CN102995607A - 船闸和升船机的挡水闸门防撞方法 - Google Patents

船闸和升船机的挡水闸门防撞方法 Download PDF

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钮新强
廖乐康
于庆奎
单毅
王蒂
朱虹
方晓敏
余友安
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Abstract

本发明涉及水利水电工程通航建筑物领域，特别是涉及通航建筑物挡水闸门的防撞方法，具体是在通航建筑物挡水闸门的正前方设置刚性防撞梁，所述刚性防撞梁的两端均连接有自动升降驱动装置，根据刚性防撞梁在塑性变形阶段应变增加而应力不增加的特性，利用刚性防撞梁的塑性变形能吸收失速船舶的动能。本发明克服了基于刚性防撞梁弹性变形消能原理设计的刚性防撞梁因撞击载荷过大引起的相关结构设计难度大的问题，解决了采用钢丝绳弹性变形和液压缓冲油缸联合消能技术带来的系统构造复杂，设备制造安装精度要求高，维修量大，工作可靠性差等问题，具有结构简单、容易实现，可靠性强的优点。

Description

船闸和升船机的挡水闸门防撞方法
技术领域
本发明涉及水利水电工程通航建筑物领域，特别是涉及船闸和升船机的挡水闸门防撞方法。
背景技术
水利枢纽的船闸和升船机等通航设施的挡水闸门，需要设置防撞装置以免受失速船舶的撞击。目前船闸和升船机的防撞装置的消能技术主要有两种，一种是利用刚性防撞梁的弹性变形消能，一种是利用钢丝绳的弹性变形和液压油缸的缓冲联合消能。
现有技术一直偏见地认为：只能单纯地利用刚性防撞梁的塑性变形效能原理，需要在刚性防撞梁很长区间做功吸能，使钢梁在遭受船只撞击时结构应力控制在弹性变形范围内。由于现有技术一直是以刚性防撞梁的弹性变形阻止船舶前行，因此撞击力很大，仅仅适用于承载结构能力较强的船闸及升船机闸首上，不适用于升船机船厢闸门的防撞；而利用钢丝绳的弹性变形和液压油缸的缓冲联合消能原理，在船闸和升船机中均有应用，但利用这种原理设计的防撞装置构造复杂，由于船只撞击时钢丝绳的弹性变形及油缸的位移较大，船厢水域的长度需因此加大，造成船厢重量及尺寸的增加，并且设备制造安装精度要求高，动作环节多，工作可靠性差，维护工作量大。
发明内容
本发明的目的是为了克服了现有技术的偏见，提供一种基于刚性防撞梁的塑性变形消能原理，实现通航建筑物挡水闸门防撞的目的，并提供塑性变形防撞方法。
为实现上述目的，本发明提供的船闸和升船机的挡水闸门防撞方法，其特别之处在于：在通航建筑物挡水闸门的正前方设置刚性防撞梁，所述刚性防撞梁的两端均连接有自动升降驱动装置，根据刚性防撞梁在塑性变形阶段应变增加而应力不增加的特性，利用刚性防撞梁的塑性变形能吸收失速船舶的动能。
上述自动升降驱动装置包括设置在通航建筑物挡水闸门的正前方上部的定滑轮，所述定滑轮的一端通过钢丝绳与所述刚性防撞梁的端部连接，所述定滑轮的另一端通过钢丝绳与动滑轮的一端连接，所述动滑轮的另一端固定连接在通航建筑物挡水闸门的正前方上部，所述动滑轮的滑轮轴与油缸的输出端连接，所述油缸设置在油缸支座上。
本发明基于基于刚性防撞梁塑性变形消能的原理实现了挡水闸门防撞的目的的原理如下：
如图1所示的合金结构钢的σ-ε实验曲线，在曲线EP段存在明显的水平线段，这意味着刚性防撞梁最大应力在该区间工作时，当撞击力达到一定程度时，弯曲梁在最大内力截面形成塑性铰，此时应变增加而应力不增加，即变形增加而传至导承槽的撞击力不增加。如钢防撞梁的设计塑性应变为1%，则应变能密度为区域OEPBAO的面积，该面积接近弹性应变能密度△OEA面积的10倍，这说明在同样的结构尺寸及同样的撞击力条件下，刚性防撞梁的吸能能力远大于弹性梁。因此，采用塑性设计可显著减小刚性防撞梁的横截面积，使船舶动能主要依靠刚性防撞梁的塑形变形能吸收，进而减少结构承受的撞击力。
本发明克服了现有技术的偏见，基于刚性防撞梁塑性变形消能的原理实现了挡水闸门防撞的目的，克服了基于刚性防撞梁弹性变形消能原理设计的刚性防撞梁因撞击载荷过大引起的相关结构设计难度大的问题，解决了采用钢丝绳弹性变形和液压缓冲油缸联合消能技术带来的系统构造复杂，设备制造安装精度要求高，维修量大，工作可靠性差等问题，具有结构简单、容易实现，可靠性强的优点。
附图说明
图1为本发明刚性防撞梁的σ-ε实验曲线和幂函数塑性本构关系曲线。
图1中：其中，实线表示刚性防撞梁的σ-ε实验曲线，双点划线为其幂函数塑性本构关系曲线，该曲线通过材料的屈服极限、屈服应变、强度极限及对应应变等参数值通过曲线拟合技术获得。塑性钢梁的应力应变范围为OEPBO，其面积代表其应变能密度，弹性工作范围为三角OAE，其面积远小于OEPBO。
图2为本发明船闸和升船机的挡水闸门防撞方法中的刚性防撞梁及其驱动结构示意图。
图中：1-刚性防撞梁；2-定滑轮；3-钢丝绳；4-动滑轮；5-油缸；6-油缸支座。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
船闸和升船机的挡水闸门防撞方法，具体是在通航建筑物挡水闸门的正前方设置刚性防撞梁，刚性防撞梁的两端均连接有自动升降驱动装置，根据刚性防撞梁在塑性变形阶段应变增加而应力不增加的特性，利用刚性防撞梁的塑性变形能吸收失速船舶的动能。
自动升降驱动装置结构如图2所示，包括设置在通航建筑物挡水闸门的正前方上部的定滑轮2，定滑轮2的一端通过钢丝绳3与刚性防撞梁1的端部连接，定滑轮2的另一端通过钢丝绳3与动滑轮4的一端连接，动滑轮4的另一端固定连接在通航建筑物挡水闸门的正前方上部，动滑轮4的滑轮轴与油缸5的输出端连接，油缸5设置在油缸支座6上。
在船舶正常行驶或停靠时，刚性防撞梁1通过油缸5驱动，下降至船舶通航水深以下高度（图2中的A处高度）。在需挡船时，由驱动油缸5提升刚性防撞梁1至工作位置（图2中的B处高度），当刚性防撞梁1受到撞击时，撞击载荷通过刚性防撞梁1端部传至船舶的导承槽消能，保护船舶以免被撞坏。
本发明的工作原理如图1所示，刚性防撞梁1的尺寸设计根据塑性变形计算，采用幂函数塑性本构关系σ=Aεn，区域OEPBO的面积和区域OQBO的面积，以及区域OEPSCO的面积与虚线和横坐标轴围成的区域OSCO的面积相当接近，因此其应变能密度非常接近。仅从吸收能量考虑，幂函数塑性本构关系有足够的精度。而区域OEPBO的面积仅为区域OEPSCO的面积的1/8，因此刚性防撞梁1有足够的吸收能量安全裕度，不会因船只的撞击而断裂。根据幂函数塑性本构关系σ=Aεn以及刚性防撞梁1的受力特点，可推导出所吸收能量与设计塑性应变的函数关系T=f(A,n,a,ε)，式中T为船舶撞击动能，a代表刚性防撞梁1的断面尺寸，求得刚性防撞梁1的设计控制条件：ε=f-1(T,A,n,a)≤εmax=0.01；利用该条件决定刚性防撞梁1的断面尺寸a；然后根据刚性防撞梁1的实际断面尺寸a、实际应变ε0以及最大撞击力和船舶撞击动能的关系，求出刚性防撞梁1的校核控制条件：ε0=g(ε0,A,n,a)≤P0，式中P0为船厢设计所允许的最大撞击力。
需要说明的是，以上的具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (2)

1.一种船闸和升船机的挡水闸门防撞方法，其特征在于：在通航建筑物挡水闸门的正前方设置刚性防撞梁，所述刚性防撞梁的两端均连接有自动升降驱动装置，根据刚性防撞梁在塑性变形阶段应变增加而应力不增加的特性，利用刚性防撞梁的塑性变形能吸收失速船舶的动能。
2.根据权利要求1所述的船闸和升船机的挡水闸门防撞方法，其特征在于：所述自动升降驱动装置包括设置在通航建筑物挡水闸门的正前方上部的定滑轮，所述定滑轮的一端通过钢丝绳与所述刚性防撞梁的端部连接，所述定滑轮的另一端通过钢丝绳与动滑轮的一端连接，所述动滑轮的另一端固定连接在通航建筑物挡水闸门的正前方上部，所述动滑轮的滑轮轴与油缸的输出端连接，所述油缸设置在油缸支座上。
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