CN101250865A - 水力浮动式快速垂直升船机 - Google Patents

Abstract

一种水力浮动式快速垂直升船机，属于升船机技术领域。本发明所提供的升船机主要由平衡系统、提升系统以及机械同步系统构成。其工作原理是：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，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承船厢升降的目的。本发明可取代多级船闸或钢丝绳卷扬升船机完成升船作业，可节约大量的操作用水；提升速度快，船舶过坝可节省大量的时间；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；检修、维护工作量小，费用低。

Description

水力浮动式快速垂直升船机

技术领域

本发明涉及一种升船机，特别是一种利用水位的变化完成升船作业的水力浮动式快速垂直升船机。

背景技术

申请人于1999年5月18日申请了名称为“水力浮动式转矩平衡重升船机”的发明专利，专利号为99116476.8，授权公告号为CN1240859，它采用筒式平衡重，筒中充有一定重量的水，平衡重在竖井中运动，竖井通过连通管相通，通过向竖井充、排水可控制承船厢升降的方式完成升船作业，该升船机能够使升船机各吊点同步升降，运行安全可靠性高，能十分方便地使承船厢与下游实现入水式对接。但还是存在着工作过程中操作用水消耗量较大的缺点。

钢丝绳卷扬全平衡垂直升船机在我国应用也较普遍，但其安全装置无法应对承船厢水体全部漏空这一极端事故状态。

发明内容

本发明的目的在于提供一种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；升船速度快的水力浮动式快速垂直升船机。

本发明的目的是这样实现的：一种水力浮动式快速垂直升船机，包括承船厢8，承船厢8置于承船厢室29中，承船厢8上设有上游侧工作门22和下游侧工作门7，其特征在于：承船箱室29两侧设有平衡竖井13和提升竖井19，提升竖井19之间通过等惯性连接管17连通；平衡筒15置于平衡竖井13中，提升平衡筒18置于提升竖井19中；等惯性连通管17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分别安装在进水管26和排水管27上；提升平衡筒18的上部装有两组动滑轮14，绕经其中一组动滑轮的钢丝绳5缠绕在卷筒2的左旋绳槽中，绕经另一组动滑轮的钢丝绳5缠绕在卷筒2的右旋绳槽中，钢丝绳5的一端经杠杆式拉力均衡装置20与塔柱顶部的固定支架连接；另一端经杠杆式拉力均衡装置6与承船厢8相连接；平衡筒15上设有两组动滑轮14，绕经其中一组动滑轮14的钢丝绳5缠绕在卷筒2的左旋绳槽中，绕经另一组动滑轮14的钢丝绳5缠绕在卷筒2的右旋绳槽中，钢丝绳5的一端经杠杆式拉力均衡装置20与塔柱顶部的固定支架连接，钢丝绳的5另一端经拉力均衡装置6与承船厢8相连接；来自平衡筒15及提升平衡筒18的钢丝绳5分别缠绕在与其相对应的提升卷筒2的外圆按左、右旋车制的绳槽内，卷筒2两端的伸出轴安装在轴承座3内，通过齿式联轴器1和连接轴28连接，齿式联轴器1两端设有换向齿轮4。

平衡竖井13底部设有事故排水通道12，事故排水通道12与承船厢室29相通。

以水作为平衡重，并将其装在平衡筒15中，平衡筒15上设有安全阀16。

平衡筒15及提升平衡筒18上装有导向轮9。

平衡竖井13内壁上设有钢衬板21。

提升竖井内19壁设有钢里衬23。

本发明提供的水力浮动式快速垂直升船机，可取代多级船闸完成升船作业而获得巨大的经济利益：

将平衡筒的平衡功能与提升功能分离，令一部分平衡筒负责平衡，另一部分平衡筒负责提升，采取该项措施可减少升船机操作用水并可提高升降速度；

在平衡筒下设安全阀，当承船厢发生严重漏税事故时，安全阀开启排水，减轻平衡筒的重量，使之与漏水的承船厢产生动态平衡，保证升船机的运行安全；

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；

提升速度快，船舶过垻可节省大量的时间；

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；

检修、维护工作量小，费用低。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是发明的结构原理图。

图2是图1的A-A剖视图。

图3是图1的B-B剖视图。

图4是图2的C-C剖视图。

图5是本发明机械同步系统示意图。

图6是本发明的平衡筒结构示意图。

图7是图6的A-A剖视图。

图8是图6的D处放大图。

图9是本发明提升平衡筒结构示意图。

图10是图9的A-A剖视图。

图11是图9的E处放大图。

图12是本发明等惯性通水系统工作原理图。

图13是图12中A-A剖视图。

图14是本发明中平衡筒排水与承船厢漏水互动曲线图，图中F代表承船厢漏水，G代表平衡筒排水。

图15是本发明所提供的升船机运行速度图。

具体实施方式

本发明的工作原理如下：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，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，如图1所示，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15，安装在平衡竖井13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13与提升竖井19互不相通。在平衡竖井的底部，设有事故排水通道12与承船厢室相通。

平衡筒15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15上装有两组动滑轮14，绕经其中一组动滑轮的钢丝绳5缠绕在卷筒2的左旋绳槽中，绕经另一组动滑轮的钢丝绳5缠绕在卷筒2的右旋绳槽中，这样就可以保证平衡筒15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20与塔柱顶部的支架连接，钢丝绳的另一端经拉力均衡装置6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15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15下部装有安全阀(16)，安全阀16是常闭的，当承船厢8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8上的水位传感器发出讯号，安全阀16才开启排水，减轻平衡筒15的重量，使之与漏水的承船厢8保持动态平衡。平衡筒的排水，经由平衡竖井13底部设置的事故排水通道12排至承船厢室29底部与承船厢8的漏水一起汇至集水井由水泵排往下游。

平衡竖井13对称布置在承船厢室29两侧，为保护平衡筒15及平衡竖井13在运行时不受损伤，在平衡筒15上装有导向轮9，在平衡竖井内壁设钢衬板21。正常情况下导向轮9与平衡竖井内13壁上的钢衬板21保持1～2cm的间隙，只有在平衡筒15的运动方向与竖井中轴线产生偏差时，导向轮9才与钢衬板21相接触。为制作、安装方便，平衡筒15直径应与提升平衡筒18保持一致，平衡竖井13的直径可比提升竖井19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。

负责提升的提升平衡筒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19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11或排水阀10使提升竖井19充、泄水，用以改变提升平衡筒18的重量，达到克服摩阻力使升船机升降的目的。

提升平衡筒18亦为钢制水筒，筒内装有水。在提升平衡筒18的上部装有两组动滑轮14，绕经其中一组动滑轮的钢丝绳缠绕在卷筒2的左旋绳槽中，绕经另一组动滑轮的钢丝绳缠绕在卷筒2的右旋绳槽中。钢丝绳的一端经杠杆式拉力均衡装置20与塔柱顶部的固定支架连接；另一端经杠杆式拉力均衡装置6与承船厢8相连接。提升平衡筒上也装有导向轮9，正常时导向轮9与提升竖井19内壁之间保持1～2cm的间隙。提升平衡筒18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8的重量已被平衡筒15平衡，提升竖井19中的提升平衡筒18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19对称布置在承船厢室29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18在此区间内运动，牵动承船厢8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19内壁须设钢里衬23。

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25、检修闸门24、进水管26、进水阀11、等惯性竖井连通管17、提升竖井19、排水阀10、排水管27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0.5m/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11和排水阀10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2、轴承座3、齿式联轴器1、连接轴28、及换向伞齿轮4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≥3.5，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。

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(平衡筒侧或承船厢侧)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11或排水阀10在保证承船厢减速度不超过0.04m/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16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。由于动滑轮的原因，当平衡筒侧泄掉相当于1.5×2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，(由于动滑轮的原因)，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

参见图14，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11和排水阀10的开启和关闭过程也相对简单。

提升平衡筒18，安装在提升竖井19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18，安装在提升竖井19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≤0.01m/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≤0.01m/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。

Claims (6)

1、一种水力浮动式快速垂直升船机，包括承船厢(8)，承船厢(8)置于承船厢室(29)中，承船厢(8)上设有上游侧工作门(22)和下游侧工作门(7)，其特征在于：承船箱室(29)两侧设有平衡竖井(13)和提升竖井(19)，提升竖井(19)之间通过等惯性连接管(17)连通；

平衡筒(15)置于平衡竖井(13)中，提升平衡筒(18)置于提升竖井(19)中；

等惯性连通管(17)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)分别安装在进水管(26)和排水管(27)上；

提升平衡筒(18)的上部装有两组动滑轮(14)，绕经其中一组动滑轮的钢丝绳(5)缠绕在卷筒(2)的左旋绳槽中，绕经另一组动滑轮的钢丝绳(5)缠绕在卷筒(2)的右旋绳槽中，钢丝绳(5)的一端经杠杆式拉力均衡装置(20)与塔柱顶部的固定支架连接；另一端经杠杆式拉力均衡装置(6)与承船厢(8)相连接；

平衡筒(15)上设有两组动滑轮(14)，绕经其中一组动滑轮(14)的钢丝绳(5)缠绕在卷筒(2)的左旋绳槽中，绕经另一组动滑轮(14)的钢丝绳(5)缠绕在卷筒(2)的右旋绳槽中，钢丝绳(5)的一端经杠杆式拉力均衡装置(20)与塔柱顶部的固定支架连接，钢丝绳的(5)另一端经拉力均衡装置(6)与承船厢(8)相连接；

来自平衡筒(15)及提升平衡筒(18)的钢丝绳(5)分别缠绕在与其相对应的提升卷筒(2)的外圆按左、右旋车制的绳槽内，卷筒(2)两端的伸出轴安装在轴承座(3)内，通过齿式联轴器(1)和连接轴(28)连接，齿式联轴器(1)两端设有换向齿轮(4)。

2、根据权利要求1所述的水力浮动式快速垂直升船机，其特征在于：平衡竖井(13)底部设有事故排水通道(12)，事故排水通道(12)与承船厢室(29)相通。

3、根据权利要求1所述的水力浮动式快速垂直升船机，其特征在于：以水作为平衡重，并将其装在平衡筒(15)中，平衡筒(15)上设有安全阀(16)。

4、根据权利要求1或3所述的水力浮动式快速垂直升船机，其特征在于：平衡筒(15)及提升平衡筒(18)上装有导向轮(9)。

5、根据权利要求1或2所述的水力浮动式快速垂直升船机，其特征在于：平衡竖井(13)内壁上设有钢衬板(21)。

6、根据权利要求1所述的水力浮动式快速垂直升船机，其特征在于：提升竖井内(19)壁设有钢里衬(23)。

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