水力重力式垂直升船机的研究.docx

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水力重力式垂直升船机的研究

水力重力式垂直升船机的研究

　　论文关键词：

水力重力　垂直升船机　研究

　　论文摘要：

水力重力式垂直升船机工作原理是：

通过滑轮组、卷筒的钢丝绳缠绕系统，将船厢与重力水箱以两边平衡的方式对接起来，使得船厢与重力水箱的各起吊点互为钢性联接，有利于上下运行时保持很好的同步。

若要船厢下降，就打开重力水箱上的运行排水阀直接排水；若要船厢上升，就利用水库上游之水，给重力水箱中加水。

通过利用水的重力，改变两边对重的重力差，直接用重力水箱驱动船厢的上下运动，实现上下游水位的通航对接。

重力水箱的加水的原理是：

通过加宽供水口的面积，以减缓水的流速，采用多层供水方式，达到减小供水口与重力水箱之间的供水落差。

水是从蓄水箱的漫水孔板以漫出的形式流出，再顺着水幕墙板向下流入重力水箱，蓄水箱是多层的。

　　1　我国升船机的需求及研究水力重力式垂直升船机的目的

　　我国“十一五”发展规划纲要提出了有序开发水电，建设金沙江、雅砻江、澜沧江、黄河上游等水电基地及溪洛渡、向家坝等大型水电站的要求。

随着我国对西部地区开发力度的加大和西电东输的实施，水能资源开发势在必行，解决高坝通航问题作为水资源综合利用的重要组成部分显得愈为迫切和重要。

交通运输更是开发的重点，我国升船机建设数量也将会越来越多，升船机设计、制造、安装技术将得到进一步提高，升船机在西部水资源开发中将发挥越来越大的作用。

西部很多河流如澜沧江、金沙江、嘉陵江、西江、乌江、红水河、南北盘江等正处于梯级开发中，一大批航电枢纽亟待兴建，升船机应用前景广阔。

此外正在设计和拟建的还有构皮滩、思林、百色、龙滩等大型升船机工程。

同时随着西部水运的发展及科学技术的进步，也急需提高升船机的设计、管理及维护水平，保证升船机的顺利建设和安全运行[1]。

另一方面，众多水利、水电枢纽工程建筑作为航道上的节点，如一个梯级枢纽通航设施的不建、缓建或低标准修建，就会破坏内河航运的连续性，制约河流的通航能力甚至导致河流断航，就会形成中西部17条枢纽通航的“瓶颈”。

枢纽通航设施作为内河航道的一个组成部分，具有公共性和基础性，政府公共投入不足难以缓解电航矛盾。

造成部分具有重要航运功能，但建设成本较高的梯级建设难以开展，阻碍河流全江渠化进程；从而制约了内河航运的发展空间。

投入不足难以缓解电航矛盾，是否能从升船机制造上减少的成本？

本文力图研究、论证一种，结构更简单、制造更容易、维修更方便、投入更小、运行成本更低的升船机。

它是一种通过改变重力水箱内的水量，直接用重力水箱驱动船厢的水力重力式垂直升船机。

　　2　水力重力式垂直升船机的研究

　　国内与水力重力式垂直升船机相关的背景　

　　目前，为了制造出性价比更好的升船机，中国专利申请号：

提出的《滑轮组平衡升船机》，在每根平衡钢丝绳的两端各加上平衡滑轮组一个。

使船厢与平衡舵连接成整体，并相互平衡，再在船厢与平衡舵之间设起吊机若干部，起吊钢丝绳二根与起吊滑轮组二个等构件所组成，可使船厢升降，还可减少起吊力。

及中国专利申请号：

《水力浮动式快速垂直升船机》，是向提升竖井充水或排放提升竖井中的水，达到改变提升平衡筒的重量克服摩阻力促使船厢升降的目的。

这些方案各有长处，也有短处。

例如，正在建设中的三峡大坝升船机，其提升高度将达113m，提升重量达16000t，经过半世纪论证，升船机定型为：

齿轮齿条爬升、长螺母柱短螺杆安全装置的设计方案。

它的驱动机构由开式齿轮、齿条、液气弹簧、减速器、电动机等设备组成。

其齿轮齿条z=16、模数m=、齿轮直径D=、单节齿条长度4725mm，升船机设计概算基本方案确定的静态投资达到亿元。

它具有有先进的安全装置，但用于驱动船厢的机械设备之大，制造之难。

当船厢与闸首对接过程中误载水深超过正负5cm时，需启动船厢两端的可逆水泵系统进行调节。

　　水力重力式垂直升船机的原理简述

　　钢丝绳缠绕系统，水力重力式垂直升船机，通过滑轮组、卷筒的钢丝绳缠绕系统，将船厢与重力水箱以两边平衡的方式对接起来，使得船厢与重力水箱的各起吊点互为钢性联接，有利于上下运行时能保持很好的同步。

　　承船箱上下驱动方式，承船箱的上、下是用很简单的方法实现。

若要船厢下降，就排放重力水箱中的水，若要船厢上升，就给重力水箱中加水。

通过改变两边对重的重力差，使承船箱上下运动起来，实现上下游水位的通航对接。

　　重力水箱的加水的原理是，通过加宽供水口的面积，以减缓水的流速，采用多层供水方式，达到减小供水口与重力水箱之间的供水落差。

将水库上游之水导入蓄水箱，水是从蓄水箱的漫水孔板以漫出的形式流出，再顺着水幕墙板向下流入重力水箱，蓄水箱是多层的。

　　重力水箱的排水方式是，重力水箱上装有运行排水阀，打开运行排水阀可直接排水。

　　水力重力式垂直升船机的优势与忧虑　

　　众所周知，升船机比船闸节省水或几乎不耗水，船闸的制造难度也大得多，如三峡的船闸人字门、输水系统的制造都是非常复杂的，升船机的造价通常低于船闸。

升船机按承船厢运行的线路，分为垂直式和斜面式两类。

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。

平衡重式垂直升船机，在垂直构架上部装设有绕以钢丝绳的滑轮,钢丝绳的一端连接承船厢,另一端装有平衡重，组成一个平衡系统，大多用卷扬机牵引着，一上一下，彼此作方向相反的运动，称为卷扬式垂直升船机。

浮筒式垂直升船机建有浮筒井，井内装设浮筒。

浮筒顶部与承船厢底部相连，利用浮筒的浮力平衡和支持承船厢的重量。

又称为水力浮力式升船机。

１）、水力重力式垂直升船机它属于平衡重式垂直升船机，但它没有复杂、强大的牵引设备，因此，它的大小不受牵引设备制造难度的制约，可制造成大型的也可制造小型的，驱动机构直接简单、机械结构及建筑结构的制造相对容易。

运行时几乎不耗电。

２）、水力重力式垂直升船机对应于水力浮力式升船机。

但它没有难以制作和维护的浮筒井，水力浮力式升船机的运行是靠用水充满整个浮筒井，而水力重力式垂直升船机的运行，只需要在重力水箱中增加或减少一定的水量，因此水力重力式垂直升船机的耗水量要小得多，这就使得它的供水系统小的多，从而又能减小投入的成本。

３）、水力重力式垂直升船机与齿轮齿条爬升式垂直升船机相比，它没有复杂的机械传动机构和电力拖动装置，它的制造与安装容易的多。

因此，水力重力式垂直升船机有很好的应用前景与发展空间。

水力重力式垂直升船机的中国专利申请号：

2008103048990，按我国现在的体制，正在建设中的三峡大坝升船机，是经过半世纪论证。

水力重力式垂直升船机是被业界肯定还是被否定？

是否有机会被立项，论证、决策、试验与实施？

即使有，第一台水力重力式垂直升船机成功之时，也失去了专利在国外的圈地的机会，因为专利的国外申请费不是个人能承担得了的，也没有企业与之有相关利益并原意去承担。

小的水力重力式垂直升船机的模型非常容易实现，但是大型的真实的水力重力式垂直升船机，由于超大的尺寸会引起各种问题质的变化，有些问题可能是难以预料。

因此，水力重力式垂直升船机不仅需要理论上的论证，更需要实践的证明。

　　水力重力式垂直升船机的技术方案

　　水力重力式垂直升船机所采用的技术方案是：

通过滑轮组、卷筒的钢丝绳缠绕系统，将船厢与重力水箱以两边平衡的方式对接起来，使两边形成对重。

此结构使得船厢与重力水箱的各起吊点互为钢性联接，有利于上下运行时能保持很好的同步。

设计钢丝绳缠绕系统时，根据重量，大坝的水位条件，选择合理的钢丝绳直径和适当的滑轮组倍率,滑轮组倍率应选择大于1。

让船厢与重力水箱装满水后形成对重，并保持平衡。

若要船厢下降，就排放重力水箱中的水，若要船厢上升，就给重力水箱中加水。

通过改变两边对重的重力差，来克服钢丝绳缠绕系统的磨擦阻力矩，从而使承船箱能上下运动起来，实现上下游水位的通航对接。

　　重力水箱可以是两种配置方式：

其一是，重力水箱又作为配重水箱，同时起到配重的作用，这种方式重力水箱的体积较大，但只需要一套钢丝绳缠绕装置。

其二是，将配重单独的制作，并且按滑轮组倍率为１的方式与重力水箱对接起来，同时重力水箱也单独的按滑轮组倍率大于１的方式与重力水箱对接起来，这种方式需要二套以上的钢丝绳缠绕装置，但是用这种方式重力水箱的体积可以小很多。

　　重力水箱的加水的方法是，通过加宽供水口的面积，以减缓水的流速，采用多层供水方式，达到减小供水口与重力水箱之间的供水落差。

加水装置主要有：

进水管阀、进水管、匀水管、蓄水箱、漫水孔板、水幕墙板。

水箱在待令状态时，多层水箱从上到下每层是串联起来的，只需给上层允水，上层水箱漫出的水流入下层水箱，直到最底层的水箱允满。

其加水方式有两种：

第一种是，来自水库上游的水，通过进水管阀，进入供水管、匀水管，使水均匀的流入蓄水箱，蓄水箱能在船厢上升、下降与停止的过程中不断的加水，直至水满后才关闭进水管阀，采用这种蓄水方式能使得进水管路的直径以及阀门的口径大大的减小，需要用水时，又能以及快的速度排出到下一个水箱。

因为水箱中的水始终保持是满的，只要再有水流入时，水就会从蓄水箱的漫水孔板以漫出的形式流出，漫出的水顺着水幕墙板向下流，下面的重力水箱口部设有弹性接水刮板，接水刮板再将水引入重力水箱中。

例如若需要重力水箱下降时，将重力水箱之上第二层蓄水箱与第一层的蓄水箱之间的加水控制阀打开，则水会从重力水箱之上的第二层蓄水箱流入第一层的蓄水箱，再从重力水箱之上的第一层蓄水箱流入重力水箱，从而控制重力水箱下降。

水幕墙板起导水的作用，可以采用单水幕墙板，或双水幕墙板。

　　重力水箱的排水方式是，重力水箱上装有运行排水阀，打开运行排水阀可直接排水。

重力厢中的运行排水阀可以快速的排出水，让船厢以及快的速度下降。

重力水箱下面有出水仓，重力水箱的运行排水阀将水排入出水仓，从出水仓漫出的水，再从排水网孔板流出，经过排水网孔板下面的弹性出水导板，导至水幕墙板流下,这个过程只是为了减小水落下去的声音。

进水管与蓄水箱是多层的，是为减小供水口与重力水箱之间的供水落差，坝体越高，层数应该设计的越多，设计时根据实际情况，每层的间距可以是不匀等的，间距越小响应速度越快。

重力水箱在运动中，只需要将它上面的一至两层的进水阀打开控制就可以，通过位置传感器与PLC能实现这种控制。

　　重力水箱行程：

重力水箱行程的设计是保证在大坝的上游最低通航水位与下游最高通航水位之间，重力水箱行程就能正常运行。

在非正常的情况下，当大坝水位低于最高的一层蓄水箱时，水箱得不到上游的供水，在高处就不能向下运行。

但有相应措施可解决这种非正常时的问题，例如在蓄水箱上安装抽水泵，抽水泵只是在当大坝水位低于上游最低通航水位，并且低于最高的一层蓄水箱时启用，通过抽水泵向重力水箱的上二层蓄水箱连续的加水直至水满为止，从而能控制重力水箱下降。

由于上二层水箱能在船厢上升，下降和停止的过程中不断的蓄水，以及只要有能克服平衡时的磨擦阻力的水量就能使船厢下降，这样就能很大程度上减小抽水泵的功率。

另外，抽水泵也可以直接对上一层蓄水箱加水来驱动重力水箱，但这样船厢的速度就会受制于抽水泵的供水速度。

再如船厢上也同三峡大坝升船机一样，在船厢两端配置可逆水泵系统，通过用水泵对船厢进行加水与排水，来改变两边对重的重力差，克服钢丝绳缠绕系统的磨擦阻力矩。

　　升船机的安全问题：

运行安全是升船机的最为重要的事情，将重力水箱内用分仓隔板分成多个水仓，使得当其中的一或两个水仓出现故障时，仍能保证上下运行。

各水仓设有排水阀，运行排水阀它能排放的水位的是，使船厢的重量能克服钢丝绳缠绕系统的磨擦阻力矩，即船厢能向下运行。

运行排水阀的下层设有应急排水阀，它是在船厢有泄漏时，排放水以取得两边新的平衡，它的排放最低水位是，使船厢空厢时的重量与重力水箱平衡时的水位。

为了保证船厢与重力水箱的上下运行平稳，为加大安全系数，在船厢与重力水箱上都装导轮与导轨。

并在船厢与重力水箱上都装有导轨安全钳。

每根承重钢丝绳经过液压均衡油缸与船厢连接，钢丝绳的端部可安装重量传感器，当船厢发生倾翻前，各传感器的数置会发生较大差异，PLC会指令锁紧全部的安全制动器，防止船厢发生倾翻。

还有用对船厢与重力水箱水位对比控制，运行速度与运行方向的控制等多种方式来控制安全运行，在项层机房的定滑轮上联结旋转编码器以帮助实现速度与位置的控制。

另外，现有的工作制动器和安全制动器、盘形安全制动装置、限速器、安全钳、沿程锁定。

钢绳制动器、缓冲器等安全装置给了我们众多的选择，以便能制造出机、电、液联锁的安全性可靠的机构，来确保升船机的安全运行。

另一方面，水力重力式垂直升船机很多的结构与垂直升船机类似，所以我们可以借鉴其它升船机上的很多成功之经验，例如，塔柱结构安全性、船厢结构动力及水力特性，升船机的安全制动技术等以往的这方面的研究成果。

　　水力重力式垂直升船机固有的特性：

水力重力式垂直升船机其结构特点是，需要有可靠的供排水系统，它的主要元件是阀门，可供选用的有梭阀、锥阀、球阀。

水力重力式垂直升船机的速度特点是，当重力水箱中的水增加或减少，船厢由静止开始运动，其速度会越来越快，这如同自行车下坡一样，需要在运动的过程中间隔的减速。

另外在要到达船厢对接位时需要提前减速，以使船厢可由运动变成静止。

上面提到的，供排水阀的控制、船厢运动中的速度控制，船厢对接的位置控制，这都是要靠电器控制系统实现。

电器控制系统主要是采用组态软件、大型PLC、近年来还可用数字无线控制代替以往的光缆，以减少控制线的施工难度。

水力重力式垂直升船机可以在发生船厢水全部漏空的极端事故时，能通过重力水箱的快速排水，调节船厢与重力水箱的平衡。

水力重力式垂直升船机船厢与闸首对接过程中的误载水深，可通过重力水箱的进排水来调节。

　　附图说明与结构示意图

　　下面结合附图和一个实施例对水力重力式垂直升船机进一步说明。

图1是水力重力式垂直升船机的整体示意图。

图2是水力重力式垂直升船机的滑轮组、卷筒的钢丝绳缠绕系统与导轨结构示意图。

图3是水力重力式垂直升船机的重力水箱结构示意图。

图4是水力重力式垂直升船机的加水部份的结构示意图。

图5是水力重力式垂直升船机的进水管的结构示意图。

图６是水力重力式垂直升船机的三维模型效果示意图。

　　图中1.船厢、2.重力水箱、3.导轨、4.导轨液压钳、5.钢丝绳缠绕系统、6.动滑轮组、7.定滑轮组、8.导轨轮、9.漫水孔板、10.建筑支撑、11.蓄水箱、12.进水管阀、13.加水控制阀、14.出水孔板、15.水幕墙板、16.匀水管、17.进水管、18.匀水孔、19.弹性接水刮板、20.弹性出水导板、21.出水仓、22．过坝船、23.顶层机房、24.分仓隔板图1.水力重力式垂直升船机的整体示意图图2.滑轮组、卷筒的钢丝绳缠绕系统与导轨结构示意图。

图3.水力重力式垂直升船机的重力水箱结构示意图图4.水力重力式垂直升船机的加水部份的结构示意图图5.水力重力式垂直升船机的进水管的结构示意图图６.水力重力式垂直升船机的三维模型效果示意图

　　具体实施方式

　　图1是水力重力式垂直升船机的整体示意图。

图中过坝船（22）在船厢

（1）中，船厢

（1）与重力水箱

（2）形成平衡的对重，导轨（3）与导轨轮（8）运行时起平稳作用、建筑支撑（10）为钢筋砼结构、蓄水箱（11）可以用复合板材或砼制作，顶层机房（23）为砼结构。

　　图2钢丝绳缠绕系统，通过滑轮组、卷筒的钢丝绳缠绕系统，将船厢

（1）与重力水箱

（2）以两边平衡的方式对接起来，重力水箱

（2）对于船厢

（1）起到了平衡对重的作用，此结构使得船厢

（1）与重力水箱

（2）的各起吊点互为钢性联接，有利于上下运行时能保持很好的同步。

图例中钢丝绳缠绕系统的滑轮组倍率是2，船厢

（1）的行程是重力水箱

（2）的一倍，重力水箱

（2）装的水比船厢

（1）装的水多一倍，才能保持平衡。

　　若要船厢

（1）上升，就给重力水箱

（2）中加水。

重力水箱

（2）的加水的方式是，参见图5，来自进水管阀（12）的水，通过进水管（17），进入匀水管（16），水从匀水管（16）上的匀水孔（18）流出,匀水孔（18）均布在蓄水箱（11）中，水能较平稳的流入蓄水箱（11），蓄水箱（11）能在船厢

（1）上升、下降与停止的过程中不断的加水，直至水满才关闭进水管阀（12）。

因为蓄水箱（11）中的水始终保持是满的，参见图4，只要再有水流入时，水就会从蓄水箱的漫水孔板（9）以漫出的方式流出。

例如，将重力水箱

（2）之上的第二层蓄水箱（11）与第一层的蓄水箱（11）之间的加水控制阀（13）打开，则水会从重力水箱

（2）之上的第二层蓄水箱（11）流入第一层的蓄水箱（11），再从第一层蓄水箱（11）漫出，漫出的水顺水幕墙板（15）向下流，下面的重力水箱

（2）的口部设有弹性接水刮板（19），参见图3，弹性接水刮板（19）能在重力水箱

（2）的上下运动中保持与水幕墙板（15）表面的最小间隙，弹性接水刮板（19）再将水引入重力水箱

（2）内，从而控制重力水箱

（2）下降，本例中采用的是双水幕墙板（15）。

　　若要船厢

（1）下降，就排放重力水箱

（2）中的水，参见图3，在重力水箱

（2）下面设有出水仓（21），打开重力水箱

（2）中的运行排水阀将水排入出水仓（21），再从出水仓（21）上的出水孔板（14）流出，经过的弹性出水导板（20），导至水幕墙板（15）向下流。

弹性接水刮板（19）与弹性出水导板（20）用橡胶制作，这样可以在一定程度上消出水幕墙板（15）安装上的垂直度误差。

　　升船机的安全是最为重要的事情，将重力水箱

（2）内用分仓隔板（24）分成几个水仓，参见图3，能使得当其中的一或两个水仓出现故障时，仍能保持船厢

（1）上下运行。

各水仓设有运行排水阀，它能排放的水位的是，使船厢

（1）的重量能克服钢丝绳缠绕系统的磨擦阻力矩，即船厢

（1）能向下运行。

运行排水阀的下层设有应急排水阀，它是在船厢

（1）有泄漏时排放水，以取得两边新的平衡，它的排放最低水位是，使船厢

（1）空箱时的重量与重力水箱

（2）平衡时的水位。

上述提到的水阀为常闭型远程控式液压传动水阀，或者油路设计为常闭的。

为了保证船厢

（1）与重力水箱

（2）的上下运行平稳，船厢

（1）与重力水箱

（2）上都装有导轨轮（8）。

并在船厢

（1）与重力水箱

（2）上都装导轨安全钳（4）以加大安全系数。

在项层机房的定滑轮上联结旋转编码器的信号，作为船厢

（1）的方向、速度与位置控制的主要采集对比的数据。

　　小结：

水力重力式垂直升船机是一种利用水的重力，通过改变重力水箱内的水量，直接用重力水箱驱动船厢的升船机。

它的运行方式是，若要船厢下降，就排放重力水箱中的水，若要船厢上升，就给重力水箱中加水。

它非常简单但是能做好它就不简单，它没有复杂的电力驱动设备，它没有难以制造的浮筒竖井，建筑结构简单，维护方便，它的前期的投入成本低，后期的运行能耗小，有非常好的应用前景与发展空间，是值得去论证和实践的一种升船机。

水力重力式垂直升船机涉及专业之多之深，本文只是对水力重力式垂直升船机的浅层探讨与研究，只能作为抛砖引玉，希望能引起各决策层、专家、学者，升船机的实践者，对水力重力式垂直升船机的关心和支持。

目前，大型升船机的设计、制造、安装、调式的相对之难，在我国还没有一家单位可以独立完成。

同样若要实践第一台水力重力式垂直升船机，也离不开政府的支持，需要多家专业单位的协同合作。

由于水力重力式垂直升船机结构简单，在第一台的基础上，后面的水力重力式垂直升船机，有可能实现由一家大型制造厂独立完成，从而可以大大的降低水力重力式垂直升船机的制造与安装成本。

3参考文献

［１］．陶桂兰1，曾庆祥2、我国升船机技术发展综述

［２］．李颢，翟慧娟、中西部17条枢纽通航“瓶颈”调研报告

［３］．中国专利申请号：

滑轮组平衡升船机发明人：

许有根

［４］．中国专利申请号：

　水力浮动式快速垂直升船机

发明人：

郑大迪;孙志禹;张明君;鲁结根;朱红兵;陈先明;刘峰;李军;彭澎;尹庭伟

［５］．吴小宁、于庆奎　　升船机设计2（2007-11-16）

［６］．中国专利申请号：

2008103048990水力重力式垂直升船机　发明人：

许昌义