水力浮动式快速垂直升船机.docx

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水力浮动式快速垂直升船机

水力浮动式快速垂直升船机

　　水力浮动式快速垂直升船机是在水力浮动式转矩平衡重升船机的基础上研发出的一种安全、高速、节水型垂直升船机，它与水力浮动式转矩平衡重升船机相比，可节约大量的操作用水；与钢丝绳卷扬垂直升船机相比，运行更加安全可靠；与目前国内外各类垂直升船机相比，这种升船机的升降速度有较大幅度的提高；如果与同等规模的船闸相比，其操作用水仅相当船闸操作用水的3%左右，也就是说同等规模的船闸升降一次的操作用水，可供水力浮动式快速升船机升降30次。

　　水力浮动式快速升船机的动作原理是：

以平衡筒的总重量平衡承船厢的总重量，通过操作进水阀或排水阀，使提升竖井充水或排水，达到改变提升平衡筒的重量，克服摩阻力，促使承船厢升降的目的。

　　1水力浮动式快速升船机的平衡装置

　　水力浮动式转矩平衡重升船机的的平衡筒，既具有提升功能又具有平衡功能。

水力浮动式快速垂直升船机的平衡筒则不然，它将平衡筒的提升功能与平衡功能分离，令一部分平衡筒负责平衡，另一部分平衡筒负责提升。

负责平衡的平衡筒，安装在平衡竖井中，其重量和体积由承船厢厢体及厢内水体的重量和体积以及升船机的最大提升力确定。

平衡竖井与提升竖井互不相通。

在平衡竖井的底部，设有事故排水通道与承船厢室相通。

　　平衡筒为钢制水筒，筒内装有水，为方便安装、检修，在顶部设有进人孔。

每个平衡筒上装有两组动滑轮，绕经其中一组动滑轮的钢丝绳缠绕在卷筒的左旋绳槽中，绕经另一组动滑轮的钢丝绳缠绕在卷筒的右旋绳槽中，这样就可以保证平衡筒在升降时，始终沿着竖井中轴线做铅锤运动而不左右移动。

钢丝绳的一端经杠杆式拉力均衡装置与塔柱顶部的支架连接，钢丝绳的另一端经拉力均衡装置与承船厢（8）相连接。

杠杆式拉力均衡装置机构简单，可以使缠绕在同一卷筒上的各钢丝绳受力均衡。

　　平衡筒内装有水位传感器，用以监控筒内水位，保证各平衡筒的重量相等。

平衡筒下部装有安全阀（16），安全阀是常闭的，当承船厢发生严重漏水事故，厢内水位降至预定的事故水位时，承船厢上的水位传感器发出讯号，安全阀才开启排水，减轻平衡筒的重量，使之与漏水的承船厢保持动态平衡。

平衡筒的排水，经由平衡竖井底部设置的事故排水通道排至承船厢室底部与承船厢的漏水一起汇至集水井由水泵排往下游。

　　平衡竖井对称布置在承船厢室两侧，为保护平衡筒及平衡竖井在运行时不受损伤，在平衡筒上装有导向轮，在竖井内壁设钢衬板。

正常情况下导向轮与平衡竖井内壁上的钢衬板保持1～2cm的间隙，只有在平衡筒的运动方向与竖井中轴线产生偏差时，导向轮才与钢衬板相接触。

为制作、安装方便平衡筒直径应与提升平衡筒保持一致，平衡竖井的直径可比提升竖井适当大一些。

　　在我国钢丝绳卷扬垂直升船机应用比较普遍，但它的平衡重是固态的，当发生承船厢水体全部漏空这样的极端事故时，安全装置将无法应对。

水力浮动式快速升船机承船厢发生漏水事故时，平衡筒的重量可以与承船厢漏水进行互动并保持平衡，有效地杜绝了因承船厢漏水引发的恶性事故，升船机的运行安全有了可靠保证。

　　2水力浮动式快速升船机的提升装置

　　快速升船机的提升装置与水力浮动式转矩平衡重升船机的提升装置基本相同，它利用水的浮力促使承船厢升降，不需要设置提升电机及大扭矩减速箱，避开了大型升船机设计、制造、安装、维护方面的难题。

　　负责提升的平衡筒（18），安装在提升竖井（19）内，它的直径与高度由升船机运行时可能发生的最大提升力、上游最低通航水位、下游最高通航水位及最大升程确定。

　　提升竖井底部与等惯性连通管（17）连接。

等惯性连通管的进水管（26）与上游水库相通，排水管（27）通往下游。

进水阀（11）与排水阀（10）分别安装在进、排水管上。

升船机运行时，通过操作进水阀或排水阀使提升竖井充、泄水，用以改变提升平衡筒的重量，达到克服摩阻力使升船机升降的目的。

　　提升平衡筒亦为钢制水筒，筒内装有水。

在提升平衡筒的上部装有两组动滑轮，绕经其中一组动滑轮的钢丝绳缠绕在卷筒的左旋绳槽中，绕经另一组动滑轮的钢丝绳缠绕在卷筒的右旋绳槽中。

钢丝绳的一端经杠杆式拉力均衡装置与塔拄顶部的固定支架连接；另一端经拉力均衡装置与承船厢相连接。

提升平衡筒上也装有导向轮，正常时导向轮与提升竖井内壁之间保持1～2cm的间隙。

平衡筒的顶部有进人孔，供安装检修时向平衡筒充、排水用。

由于承船厢的重量已被平衡筒平衡，提升竖井中的提升平衡筒只克服摩阻力就可使升船机升降。

因此，所需的操作用水很少，进水管、排水管、进水阀、排水阀的通流面积均比较小，为提高升船机的升降速度创造了非常有利的空间。

　　提升竖井对称布置在承船厢室的两侧。

为保证升船机的运行不受上、下游水位变动的影响，令竖井最高水位等于上游最低通航水位，竖井最低水位等于下游最高通航水位，提升平衡筒在此区间内运动，牵动承船厢与上、下游任何通航水位实行对接。

由于承受水压力，提升竖井内壁须设钢里衬。

　　3水力浮动式快速升船机的等惯性输水系统

　　等惯性输水系统是快速升船机的动力输送系统及软同步系统。

它由进水口栏污栅、检修闸门、进水管、进水阀、等惯性竖井连通管、提升竖井（19）、排水阀（10）、排水管（27）、检修闸门等组成。

　　若想提高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升降速度，必须增大提升电机的功率及减速箱的输出扭矩，对水力浮动式快速升船机而言，提升竖井的直径与升船机的最大升程一经确定，耗水量就是恒定的，升船机的升降速度仅与进、排水管的流量有关，选用较大直径的进、排水阀及相应的进水管、排水管，便可提高升降速度。

水力浮动式快速升船机的升降速度可以达到/s以上,比传统升船机的升降速度提高一倍多。

　　为了保证升船机的运行平稳，水在进水管及排水管中的最大流速应控制在Vmax≤8m/s为宜。

等惯性连通管与提升竖井交界处的流速，应控制在V≤2m/s为宜。

　　4进水阀和排水阀

　　快速升船机的开、停、升、降是通过对进水阀和排水阀的操作实现的，它是升船机的关键设备。

由于锥阀的调节性能较好，快速升船机的进水阀和排水阀最好选用锥阀，其次是球阀。

为方便检修和维护，进水阀和排水阀可选用同一规格型号的阀门。

进水阀与排水阀采用液压操作系统。

　　5升船机的硬同步系统

　　水力浮动式快速升船机采用封闭的机械同步系统，它由提升卷筒、轴承座、齿式联轴器、连接轴、及换向伞齿轮等组成。

它是快速升船机的硬同步系统。

　　来自平衡筒（15）及提升平衡筒（18）的钢丝绳分别缠绕在与其相对应的卷筒外园按左、右旋车制的绳槽内，为了防止钢丝绳与卷筒之间产生相对位移和蠕动，每根钢丝绳在卷筒上缠绕的圈数n≥,缠绕的长度不应小于升船机的最大升程。

钢丝绳在卷筒上的缠绕走向，见机械同步系统示意图。

　　通过操作进水阀或排水阀向竖井充、泄水，改变水对提升平衡筒的淹没深度，使卷筒两侧的重量发生变化，在重力作用下，卷筒向重的一侧旋转，升船机便开始升降。

　　在机械同步系统上装有轴角编码器，并通过PLC可编程控制器对升船机的升程、速度、加速度进行监控。

　　6水力浮动式快速升船机的安全装置及安全保障措施

　　水力浮动式快速升船机的安全装置由两部分组成

　　a装在提升卷筒上的液压盘型安全制动装置

　　安全制动装置在升船机停机时自动投入，其制动力可按2～3倍的最大提升力配置。

计算机控制系统保证只有在安全制动装置解除制动状态后，升船机才能启动。

　　b装在平衡筒上的安全阀

　　当承船厢发生严重漏水事故水位降至预定的事故水位时，水位传感器发出讯号，进水阀或排水阀在保证承船厢减速度不超过/s2的基础上迅速关闭，升船机停机，安全制动装置自动加闸。

此时各平衡筒上的安全阀全部开启泄水，减轻平衡筒侧的重量，使之与漏水的承船厢保持平衡。

当平衡筒侧泄掉相当于×2倍提升力重的水时，各安全阀便自动关闭停止泄水。

因平衡筒的泄水速度比承船厢的漏水速度快，此时平衡筒侧已比承船厢侧轻。

然而承船厢漏水是连续的，每漏掉相当于一倍的提升力重的水时，便再次发出讯号令安全阀开启泄水,安全阀每泄掉相当于2倍提升力重的水，便自动关闭。

这样平衡筒侧与承船厢侧的不平衡力就始终被控制在1倍的提升力范围之内，保证了升船机的安全。

各安全阀与承船厢漏水进行互动的全过程，由PLC可编程控制器控制。

　　由于设置了安全阀，即便在承船厢严重漏水事故时，也不可能产生足以使承船厢动作的不平衡力。

　　7水力浮动式快速升船机的承船厢、承船厢室、上闸首工作门、下闸首工作门等结构形式与钢丝绳卷扬全平衡垂直升船机基本相同，因为它们都是不入水型的升船机。

　　8升船机的运行速度图

　　由于承船厢不与下游入水对接，整个升降过程都在空气中进行，快速垂直升船机的运行速度图要比水力浮动式转矩平衡重升船机的简单。

进水阀和排水阀的开启和关闭过程也相对简单。

　　提升平衡筒，安装在提升竖井内。

在上游最低通航水位至下游最高通航水位区间内运动。

　　提升平衡筒，安装在提升竖井内。

在上游最低通航水位至下游最高通航水位区间内运动。

o-

　　a段为已经开启进水阀或排水阀向提升竖井充水或排泄竖井中的水，使提升平衡筒的重量开始减轻或增加，但增加值或减轻值尚不足以克服摩阻力，承船厢尚未动作。

　　a-b段为进水阀或排水阀继续开启，提升平衡筒的重量增加或减小足以克服摩阻力，承船厢开始升降。

升降过程承船厢的加速度必须控制在a≤/s2。

b-c进水阀或排水阀已全开，由于操作水头的逐渐减小，承船厢的升降速度随之逐渐降低。

　　c-d为了平稳准确的对接，须将进水阀或排水阀逐渐关小，使承船厢速度逐渐降低至预定的对接速度。

同时必须使减速度a≤/s2。

　　d-e进水阀或排水阀保持较小的开度，承船厢按预定的对接速度运行。

　　e-f承船厢运行至对接点，迅速关闭进水阀或排水阀。

承船厢与上下游水位实现准确对接。

　　9用水力浮动式快速垂直升船机取代多级船闸将获取巨大的经济效益

　　a可节约大量的操作用水，同等规模船闸升降一次的操作用水，可供水力浮动式快速升船机操作30次。

　　b提升速度快，船舶过垻可节省大量的时间。

　　C避开了人字门复杂的制作安装工艺及闸室复杂的输、排水系统施工，节约大量工程投资。

　　d检修、维护工作量小,费用低。