜面升船机，其升降高度和过船吨 位均是当前世界上最大的，它还是国外唯一船厢下水的升船机。目前世界上最大 的平衡重式纵向斜面升船机是比利时布鲁塞尔一沙勒罗瓦运河上的隆库尔斜面 升船机，它是世界上第二大斜面升船机。横向斜面升船机中最大的一座是法国马 恩一莱茵运河上的阿尔兹维累升船机，建于1 9 6 7 年“1 。此外，国外较为有名的 升船机还有德国的亨利兴堡、尼德芬诺、吕内堡等升船机。 中国是世界上修建通航建筑物最早的国家，古代就曾经出现一种叫做“棣” ( 亦有叫“堰”、“堰棣”或“车船坝”) 的通航设施，这是我国斜面式升船机的雏 形。直至今日，在浙江杭州、宁波一带，还有不少古老的堰棣存在着，并且仍然 在航运中起着一定的作用“。 我国现代升船机技术发展的真正历史是从5 0 年代后期开始的。1 9 5 8 年，在 今机械委北京起重运输机械研究所成立了“三峡升船机联合设计研究处”，对三 峡升船机进行设计研究工作。同年，在浙江杭州老三坝建成了一座机动简易斜面 升船机( 该机载船5 t ) 。6 0 年代初，我国转入小型斜面升船机的研制工作。1 9 6 5 年在安徽省建成寿县湿运斜面升船机，这是我国第一座湿运斜面升船机，也是我 国第一座湿运中间试验机。1 9 6 6 年在总结了大通堰升船机的基础上，又相继在 宁波澄浪堰和胜利堰建成了高低轮式的斜面升船机。此后，小型斜面升船机在我 国各地开始受到重视，创造出不少新的型式。 近年来，我国在大中型升船机的研究方面进行了大量的工作。八十年代，三 峡工程重新提上了议事日程，对大中型升船机的科研工作顺利开展，并相继兴建 广西岩滩升船机和福建水口升船机。其中，福建闽江上的水口升船机采用全平衡 钢丝绳卷扬垂直提升型式，是目前国内己建或在建的最大升船机；而广西红水河 上的岩滩升船机是一座带平衡重垂直提升船厢下水式的升船机，在同类升船机 中，它是目前世界上最大的。清江隔河岩升船机也正在施工中，由于隔河岩升船 机的不少条件与三峡升船机有相同之处，它的设计采用了三峡升船机的科研成 果，现己将此升船机作为三峡升船机的中间试验机“1 。表卜1 ”1 中列出了国内外 大型垂直升船机的主要参数。 第一章绪论 表1 - 1高水头升船机主要特性 船厢净尺寸f 长 序 工程名称所在国家 提升高度过船吨位船崩加建成 宽x 水升船机型式 号f m 、 ( t ) 水重年份 深) ( m ) 蝶杆螺母保安星 l尼德芬诺德国3 61 0 0 08 5 1 2 2 54 3 0 0轮齿梯下衡垂直1 9 3 5 升船机 新亨利必双浮筒式垂直 2 德国 1 451 3 5 09 0 1 2 35 0 0 01 9 6 2 倦 升船机 阿尔兹维 4 04 52 2 卷扬式双船厢横 3法国4 4 63 5 09 0 01 9 6 7 勒 2 5 3 向斜面升船机 水坡式斜面 4 蒙特施法国1 333 5 01 2 5 x 6 37 51 9 7 2 升船机 4 54 5移动卷扬式垂直 ( 垂直1 ( 垂直1升船机卷扬式双 5丹江【_ l中国i5 0 ( 3 0 0 )3 3 1 07 0 91 9 7 3 4 l3 8 向下水斜面 ( 斜面1( 斜面) 升船机 大螺杆保安齿轮 6 f ：j 内堡德国 3 81 3 5 01 0 0 1 2 355 7 0 0 齿条爬升全平衡 1 9 7 5 垂直升船机 自行式( 液压马达 克拉斯诺 】5 0 0 7前苏联1 0 19 0 1 8 228 2 0 0 驱动) 带转盘双向 1 9 7 6 雅斯克 2 0 0 0 斜面升船机 平衡重式摩擦卷 9 1 1 2 3 5 0 0 0 - 5 8 隆库尔比利时 6 71 3 5 0 筒纵向斜面 1 9 6 7 3 77 0 0 升船机 9紧水滩中国8 2 93 0双向斜面升船机1 9 8 8 平衡重式钢丝绳 斯特勒 1 1 2 1 2 7 6 0 0 - 8卷扬垂直升船机 1 0 比利时 7 3 81 3 5 02 0 0 0 比蒂厄 33 5 q7 5 8 0 0( 卷简上设人力 矩制动器) 近期2 5 0部分平衡钢丝绳 1 1 岩滩中国6 85远景预留 4 4 l l1 8 1 8 8 7 5卷扬船厢下水式 2 0 0 0 5 0 0 垂直升船机 湿运全平衡钢丝 绳卷扬式垂直升 1 2水口中国5 92 x5 0 01 1 4 x1 2 2 55 5 0 02 0 0 3 船机( 差速安全锁 定装置) 第级4 0仝下衡钢丝绳卷 1 3隔河岩中国3 0 04 2 1 0 2 x 171 3 7 4在建 第级8 2扬式垂直升船机 3 河海大学硕十学位论文 1 2 垂直升船机的类型及运行原理 升船机按承船厢运行线路，分为垂直升船机和斜面升船机两类。垂直升船机 是承船厢沿垂直方向升降的升船机，主要有平衡重式、浮筒式和水压式3 种。斜 面升船机沿斜坡轨道运行，分为纵向斜面升船机和横向斜面升船机。水坡式升船 机可视为斜面升船机的一种特殊型式，船舶在坡槽中随水体移动而升降。 垂直升船机有平衡重式、浮筒式和水压式3 种，平衡重式可包括钢丝绳卷扬 式和齿轮齿条爬升式。钢丝绳卷扬式和齿轮齿条爬升式垂直升船机，都是利用平 衡重抵消承船厢和厢内水体的重量，提升机构来克服摩擦力做功引。浮筒式垂直 升船机利用浮筒从水中获得浮力来抵消承船厢和厢内水体的重量。水压式垂直升 船机是依靠作用于活塞上的水压力来平衡运动部分的重量。这种升船机都建成双 线，彼此的活塞缸用涵管连通，形成水压天平。在驱动力的作用下，一线承船厢 下降，另一线承船厢相应上升。水力浮动式转矩平衡重升船机是中国长江三峡工 程开发总公司郑大迪、史振寰于1 9 9 9 年发明的一种新型的升船机，这种升船机 与传统升船机相比具有其自身的优势，目前已获得国家发明专利。 垂直升船机有多种类型，其运行过程大致为： l 、主提升机构带动承船厢升降。 2 、承船厢上升至预定位置后，安装在船厢上的夹紧装置夹紧、顶紧装置顶 紧。 3 、上闸首工作闸门上的u 型对接密封装置与承船厢对接密封，并对间隙充 才( 。 4 、开启设在工作闸门上和承船厢上游端的卧倒门，承船厢内水体与上游水 域连通。 5 、船舶驶进或驶出船厢 6 、关闭工作闸门和船厢上游端的卧倒门。 7 、泻掉间隙水体。 8 、对接u 型密封装置脱离。 9 、夹紧装置、顶紧装置松开。 1 0 、承船厢下降至船厢池内，与下游水位平齐。 1 1 、平压后，开启承船厢下游卧倒门。 第一章绪论 1 2 、船厢内水体与下游水域连通。 1 3 、船厢驶出或驶入船厢。 1 4 、关闭承船厢下游端卧倒门。 1 2 1 钢丝绳卷扬式垂直升船机 钢丝绳卷扬式垂直升船机是平衡重式垂直升船机的一种。其利用卷扬机作为 提升设备，卷扬机由电机、大扭矩减速箱及卷简等组成。卷筒上绕有提升钢丝绳， 为防止提升钢丝绳与卷筒间产生蠕动位移，采用缠绕式联结。提升钢丝绳一端与 承船厢相连，另一端与平衡重相连，当电机带动卷筒旋转时，便可带动承船厢升 降唧。 钢丝绳卷扬式垂直升船机的安全装置由安全制动器、工作制动器和承船厢沿 程夹紧装置三部分组成。当发生事故需要紧急停机时，首先是电机按指令减速， 然后工作制动器投入，经延时安全制动器再投入，使提升装置迅速停止运转。但 是在船厢发生漏水，而且漏水量超过可控平衡重的重量时，安全装置就已无能为 力，这时还要投入沿程夹紧装置，抵御不平衡力。 1 2 2 齿轮齿条爬升式垂直升船机 所谓齿轮齿条爬升，就是利用对称安装在承船厢两侧的齿轮与安装在承船厢 室两侧塔柱壁上的齿条相互啮合。电动机经减速箱带动齿轮旋转，通过齿轮和齿 条的啮合作用带动承船厢升降【9 】。安全装置采用螺旋锁定装置，就是利用对称安 装的旋转螺母与保安螺杆相旋合。当承船厢因漏水产生较大的不平衡力时，驱动 装置停止运转，由于螺旋的自锁作用，承船厢被锁定在保安螺杆上。所以当齿轮 齿条式升船机在升降过程中发生船厢漏水事故时，驱动机构可自动停机，随后安 全机构发生作用，船厢被锁定在保安螺杆上，不需要外部控制信号介入。目前， 齿轮齿条爬升式升船机被认为是比较安全的升船机形式，我国的三峡升船机就是 采用的这种形式。国外的很多升船机也是采用螺旋锁定安全装置，如德国的尼德 芬诺升船机、吕内堡升船机等。 齿轮齿条爬升式升船机也有其自身的缺陷，如主要设备的制造、安装难度大， 塔柱的施工精度要求较高，塔柱结构变形对升船机正常运行有直接影响，影响驱 河海大学硕士学位论文 动机构和安全机构正常运行的因素复杂等等。 1 2 3 浮筒式垂直升船机 浮筒式垂直升船机与平衡重式垂直升船机的主要不同就是利用浮筒从水中 获得浮力来抵消承船厢和厢内水体的重量，而不是平衡重块。所以浮筒式升船机 不需要设置数量众多的钢丝绳、滑轮、卷筒及平衡重块，使承船厢变得十分简洁 美观。但是浮筒式垂直升船机适用于升程不高的升船机工程，因为升程高需在下 游河床高程以下修建很深的竖井，不但受地质条件约束，还会给工程带来许多麻 烦。浮筒式升船机采用螺母螺杆装置既作为升船机的提升装置又作为安全装置 【9 】 1 0 l 。从十九世纪末到二十世纪六十年代，德国人设计建造了好几座浮筒式垂直 升船机。如1 8 9 9 年建成的亨利兴堡老升船机( h e n r i c h e n b u r g ) ，1 9 3 8 年建成的 罗特赛升船机( r o t h e n s e e ) ，1 9 6 2 年建成的亨利兴堡新升船机 ( h e n r i c h e n b u r g w a l t r o p ) 。 升船机的浮筒放于竖井中，竖井顶部设有井盖，安装在浮筒顶部的支架穿过 井盖上预留的孔洞与承船厢底部实现铰接。浮简分为上、下两个隔离仓并充有压 缩空气，在浮筒的下隔离仓中设一下端敞开的平衡仓，当浮筒下沉时，平衡仓内 的空气被水压缩，浮筒上升时水压减小，平衡仓内的空气便膨胀，抵消了因支架 露出或淹没于水中产生的浮力变化。浮筒的结构如图所示： 浮筒在高水位时 浮筒在低水位时 图1 - 1 浮筒结构图 1 支榘 2 导向轮 3 浮筒上陌离仓 4 浮筒下隔离仓 5 平衡筒 6 竖井 第一章绪论 1 2 4 水力浮动式转矩平衡重升船机 水力浮动式转矩平衡重升船机是中国长江三峡工程开发总公司郑大迪、史振 寰于1 9 9 9 年发明的一种新型的升船机。这种升船机与传统升船机相比具有十分 明显的优越性，已获得国家发明专利【9 l 。 水力浮动式转矩平衡重升船机是利用浮筒浮力的变化来驱动承船厢升降，因 此不需要设置提升电机和低速大扭矩减速箱，避开了大型升船机设计、制造、安 装方面的难题，简化了升船机的传动机构及控制系统，提高了运行的安全可靠性。 这种升船机的平衡重与其它类型升船机的平衡重不同，它兼有平衡、提升、同步、 安全多种功能，能有效的防止冈承船厢漏水而发生重大事故。即使承船厢水体全 部漏空，依然可以升降、停靠自如。 钢丝绳卷扬垂直升船机及齿轮爬升螺旋锁定垂直升船机的平衡重，对重量有 要求，因为需要与承船厢保持平衡，对排水量没有要求，因为它们始终在空气中 运行。浮筒式垂直升船机，对浮筒的排水量有要求，因为需要利用浮筒从水中获 得浮力来抵消承船厢的重量，由于浮筒的浮力是恒定的，必须严格控制承船厢中 的水位，使承船厢与浮简之间保持平衡。水力浮动式转矩平衡重升船机则不然， 它的平衡重时而入水，时而出水，因此，既对平衡重的重量有要求，又对其排水 量有要求。要求平衡重的重量等于或略大于承船厢厢体重、厢内水体重及最大提 升力三者之和的两倍，平衡重的排水量要等于或略大于承船厢内水体体积与最大 提升力折合成的水体体积之和的二倍。 图1 - 2 水力浮动式转矩平衡重升船机原理图 札城同步蕞兢 动滑靶 平新针 竖牟 苷惯性连通管 持排阀 妄空闽 进水闽 承船厢 河海大学硕士学位论文 水力浮动式转矩平衡重升船机通过控制竖井中的水位，进而控制浮筒的淹没 深度，浮筒所受浮力随之变化，承船厢也就随之上升下降。当进水阀关闭时，打 开排水阀使竖井水位下降，水对平衡重的淹没减少、浮力减少，平衡重的重量便 增加，当增加值足以克服摩阻力时，承船厢就在平衡重的牵引下上升；反之，承 船厢下降。 1 2 4 1 升船机主要结构及部件 ( 一) 竖井 水力浮动式转矩平衡重升船机的平衡重竖井，对称布置在承船厢两侧承重塔 柱的腹腔内，竖井横截面为圆形并设置钢里衬。竖井内的最高水位等于上游最低 通航水位，这样，上游任何通航水位都有能力将竖井中的水充至此水位。竖井内 的最低通航水位等于下游最高通航水位，不论下游处于任何通航水位，竖井内的 水位都能降至此水位。达到这一条件后，平衡重在竖井内的活动就不受上、下游 水位变化的影响，顺利实现承船厢与上、下游对接。 承船厢出入水时，运行环境发生变化，由水中进入空气中或由空气中进入水 中都会导致运行速度出现突变。竖井与平衡重之间的间隙，不但影响突变量的大 小，还将影响平衡重的随动性。间隙越小，承船厢出入水时运行速度的突变量越 小，随动性越好；间隙越大，突变量越大，随动性也越差。根据推算，竖井与平 衡重之间的间隙的横截面积、承船厢水体横截面积、平衡简横截面积三者保持如 下关系，对承船厢的运行控制是有利的： 当升船机设置1 6 个竖井时 当升船机设置8 个竖井时： 当升船机设置4 个竖井时 竖井横截面积 。e 2 也2 i 高 只：壁 2 e e 只：壁 4 e e = e + e 第一章绪论 竖井直径n = 式中f 为承船厢水体横截面积，e 为平衡筒横截面接，e 为竖井与平衡筒 之问削隙的横截面积。如竖井横截面积、平衡筒横截面积、竖井与平衡筒之间 间隙的横截面积三者保持上述关系，承船厢出水时速度将增大1 4 ，入水时速度 将减小1 4 。一般情况下，水力浮动式转矩平衡重升船机设置8 个竖井是比较经 济合理的。 ( 二) 平衡重( 筒) 水力浮动式转矩平衡重升船机的平衡重兼有平衡、安全、负荷均衡、同步提 升等多种功能，是升船机最重要的部件。其特点是平衡重的重量应等于或略大于 承船厢体重、厢内水体重及最大提升力三者之和的二倍。平衡重的排水量应等于 或略大于承船厢内水体体积( 包括允许超载水体体积) 与最大提升力折合成的水 体体积之和的二倍。 在平衡重顶部装有动滑轮，卷简上的钢丝绳一端绕经动滑轮并经拉紧器、杠 杆式钢丝绳拉力均衡装置与支座相连接，另一端经拉紧器、杠杆式钢丝绳拉力均 衡装置与承船厢连接。这样平衡重升降二分之一升程，便可牵动承船厢升降全升 程。 平衡重为筒形结构，可用钢板焊接成金属筒，也可用钢筋混凝土制成，筒中 充水。不论用钢筋混凝土制成还是用钢板焊接而成，平衡筒的重量及排水量必须 满足要求。 大型高升程垂直升船机吊点多，钢丝绳用量大。运行时，钢丝绳由承船厢侧 转移至平衡重侧或由平衡重侧转移至承船厢侧，将造成上百吨重量的转移。钢丝 绳卷扬垂直升船机、齿轮齿条爬升式垂直升船机为了解决钢丝绳转移造成的不平 衡，往往采用与钢丝绳同等重量的平衡链，将承船厢和平衡重的底部相连接。由 于平衡链的移动方向与钢丝绳相反，抵消了因钢丝绳转移造成的不平衡。水力浮 动式转矩平衡重升船机的平衡重，能自动调节自身重量，始终与承船厢保持平衡， 不必设置平衡链。 胨 河海大学硕士学位论文 1 、平衡筒内水体直径的确定 上 位( 竖井最高水位) 升程 位( 竖井最低水位) 图1 _ 3 浮筒行程 由图1 3 可见，上游任何通航水位都具备使平衡重( 筒) 上升1 2 最大升程， 并将其h o 高度全部淹没的能力，承船厢只有在平衡筒h o 高度全部被淹没，失去 平衡简的平衡作用后，才能在自身重力作用下，沉入下游水中，实现入水对接。 可见平衡筒h o 高度内的水体，应等于承船厢内水体( 正常水深) 的二倍。 在入水对接时，平衡筒h 0 部分被竖井中的水淹没2 m 3 ，承船厢就失去l m 3 水的 平衡作用，不平衡力便使其沉入下游水中l m 3 。h o 部分全部淹没，承船厢失去平 衡筒的平衡作用，便沉入下游水中，实现入水对接。反之当承船厢内水体漏矢 l m 3 ，平衡筒h o 部分便沉入水中2 m 3 ，承船厢内水体全部漏矢，平衡筒h 。部分 便全部沉入水中，有效的防止承船厢漏水造成的严重事故。 因此，承船厢正常水深时的水体体积g 与h o 便成为确定平衡筒内水体直径 的重要数据。 d =厂薮f 、0 7 8 5 x z x h o 式中：d 为平衡重( 筒) 内水体直径，单位m e 一为承船厢内水体体积( 正常水深) ，单位n l 1 0 第一章绪论 z _ 一平衡重( 筒) 数量 h o 静平衡时平衡筒露出水面的高度( 参与平衡段) ，它等于上游 最低通航水位与下游最高通航水位和1 2 升船机最大升程的差。 2 、平衡筒高度的确定 由于平衡筒除了必须具备与承船厢保持平衡的能力外，还必须具备克服升船 机升降时可能遇到的最大摩阻力、钢丝绳由承船厢侧转移至平衡重侧或由平衡重 侧转移至承船厢侧所造成的最大不平衡及承船厢超载水重。这样平衡筒的全高h 应为： h = 0 + q = 矗i + k l 三9 ；辫i 式中：h 平衡筒高度，m h o 静平衡时平衡筒露出水面的高度即参与平衡段 上游最低通航水位一下游最高通航水位一1 2 最大升程 h l 静平衡时平衡筒淹没在水下的高度 g 承船厢允许超载水体的体积，m 3 g 2 钢丝绳最大转移重量折合成的水体体积，m 3 g 3 最大摩阻力折合成水体体积，m 3 k 安全系数，一般取1 1 3 、平衡筒筒壳金属结构及动滑轮的重量 平衡筒筒壳金属结构及动滑轮的重量，应该等于承船厢厢体金属结构及设备 重的二倍。筒壳钢板的厚度应保证平衡筒具有足够的强度和刚度，并考虑足够的 锈蚀余度。 必须强度的是，一定要用平衡筒筒壳金属结构及动滑轮的重量来平衡承船厢 金属结构及设备的重量。不可将承船厢厢体的重量的二倍计入平衡筒内的水体体 积中。 4 、平衡简的总重量 平衡筒的总重量等于筒内水体重加筒壳金属结构及动滑轮的重量，其总重的 1 2 大于承船厢及厢内水体重。 升船机静平衡时，h ，段( 能量储备段) 完全沉入水中，其重量被水的浮力抵 河海大学硕十学位论文 消，它是不参与平衡的。h o 段( 参与平衡段) 则露在水面以上，与承船厢及厢 内水体( 正常水深) 保持平衡。 承船厢超载时，在超载荷重的作用下，h 部分将露出水面，与超载荷重相平 衡，超载荷重越重，h l 露出水面越多。承船厢欠载时，h o 部分将沉入水中，欠 载越多，沉入水中越深。当承船厢中水体全部漏空( 最大欠载) 时，h 。全部沉 入水中。 可见，平衡筒只有露出水面的部分参与平衡，沉入水中的部分，其重量全部 “消失”在水中。平衡筒这种带“智能”的特性，不但保证升船机运行的绝对安 全，还使承船厢与下游航道入水对接成为可能。 ( 三) 同步装置 水力浮动式转矩平衡重升船机的同步装置由两部分组成水力同步装置 及机械同步装置。 1 、水力同步装置 为使各竖井中的平衡筒随水同步升降，必须将竖井底部相互连通，形成巨大 的连通管，连通管应是等截面的，并按等惯性原理设计。它的进水管与上游水库 连通，排水管接向下游。在进水管及排水管上装有进水阀和排水阀。分别开启或 关闭进、排水阀便可操作承船厢升降。在进水管与排水管交汇处设有安全阀，安 全阀为常开阀门，只有在进、排水阀故障时才关闭。 上游 图1 - 4 水力同步系统 进水管的进口处设拦污删及检修闸门，排水管出口处也设有检修闸门。关闭 第一章绪论 检修闸门排空管道中的水，可对连通管、竖井、平衡重、进水阀、排水阀和安全 阀进行检修。 2 、机械同步装置 水力同步系统( 等惯性连通管) 设置在竖井底部，而机械同步装置则设在竖 井上部的机房内。用同步轴，联轴节及换向齿轮，将各卷筒连成一封闭的矩形机 械同步系统，使各卷筒转速保持一致。 1 2 4 2 承船厢上升、下降过程及速度 ( 一) 承船厢上升过程及速度 o 图1 - 5 承船厢上升过程及速度图 1 、o a 段 进水阀处于关闭状态，排水阀接到开阀指令后，逐渐开启。竖井中的水位逐 渐下降，减小对平衡重的淹没，使平衡筒重量增大，当增大值足以克服升船机的 摩阻力时( 即到达a 点) ，平衡筒才开始带动承船厢上升。 2 、a b 段 承船厢逐渐上升，当速度达到指定速度v o 后，排水阀保持开度，停止开启。 这一时段运行时间为t o ，但必须保证承船厢的上升加速度不超过指定加速度a o 。 3 、b c 段 排水阀开度不变，承船厢以指定速度v o 上升。承船厢内正常水深为h ，这一 时段的运行时间为l l v o 。 4 、c d 段 排水阀的开度依然没有改变，承船厢上升速度由v o 增大到v l ，速度上升是 河海大学硕士学位论文 由于竖井与平衡筒之间的间隙导致的。 5 、d e 段 此时承船厢的上升速度为v ，出水后到达e 点，开启排水阀增大开度。 6 、e f 段 排水阀从e 点开始加大开度，一直开至f 点，使开度达到1 0 0 ，承船厢上 升速度由v 1 增大到最大上升速度v 。，加速度控制在a 0 之内。 7 、龟段 该段排水阀始终处于全开状态，由于竖井水位的不断下降，使泄水水头逐渐 减小，承船厢开始自然减速上升( 该段为抛物线) 。当承船厢上升至距上游对接 水位尚有一段距离时( 即g 点) ，计算机控制系统根据上、下游水位检测装置、 卷筒上的轴角编码器以及承船厢水深检测装置传来的信息，指令排水阀开始关小 开度。 8 、g h 段 排水阀开度关小，承船厢上升速度进一步减小。当速度达v 以时，排水阀 停止关闭，保持开度，准备对接。 9 、h i 段 承船厢以v 0 2 的速度继续上升。 1 0 、i j 段 当计算机控制系统收到升程检测系统反馈的信息后，下达关阀指令，排水阀 关闭，承船厢与上游实现准确对接。 ( 二) 承船厢下降过程及速度 图卜6 承船厢下降过程及速度图 4 s 户 看u 第一章绪论 1 、o a 段 进水阀接到开阀指令后逐渐开启，竖井中的水逐渐上升增加对平衡筒的淹 没，使平衡筒变轻，当承船厢与平衡筒的重量差足以克服摩阻力时( 达到a 点时) 开始下降。 2 、a b 段 进水阀继续开启至开度达到1 0 0 ( b 点) ，并使加速度不超过a o 。 3 、b c 段 这一时段进水阀始终处于全开状态，由于竖井中的水位不断上升，上游水位 与竖井水位之差逐渐减小，充水水头逐渐减小，承船厢下降速度亦逐渐减小( 自 然减速) 。当承船厢下降至与下游水位接近时( c 点) ，开始关小进水阀丌度。 4 、c d 段 进水阀开度逐渐关小，承船厢下降速度继续减小，当速度减至v o 时( d 点) ， 保持开度停止关闭。进水阀由c 点关至d 点应保持承船厢减速度不超过a o 。 5 、d e 段 该时段承船厢下降速度保持在v o ，运行至e 点承船厢开始入水。 6 、e f 段 由于竖井与平衡重之间间隙的作用，承船厢入水速度由v o 下降至v 2 。 7 、龟段 承船厢一直以v 2 的速度在水中运行。 8 、曲段 当厢内水位即将与下游水位齐平时( g 点) ，计算机控制系统根据升程检测系 统的反馈信息下达关阀指令，进水阀开度关至0 ( h 点) 。承船厢内水位也与下游 水位齐平，实现与下游入水对接。 1 2 5 垂直升船机承船厢机械设备 升船机机械设备主要有：主提升机、平衡重装置、承船厢导向装置、承船厢 加紧装置、承船厢顶紧装置、承船厢锁定装置、液压平衡装置、防撞装置、顶紧 密封装置、充泄水装置等【“i 。承船厢是升船机的重要组成部分，是升船机的容船 河海大学硕士学位论文 设施。他由主纵梁、主横梁、小纵梁和u 型铺板等焊接而成，是一凹槽形薄壁 钢结构体。承船厢两端各设一扇卧倒门，在两侧的主纵梁上设有吊耳，其数量与 位置依提升装置和平衡装置滑轮的布置方案而定，钢丝绳一端与吊耳相连，另一 端与平衡重相连。 1 2 5 1 提升装置 提升装置是带动承船厢上下运动的动力，提升装置的原理不同也使升船机分 为钢丝绳卷扬式、齿轮齿条爬升式、浮筒式、水力浮动式转矩平衡重升船机等多 种类型。卷扬式升船机的提升装置是电动机通过减速箱带动卷扬机卷筒旋转，并 通过缠绕在卷筒上的钢丝绳带动承船厢升降。齿轮齿条爬升式升船机是电动机经 减速箱带动齿轮旋转，通过齿轮与齿条的啮合作用带动承船厢升降 9 】 1 2 。浮筒式 升船机是利用浮筒从水中获得的浮力来抵消承船厢的重力，而不是平衡重块。浮 筒布置在竖井中，通过刚架与承船厢连接，而不是通过钢丝绳，所以浮筒式升船 机十分简洁美观。水力浮动式转矩平衡重升船机也设有浮筒，但是不是利用浮筒 的浮力来提升承船厢，而是利用浮筒的重量来提升承船厢。通过变化竖井中的水 位，使浮筒受到的浮力产生变化，使浮筒的重量产生变化，从而升、降承船厢。 1 2 5 2 平衡重装置 平衡重装置是为了平衡和抵消承船厢及厢内水重而设置的，有了平衡重装 置，提升装置只需克服传动结构摩阻力就能使承船厢升降，升船机才能实现以最 小的动力完成船舶过坝的任务【1 3 1 。 平衡重块由钢筋混凝土或铸铁块制成，与提升钢丝绳相连接的平衡重块称为 可控平衡重，与平衡钢丝绳相连接的平衡重块称为不可控平衡重。全平衡垂直升 船机要求可控平衡重与不可控平衡重重量之和等于承船厢及厢内水体重。每组平 衡重设置一套钢结构安全框，如发生断绳事故，平衡重落在安全框内的缓冲装置 上，从而确保整个平衡系统的平衡。在安全框上还设有导向装置保持运行时平衡 重在平衡重井内垂直移动。 1 6 第一章绪论 i 2 5 3 承船厢导向装置 在承船厢两侧对称布置导向装置，每组由横向及纵向导向装置组成。导向装 置由支座、导向轮、压力弹簧等组成，压力弹簧将导向轮推向塔柱上设置的导向 凸缘，凸缘上设有纵向及横向导轨，使承船厢运行时不发生摆动。 1 2 5 4 承船厢夹紧装置 承船厢两侧设有央紧装置，夹紧装置由支座、液压油缸和夹头组成。承船厢 与上、下游对接时，夹紧装置在压力油的驱使下将塔柱两侧的导向凸缘夹紧，确 保承船厢不因船舶进出船厢而摆动，夹紧装置还应该承担对接过程中上下游水位 变化造成的承船厢超欠载。当承船厢发生严重漏水事故时，夹紧装置还可以配合 设置在提升装置卷筒上的盘型安全制动装置承担不平衡力，以确保升船机的安 全。 1 2 5 5 承船厢顶紧装置 承船厢顶紧装置位于承船厢两侧相应于下游两个导向柱的上游侧。当承船厢 被夹紧后，通过液压油驱动马达将顶紧装置推出顶紧，抵消承船厢与上、下游航 道对接时，推出u 型密封装置所产生的水平推力及上、下游水的侧压力。 1 2 5 6 承船厢锁定装置 承船厢的锁定装置是当承船厢发生漏水事故时锁定船厢，也可以用于船厢 本身的维修。锁定块安装在主提升设备的吊具上，锁定钢梯安装在承船厢吊点横 梁的上、下游侧的提升段塔柱上，下端部埋入船厢室底板混凝土中。锁定时，钢 梯与锁定块配合工作，最终将不平衡力由船厢经锁定块传至钢梯，钢梯再传至底 板混凝土的埋件上【1 4 】。 河海大学硕士学位论文 1 2 5 7 液压调平装置 液压调平装置的作用是当承船厢发生倾斜时将其调平，并保证各吊点区钢丝 绳受力均匀。承船厢倾斜是因为运行时卷扬机卷筒直径及提升钢丝绳绳径的制造 误差及厢内水体涌动而造成的。液压调平装置由液压油缸、活塞、阀组、液压油 管路及液压装置组成。液压油缸与承船厢吊耳相连，油缸内的活塞杆通过拉紧器 与卷扬机卷筒的提升钢丝绳相连。 正常情况下活塞处于液压油缸的中间位置，当承船厢倾斜量达到预定值，计 算机监控系统根据活塞的偏移量及调节方向指令液压调平装置执行操作，将船厢 调平。船厢调平分为静态调平和动态调平，静态调平在升船机停机后进行，动态 调平在承船厢升降过程中进行。 1 2 5 8 防撞装置 对防撞装置的设计主要有两种方法。一种方法是设计成防撞索的形式，另一 种方法是设计成防撞梁的形式。 防撞索是采用钢丝绳两端连接缓冲油缸的柔性防撞形式。每套防撞装置由钢 丝绳、缓冲油缸、导向滑轮及支臂、调节螺母、螺杆、先导式顺序阀、密封油箱 等组成【1 5 】。船只与防撞装置发生碰撞是一个较为复杂的能量转化过程。船只失速 碰撞钢丝绳时，船只的动能主要是通过缓冲油缸做功和钢丝绳的弹性变形来吸 收。其特点是通过一套简单可靠的防撞装置，来达到升船机船厢防撞的目的。目 前此方法在国外有所应用，在国内还很少见。清江隔河岩升船机防撞装置就是采 用柔性防撞索形式【1 6 1 。 对于防撞梁方法，有两种形式可供选择： 1 、在防撞梁两端设置缓冲油缸，当船撞击防撞梁时，撞击力通过梁传递至 油缸，再经过活塞位移做功，从而吸收船只的动能；但由于防撞梁在船只进出船 厢时需要移至厢底，而进出船厢后又要伸出，并与缓冲油缸衔接，受船厢设备布 置的限制，在设计上存在较大的技术难度，是一个尚未解决的问题。 2 、第二种方法是取消缓冲油缸，直接通过防撞梁的变形来达到吸收船只动 能的目的。该形式结构简单，较易实现，由于船的动能较大，如果仅仅依靠防撞 第一章绪论 梁的弹性变形吸收能量，则势必会降低防撞梁的吸能效率，