CN105672237A - 一种具有抗倾覆能力的水力式升船机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，包括主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、自反馈稳定系统，其特征在于：所述稳定均衡水力驱动系统还包括设置在分支水管转角处的第一阻力均衡件或/和分叉管处的第二阻力均衡件、分别设置在输水主管输水阀阀前的环向强迫通气机构和阀后的稳压减振箱；所述自反馈稳定系统的每一个导轮通过支撑机构固定在承船厢上，所述支撑机构包括与承船厢相连的底座，铰接在底座上的支架，固定在支架与底座之间的柔性件，设置在柔性件外侧的限位挡件，设置在支架上并沿导轨滚动的导轮。通过这三大系统的联合作用，使水力式升船机在载水情况下具备抗倾覆能力，确保水力式升船机安全、可靠运行。

Description

一种具有抗倾覆能力的水力式升船机

技术领域

本发明涉及一种水力式升船机，具体来说是一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，属于通航建筑领域。

背景技术

水力式升船机是一种新型升船机，专利申请号为：99116476.8的中国专利虽然公开了一种水力式升船机的基本结构，即：在承船厢两侧塔柱结构内设置多个可充、放水的竖井，每个竖井中设置浮筒，多个浮筒通过对应的钢绳、卷筒、滑轮与承船厢多个部位相连(即在承船厢上形成多个吊点)，向竖井充水时浮筒上升、承船厢下降，反之承船厢上升，从而完成水力驱动式升船或降船。但由于没有给出能够解决水力式升船机承船厢在受到不均衡荷载情况下倾覆的技术方案，因此至今没有得到广泛的推广和应用。就湿式过坝类升船机而言，由于其是直接将水注入承船厢中，再在承船厢的水中停泊船舶，使船舶同承船厢一同升或降，因此当承船厢处于理想的水平状态，即承船厢结构及设备、水体荷载重心均位于承船厢的几何中心，且运行过程中没有外来不平衡荷载的干扰，使水体保持绝对静止状态时，承船厢不会出现倾斜的问题。但是，实际运行中承船厢不可避免地会受到诸多不平衡荷载的影响，而引起局部失稳，导致承船厢内水体波动，进而导致承船厢出现倾斜，倾斜的承船厢又助推其内的水体发生更大的波动，而使水体荷载重心严重偏移，导致承船厢倾斜并继续放大，最终引发升船机倾覆。因此，若不解决水力式升船机因局部失稳而最终导致倾覆的问题，则水力式升船机就没有实用价值。具体分析如下：

承船厢无水与承船厢有水最直观的区别就是升船机系统所受的荷载不同，解决承船厢倾覆问题首先要分析承船厢装载水体后，水体荷载给升船机运行带来的影响。下面通过简图分析承船厢水体荷载对升船机运行的影响。

由图1、图2分析可知，在承船厢无水的工况下，无论承船厢处于倾斜、还是处于水平状态，承船厢结构及设备荷载重心都不会发生重大变化，承船厢作用在吊点上的荷载也基本一致(F1＝F2)。

由图3、图4分析可知，在承船厢有水的工况下，当承船厢处于理想的水平状态时，承船厢结构及设备、水体荷载重心处于中心，作用在各吊点上的荷载相等(F1＝F2)；但当承船厢出现倾斜的状态时，因承船厢的水体荷载发生了偏移，致使承船厢结构及设备、水体荷载重心都发生变化(由G变为ΔP)，承船厢作用在各吊点上的荷载也随之改变(F1>F2)，因此就出现了承船厢倾斜的正反馈现象，这是所有钢丝绳悬吊的升船机都会面临的问题。

结合承船厢有水倾斜正反馈现象、承船厢有水与承船厢无水分析可知，在承船厢有水的工况下，一旦承船厢出现较小的倾斜，就会导致承船厢内水体波动，破坏承船厢各吊点的受力平衡，尤其在水体自高往低处瞬间流动的情况下又助推承船厢产生更大的倾斜，进而导致钢丝绳、同步轴系统产生变形，而当钢丝绳、同步轴系统变形后又反过来加重承船厢的倾斜度，如此产生一个承船厢受力不平衡→水力助推承船厢倾斜→钢丝绳/同步轴系统变形→加重承船厢倾斜的正反馈现象，最终导致承船厢有水倾覆的问题。

通过上述分析可知：在承船厢有水的工况下，不可避免地会产生承船厢倾斜，因此必须研究新的技术方案来解决升船机承船厢有水倾斜的问题。

发明内容

本发明通过对水力式升船机倾覆问题的深入研究，结合水力式升船机基本原理及结构，尤其是针对现有水力式升船机承船厢存在的带水倾斜问题，提出了一种水力式升船机抗倾覆系统及设计方法。

本发明将原有水力式升船机的机械同步传动系统、水力驱动系统、承船厢导向系统提升整合为主动抗倾覆机械同步系统、自反馈稳定系统、稳定均衡水力驱动系统，从而构成一种具有抗倾覆能力的水力式升船机及其抗倾覆设置方法。并通过这些系统及其联合作用解决水力式升船机承船厢因载水倾覆而无法正常升降运行的问题。

本发明通过下列技术方案完成：一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，包括主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、自反馈稳定系统，其特征在于：

所述稳定均衡水力驱动系统还包括设置在分支水管转角处的第一阻力均衡件或/和分叉管处的第二阻力均衡件、分别设置在输水主管输水阀阀前的环向强迫通气机构和阀后的稳压减振箱；

所述自反馈稳定系统的每一个导轮通过支撑机构固定在承船厢上，所述支撑机构包括与承船厢相连的底座，铰接在底座上的支架，固定在支架与底座之间的柔性件，设置在柔性件外侧的限位挡件，设置在支架上并沿导轨滚动的导轮；通过上述主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、承船厢自反馈稳定系统联合共同作用，解决水力式升船机承船厢载水倾斜，无法正常升降运行的问题，提高了水力式升船机的总体抗倾覆能力，保障水力式升船机安全、稳定、可靠运行。

所述自反馈稳定系统包括对称设置在船闸室侧壁上的导轨，对称设置在承船厢两侧对应上、下部的，与船闸室侧壁上的导轨相配接的多个导轮，每一个导轮均通过支撑机构固定在承船厢上。

所述自反馈稳定系统中的支撑机构的支架为两块相对设置的三角板，该三角板的直角处通过铰轴固定在底座内侧的凸块上，水平外端与底座之间设置柔性件，具体为弹簧，直角上端通过轮轴将导轮固定在两块三角板之间，以便导轮沿导轨滚动的过程中，遇到不平整的导轨时，通过柔性件使支架绕铰轴摆动而缓解导轨不平整带来的颠簸，同时通过导轨与导轮的配接，自动提供抗倾覆扭矩，以对承船厢进行主动纠偏，防止承船厢倾斜。

所述自反馈稳定系统的导轨沿船闸室两侧内壁分别设置两根，共四根，每一根导轨的左右两侧壁与承船厢上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构，共四个支撑机构相配接，当承船厢受到不平衡荷载而导致承船厢出现倾斜后，通过导轨与导轮的配接，自动提供抗倾覆扭矩，以对承船厢进行主动纠偏，防止承船厢倾斜，并对产生的倾斜进行限位，防止承船厢倾斜量继续增大，使水力式升船机稳定安全可靠运行。

所述自反馈稳定系统的导轨的左右两侧壁上对应地设置水平板或直角板，该水平板或直角板的侧板与承船厢上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构，共四个支撑机构相配接，以提高导轨的平整度。

所述稳定均衡水力驱动系统包括竖井、设置在竖井中的浮筒、带输水阀的输水主管，下端与输水主管相连的多根分支水管，多根分支水管由下部的直管、中部的转角管和/或分叉管以及上部的直管构成，且上部的直管出水端置于对应的竖井底部，并在直管出水端设置有消能工，各个竖井之间通过水位平衡廊道相连。

所述稳定均衡水力驱动系统的浮筒底部设为120°的锥体，且竖井与浮筒之间的间隙比保持在0.095～0.061之间，以提高稳定均衡水力驱动系统的水动力特性变化及水动力输出的稳定性。

所述稳定均衡水力驱动系统中的消能工包括间隔地在竖井底部并沿直管出水端端口周边设置的立杆，设置在立杆上端的水平档板，以便向上冲的水在水平挡板作用下只能向下再经立杆之间的空隙进入竖井中，从而降低出水水流速度，消除水能量，减缓水流冲击力，改善浮筒底部水流条件，避免水流直接冲击浮筒底部而引起浮筒晃动。

所述稳定均衡水力驱动系统中的第一阻力均衡件为直角弯管，且在直角弯管直角处下方设置向下延伸且封闭的管头，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求。

所述稳定均衡水力驱动系统中的第二阻力均衡件为上大下小的实心或空心圆锥体，该圆锥体的上端固定在分叉管的水平管壁上，下端向下延伸至分叉管的竖直管中，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求。

所述稳定均衡水力驱动系统中的环向强迫通气机构包括：固定在输水主管外部的通气环管，通气环管的内侧壁上设有第一通孔，第一通孔与设置在输水主管壁上的第二通孔连通，通气环管的外侧壁上设有第三通孔，第三通孔与供气管相连，供气管与气源相连，以便将压力空气经供气管送入通气环管中，再经第一、第二通孔送入输水主管中，即向水中参气，以解决稳定均衡水力驱动系统因高水头非恒定作用下的输水阀门空化及振动问题，减小压力脉动，使阀门相对空化数由1.0降低到0.5，使阀门的大开度开启时间提前，输水效率提高60％以上。

所述通气环管上的第一通孔、第三通孔以及输水主管上的第二通孔间隔设置多个，且每一个第三通孔均通过对应的供气分管与供气总管相连，供气总管与气源相连，以通过供气分管分多路、多点向通气环管、输水主管均匀供气。

所述稳定均衡水力驱动系统中的稳压减振箱包括：内带空腔、其上带进水口和出水口的壳体，设置在壳体外壁的外梁系，壳体空腔内间隔设有内梁系隔栏，所述内梁系隔栏包括由纵、横交错的竖直杆和水平杆设置成与壳体空腔横断面形状相适应的镂空板，该镂空板的镂空中间隔设置斜拉杆，以便在满足高强度要求的同时，尽量减少内梁系隔栏对水流的干扰。

所述稳压减振箱内的纵、横交错的竖直杆和水平杆及斜拉杆均为实心圆杆或空心圆管，且竖直杆和水平杆的纵、横交错位置设有槽形加强板；并在内梁系隔栏与壳体空腔壁相连的部位设有垫板，以方便与壳体空腔壁相连接，减少其对水流的干扰，满足水力学要求。

所述稳压减振箱的壳体上还设有检修用人孔，壳体内的后部设有集气槽，集气槽顶部设有排气孔，该排气孔与排气管相连。

所述稳压减振箱的外梁系包设在壳体所有外壁上，该外梁系包括等高且间隔设置的主横梁板，及位于两两主横梁板之间且高度低于主横梁板的次横梁板组、与主横梁板和次横梁板组相垂直的等高且间隔设置的纵梁板组及等宽、等长且间隔设置的水平梁板组，该三组梁板相互交织连接而成；所述入水口处的外梁系上设有下凹的变截面梁板组，变截面梁板组的外侧与法兰端面平齐。

所述稳压减振箱入水侧的三个入水口上分别通过对应的输水阀与输水主管相连，其中位于中间的输水阀为主阀，两侧的输水阀为辅阀，且一个主阀和二个辅阀的阀前输水主管上均设置有环向强迫通气机构，以便通过输水流量较小且抗空化能力较优的辅阀控制承船厢低速运行(对接时)，又通过输水流量较大的主阀提高承船厢正常升降阶段的运行速度，消除稳定均衡水力驱动系统产生的非恒定流对承船厢运行速度稳定性带来的影响。

所述主动抗倾覆机械同步系统包括与船闸室中的承船厢两侧的多个部位相连的多根钢绳，多根钢绳的另一端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒以及设置在竖井中浮筒上的滑轮固定在竖井的顶部，多个卷筒之间通过同步轴及联轴器相连。

所述主动抗倾覆机械同步系统的多个卷筒及联轴器和同步轴分别与承船厢两侧的钢绳相对应的设置成两排，两排之间通过伞齿对及联轴器连接有横向同步轴，构成矩形框连接，以通过同步轴、横向同步轴的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩。

所述主动抗倾覆机械同步系统的每一卷筒上均设有常规制动器，在承船厢受到不平衡荷载作用下出现倾斜时，能通过主动抗倾覆机械同步系统中的同步轴的微量变形使承船厢产生主动抗倾覆力矩，以控制承船厢倾斜量、降低同步轴扭矩，并在船厢倾斜量或同步传动扭矩达到设计值时，通过制动器锁定对应卷筒，保障升船机整体安全。

本发明提供的具有抗倾覆能力的水力式升船机通过下列方法进行设置：

构成本发明的具有抗倾覆能力水力式升船机的主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、自反馈稳定系统，这三大系统的联合抗倾覆作用分下列三个阶段进行设计：

(1)第一阶段，承船厢倾斜量0≤Δ<θR

该阶段因主动抗倾覆机械同步系统间隙尚未消除，主动抗倾覆机械同步系统还没有充分发挥抗倾覆作用，由自反馈稳定系统承担承船厢的初始倾覆力矩、维持承船厢的稳定，该阶段自反馈稳定系统提供的抗倾覆力矩满足下列关系：

K_d×Δ+M_d0＝M_d>γ_d×(M_c+M_w)＝γ_d×(K_c×Δ+M_w)

自反馈稳定系统整体抗倾覆刚度满足下列关系：

$K_d>{\mathrm{\&gamma;}}_d\&times;(K_c+\frac{M_w-M_{d0}/{\mathrm{\&gamma;}}_d}{\mathrm{\&Delta;}})$

式中：承船厢倾斜产生的倾覆力矩M_c＝K_c×Δ，单位为kN·m；

承船厢倾覆刚度K_c，单位为kN；

承船厢总倾斜量Δ，单位为m；

稳定均衡水力驱动系统产生的承船厢初始倾覆力矩M_w，单位为kN·m；

承船厢总倾覆力矩大小为M_c+M_w＝K_c×Δ+M_w，单位为kN·m；

自反馈稳定系统产生的抗倾覆力矩M_d＝K_d×Δ+M_d0，单位为kN·m；

自反馈稳定系统预压抗倾覆力矩M_d0，单位为kN·m；

自反馈稳定系统整体抗倾覆刚度K_d，单位为kN；

自反馈稳定系统安全系数γ_d，取1.5～2.0。

稳定均衡水力驱动系统通过降低竖井水位差和承船厢运行速度波动，消除承船厢不均匀荷载以及承船厢内水体的扰动，来降低承船厢初始倾覆力矩M_w值大小；这在图5中表现为，降低承船厢AB倾覆力矩曲线的初始扰动倾覆力矩A值的大小；自反馈稳定系统预压荷载决定M_d0大小，抗倾覆刚度K_d决定其抗承船厢抗倾覆力矩大小；

(2)第二阶段，承船厢倾斜量θR≤Δ<Δ_max

该阶段自主动抗倾覆机械同步系统间隙消除后到承船厢倾斜量小于设计允许极限倾斜值Δ_max，由自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统同步轴共同承担承船厢的抗倾覆作用，且主动抗倾覆机械同步系统同步轴起主要抗倾覆作用，自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统二者在承船厢抗倾覆作用中的比例与自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统的刚度大小K_d、K_T相关；自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统提供的总抗倾覆力矩应满足下列关系：

K_d×Δ+M_d0+K_T×(Δ-θR)＝M_d+M_T>(γ_d+γ_T)×(M_c+M_w)＝(γ_d+γ_T)×(K_c×Δ+M_w)

主动抗倾覆机械同步系统整体抗倾斜刚度应满足下列关系：

$K_T>\frac{({\mathrm{\&gamma;}}_d+{\mathrm{\&gamma;}}_T)\&times;(K_c\&times;\mathrm{\&Delta;}+M_w)-K_d\&times;\mathrm{\&Delta;}-M_{d0}}{(\mathrm{\&Delta;}-\mathrm{\&theta;}R)}$

式中：主动抗倾覆机械同步系统同步轴产生的抗倾覆力矩M_T＝K_T×(Δ-θR)，单位为kN·m；

主动抗倾覆机械同步系统间隙θ，单位为弧度；

卷筒半径R，单位为m；

主动抗倾覆机械同步系统整体抗倾覆刚度K_T，单位为kN；

主动抗倾覆机械同步系统安全系数γ_T，取6～7。

主动抗倾覆机械同步系统间隙θR决定主动抗倾覆机械同步系统开始发挥抗倾覆能力位置；在图5中表现为E值大小，主动抗倾覆机械同步系统整体抗倾覆刚度K_T决定承船厢的抗倾覆力矩大小，在图5中表现为EF抗倾覆力矩曲线斜率，该整体抗倾覆刚度K_T越大斜率值越大、系统抗倾覆能力越强；

(3)第三阶段，承船厢倾斜量Δ≥Δ_max

承船厢倾斜超过设计允许最大倾斜值Δ_max，自反馈稳定系统发挥承船厢倾斜限位作用；继续增加的承船厢倾覆力矩由主动抗倾覆机械同步系统继续承担；该阶段稳定均衡水力驱动系统关闭，升船机承船厢停止运行，主动抗倾覆机械同步系统卷筒上安装的制动器投入工作，承船厢继续增加的倾覆力矩由卷筒上的制动器承担；卷筒制动力应满足下列关系：

F_z≥γ_z×F_c

式中：卷筒总制动力F_z,单位为kN；

承船厢水体总重力F_c，单位为kN；

卷筒制动力安全系数γ_z，取0.4～1.0。

所述主动抗倾覆机械同步系统按下列方法进行设置：

主动抗倾覆机械同步系统同时具备承船厢抗倾覆和传递均衡承船厢不均匀荷载双重功能，该系统通过同步轴的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩，并在承船厢倾斜量或同步系统扭矩达到设计值时，通过设置在卷筒上的制动器锁定卷筒，保障升船机整体安全；

设主动抗倾覆机械同步系统中的两排卷筒、联轴器和同步轴，以及伞齿对、联轴器和横向同步轴完全对称、承船厢充分调平、各卷筒、钢丝绳受力和摩擦完全相同，忽略承船厢和钢丝绳刚度影响，则主动抗倾覆机械同步系统刚度、强度按下列方法设置，具体为：

一、刚度设置方法

所述承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP按下式计算：

$\mathrm{\&Delta;}P=\frac{(\mathrm{\&Delta;}h+{\mathrm{\&Delta;h}}_0)L_c{B}_c\mathrm{\&rho;}g}{24}+\frac{M_b+M_p}{2L_c}---\left(1\right)$

式中：

Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之合引起的承船厢倾斜量，单位为m；

Δh₀为承船厢升降运行卷筒、钢绳等加工安装误差引起的承船厢倾斜量，单位为m；

L_c为承船厢长度，单位为m；

B_c为承船厢宽度，单位为m；

ρ为密度，单位为kg/m³；

g为重力加速度，单位为m/s^-2；

M_b为承船厢水面波动引起的倾覆力矩，单位为kN·m；

M_p为承船厢偏心荷载引起的倾覆力矩，单位为kN·m；

因同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之合引起承船厢发行倾斜量Δh后，主动抗倾覆机械同步系统又通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF根据下式计算：

$\mathrm{\&Delta;}F=\frac{\mathrm{\&Delta;}h-{\mathrm{\&theta;}}_{2}R+4M_{f}R\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}{R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}---\left(2\right)$

式中：ΔF为作用于承船厢的抗倾覆力，单位为kN；

Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起的承船厢倾斜量，单位为m；

θ₂为同步轴之间的总间隙，单位为弧度；

R为卷筒半径，单位为m；

M_f为单个卷筒摩擦力产生的扭矩，单位为kN·m；

G为剪切弹性模量，单位为kPa；

L_i为第i根同步轴长度，单位为m；

I_pi为第i根同步轴截面极惯性矩，其中：

$I_p=\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^4}{32}(1-a^4)$

式中：D--同步轴外径；

a--空心同步轴，内径/外径；实心同步轴相当于内径为0，即a＝0；

因此，在不考虑同步轴强度破坏条件下，得知：

(1)ΔF>ΔP,同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之合引起承船厢倾斜Δh时，通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF大于承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢倾斜量Δh将减小；

(2)ΔF<ΔP,承船厢倾斜量Δh继续增加，同步轴需要发生更大的扭转变形，产生更大的抵抗力，这样才能保证承船厢平衡；

(3)ΔF＝ΔP,承船厢倾斜量Δh等于其作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢稳定，则记

$\mathrm{\&beta;}=\frac{L_c{B}_c\mathrm{\&rho;}g}{24},\mathrm{\&delta;}=R\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}$

根据承船厢稳定时的条件即ΔF＝ΔP可知，承船厢稳定时应满足以下条件：

$\mathrm{\&Delta;}h=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{2}R}{1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}+\frac{{\mathrm{\&Delta;h}}_0\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}{1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}+\frac{\mathrm{\&delta;}R(M_b+M_p)}{2L_c(1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R)}-\frac{4{\mathrm{\&delta;M}}_f}{1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}---\left(3\right)$

由于Δh≥0，定义主动抗倾覆机械同步系统整体刚度公式(4)成立的必要条件是：1>βδR，即主动抗倾覆机械同步系统能维持承船厢稳定的必要条件为：

$K>\frac{L_c{B}_c{\mathrm{\&rho;gR}}^2}{24}---\left(4\right)$

承船厢升降运行过程中，承船厢允许发生的最大倾斜量为Δh_max，则主动抗倾覆机械同步系统刚度还应满足：

γ₁(θ₂R+Δh₀)+γ₂(M_b+M_p)-γ₃M_f≤Δh_max(5)

式中：

(1)γ₁(θ₂R+Δh₀)为制造误差产生的倾斜量，即主动抗倾覆机械同步系统间隙、钢绳走线误差等引起的承船厢倾斜量，定义：为制造误差倾斜系数，定义γ₁为与承船厢尺度和同步轴刚度相关的系数，结合公式(5)可知γ₁∈[1,+∞)，根据系数γ₁定义可知γ₁为大于或等于1的数值；同步轴刚度越大，γ₁值越小，但不会小于1；当同步轴刚度无穷大时γ₁＝1，此时制造误差引起的承船厢最大倾斜量为θ₂R+Δh₀；因此γ₁会对制造误差产生的承船厢倾斜量起到放大作用，同步轴刚度越小，对制造误差产生的承船厢倾斜量放大作用越大；同步轴刚度越大，对制造误差产生的船厢倾斜量放大作用越小；

(2)γ₂(M_b+M_p)为倾覆力矩引起的承船厢倾斜量ΔH₂，即承船厢在水面波动、承船厢偏心荷载等倾覆力矩作用下发生的倾斜量，定义为波动倾斜量系数，刚度无穷大时，γ₂→0，此时水面波动倾覆力矩对承船厢产生倾斜量影响越小；

(3)-γ₃M_f为系统摩擦力产生的承船厢倾斜量抵抗量，定义为摩擦力倾斜量抵抗系数，系统越大，对降低承船厢倾斜量越有利。

因此，主动抗倾覆机械同步系统要具备抗倾覆能力，其同步轴刚度应同时满足公式(4)和公式(5)；

二、强度设置方法

承船厢运行过程中同步轴最大扭矩T_N表示为:

式中,为倾覆力矩系数；

M_Q为承船厢倾覆力矩，单位为kN·m；

为制造误差系数；

θ₂R+Δh₀为主动抗倾覆机械同步系统制造误差；

体现了承船厢水面波动、承船厢偏心荷载等产生的承船厢倾覆力矩M_Q对同步轴扭矩的影响；

体现了承船厢加水后，主动抗倾覆机械同步系统制造误差θ₂R+Δh₀对同步轴扭矩的影响；

体现了承船厢内水体对同步轴扭矩荷载的影响；

反映了系统摩擦力对同步轴扭矩的抵抗作用；

M_k反映了由于安装误差等在同步轴转动时产生的同步轴内部扭矩变化；

M_g反映了承船厢初始调平时，相邻卷筒、钢绳受力不均对同步轴产生的初始扭矩；

无水承船厢升降运行时，这两项影响可忽略，因此无水承船厢升降运行时，同步轴扭矩可表示为：

三、间隙及制造误差控制条件

对于主动抗倾覆机械同步系统间隙θ₂R、制造误差倾斜量Δh₀，应按以下条件进行控制：

$({\mathrm{\&theta;}}_{2}R+{\mathrm{\&Delta;h}}_0)\&le;\frac{{\mathrm{\&Delta;h}}_{max}+{\mathrm{\&gamma;}}_3{M}_f-{\mathrm{\&gamma;}}_2(M_b+M_p)}{{\mathrm{\&gamma;}}_1}---\left(6\right)$

式中：Δh_max为承船厢允许发生的最大倾斜量，单位为m；

M_max为主动抗倾覆机械同步系统允许的最大扭矩，单位为kN·m；其余符号意义同前。

所述主动抗倾覆机械同步系统的其它设置按常规进行。

所述稳定均衡水力驱动系统中的输水主管及多个分支水管按下列方法进行设置：

按照水流惯性长度完全相等的要求设置输水主管及多个分支水管，具体是：输水主管进口至竖井(出口)这一管段的长度、截面几何尺寸与对应的各个分支水管的总长度、总截面几何尺寸完全相同，以满足等惯性设置要求；

所述多个分支水管的转角管转角处设置的第一阻力均衡件或/和分叉管处设置的第二阻力均衡件，通过下列方法设置：

1)分支水管最大流速<2m/s时,设置第一阻力均衡件，降低分支水管转角处的水流偏流现象；

2)分支水管最大流速<4m/s时,设置第二阻力均衡件，使分支水管分叉管处的流量均匀；

3)分支水管最大流速<6m/s时,同时设置第一、第二阻力均衡件；

以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；

所述水位平衡廊道最小横截面积通过下列方法计算：

$\mathrm{\&omega;}=K\frac{2C\sqrt{H}}{\mathrm{\&mu;}T\sqrt{2g}}---\left(8\right)$

式中：ω为水位平衡廊道面积,单位为m²；

C为相邻竖井面积，单位为m²；

H为相邻竖井允许最大水位差，单位为m；

μ为水位平衡廊道流量系数；

T为最大水位差允许持续时间，单位为s；

K为安全系数，1.5～2.0；

g为重力加速度，单位为m/s^-2；

通过竖井底部水位平衡廊道的设置以及水位平衡廊道最小横截面积的确定，对竖井之间的水位不一致进行调节，避免竖井之间水位差的累积。

所述稳定均衡水力驱动系统的其它设置按常规进行。

所述自反馈稳定系统按下列方法设置：

为提高导轮机构对导轨精度的适应能力，控制导轮机构的最大变形量，防止因柔性件失效而导致自反馈稳定系统失效，自反馈稳定系统按下列方法设置：

1)承船厢倾斜后的倾覆力矩按下式计算：

N_qf＝(1/2×2Δ×L_c)×B_c×(2/3L_c-1/2L_c)单位：t·m

导轮机构的抗倾覆力矩按下式计算：

N_kf＝4×(2Δ/L)×L^*×K^*×L^*单位：t·m

上述两式中：

L_c为承船厢长度，单位为m；

B_c为承船厢宽度，单位为m；

L^*为导轮机构同一侧导轮间距，单位为m；

K^*为导轮机构中柔性件的刚度，单位为t/m；

Δ为承船厢倾斜量，单位为m；以承船厢横向中心线为基准，一端下降“Δ”、一端上升“Δ”，两端高差即为“2Δ”；

L为承船厢长度。

2)导轮机构中柔性件的刚度按下列方法设置：

K^*＝N_kf/N_qf

K^*>1导轮机构具有抗倾覆作用；

K^*<1导轮机构不具有抗倾覆作用；

K^*＝1导轮机构提供一种不稳定的抗倾覆作用。

3)导轮机构中限位件间隙按下列方法设置：

设导轨最大不平度为：δ

则运行过程中，随着导轮的滚动，导轮间隙处的转动位移为：

δ^*＝(a^*/b^*)×δ

为防止导轮运行卡阻，须满足如下条件：

δ^*>δ

所述自反馈稳定系统的其它设置按常规进行。

本发明具有下列优点和效果：

1)通过稳定均衡水力驱动系统的设置，有效提高动力水流的分流均匀性，保障进入竖井的水流更加均匀，进而降低承船厢受到的不均匀荷载；尤其是通过消能工、竖井与浮筒之间间隙比(范围在0.095～0.061之间)的控制，降低竖井内水体对浮筒的晃动，进而降低承船厢升降运行时的速度波动，降低稳定均衡水力驱动系统对承船厢内水体的扰动；再通过阀门前环向强迫通气机构以及阀后稳压减振箱的设置，提高稳定均衡水力驱动系统运行效率，降低水力空化对输水阀及输水管路的破坏。通过以上联合作用有效降低水力式升船机稳定均衡水力驱动系统对承船厢不均匀荷载和对承船厢内水体的扰动，降低承船厢初始倾覆力矩，并提高升船机运行效率。

2)通过主动抗倾覆机械同步系统刚度、强度设置及间隙、制造误差控制，既能传递并均衡承船厢的不均匀荷载，又能提高升船机的抗倾覆能力，即通过主动抗倾覆机械同步系统的微量变形产生主动抗倾覆力矩，以控制承船厢倾斜量、降低同步轴扭矩，并在承船厢倾斜量或同步轴扭矩达到设计值时，通过卷筒上的制动器锁定卷筒，保障升船机整体安全。

(3)通过自反馈稳定系统，可在主动抗倾覆机械同步系统消除间隙充分发挥抗倾覆能力前，为承船厢提供抗初始倾覆力矩，对承船厢起到主动纠偏，当承船厢受到不平衡荷载、承船厢出现倾斜后，发挥承船厢倾斜限位作用，防止承船厢倾斜量继续增大，使水力式升船机稳定安全可靠运行。

通过上述主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、自反馈稳定系统这三大系统的联合、共同作用，最终使水力式升船机在载水情况下具备高可靠、高稳定的抗倾覆能力，确保了水力式升船机安全、可靠运行。

附图说明

图1、图2为承船厢无水状态下力学分析图；

图3、图4为承船厢有水状态下力学分析图；

图5为稳定均衡水力驱动系统、主动抗倾覆机械同步系统、自反馈稳定系统共同作用时力矩曲线图；

图6为升船机侧视结构图；

图7为图6的A-A断面图；

图8为图6中稳定均衡水力驱动系统结构图；

图9为图8的B部放大图；

图10为图8中环向强迫通气机构的断面结构图；

图11为图10中E-E视图；

图12为稳压减振箱正面轴侧图；

图13为稳压减振箱顶面轴侧图；

图14为稳压减振箱横断面结构图；

图15为稳压减振箱中内梁系隔栏结构图；

图16为图14的F-F视图；

图17为图16的俯视图；

图18为主动抗倾覆机械同步系统结构图；

图19为自反馈稳定系统结构图；

图20为图19的俯视图；

图21为图19的C部放大图；

图22为图20的D部放大图；

图23为现有技术与本发明在承船厢水面波动时对倾斜量影响的对比图；

图24为现有技术与本发明在承船厢水面波动时对同步轴扭矩影响的对比图；

图25为输水阀相同开启度下现有技术阀后测点的压力脉动均方根图；

图26为输水阀相同开启度下本发明阀后测点的压力脉动均方根图；

图27为现有技术的输水阀相同开启度下的噪声强度图；

图28为本发明输水阀相同开启度下的噪声强度图；

图29为掺气前后输水管振动加速度对比图；

图30为输水阀相同开启度下的竖井水面波动幅值图；

图31为承船厢上行纵向倾斜量沿程变化图；

图32为承船厢纵倾力矩、主动抗倾覆机械同步系统抗倾力矩、承船厢自反馈稳定系统抗倾力矩沿程变化图；

图33为承船厢纵倾力矩与抗倾力矩沿程变化图；

图34为没有设置水位平衡廊道前各竖井之间水位差关系图；

图35为本明设置水位平衡廊道后各竖井之间水位差改善图。

图中：

1为船闸室，11为承船厢，12为船舶，14为船闸室侧壁的导轨；

2为主动抗倾覆机械同步系统，21为钢绳，22为滑轮，24为卷筒，25为同步轴，26为联轴器，27为制动器，28为伞齿轮对，29为横向同步轴；

3为稳定均衡水力驱动系统，31为竖井，311为浮筒，32为输水主管，327为第二通孔，321为分支水管下端的直管，33为输水阀，324为分支水管上端的直管，323为分支水管的转角管，322为分支水管的分叉管，325为消能工，326为水位平衡廊道，36为第一阻力均衡件，37为第二阻力均衡件，34为环向强迫通气机构，341为通气环管、342为第一通孔，343为供气分管，344为第三通孔，345为供气总管；35为稳压减振箱，351为壳体，3511为入水口，3512为出水口、3513为人孔，3514为排气孔，3515为集气槽，352为外梁系，3521为主横梁板，3522为次横梁板，3523纵梁板，3524为水平梁板，3525为变截面梁板，353为内梁系隔栏，3531为竖直杆，3532为水平杆，3533为槽形加强板，3534为加强筋，3535为垫板，3536为斜拉杆，3537为垫条板，3538为镂空，354为法兰；

4为自反馈稳定系统，41为导轮机构的底座，42为限位挡件，43为柔性件，44为支架，45为导轮，46为金属水平板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。

本发明提供的具有抗倾覆能力的水力式升船机，包括主动抗倾覆机械同步系统2，稳定均衡水力驱动系统3，自反馈稳定系统4，其中：

所述主动抗倾覆机械同步系统2包括与船闸室1中的承船厢11两侧的多个部位相连的多根钢绳21，多根钢绳21的另一端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒24以及设置在竖井31中的浮筒311上的滑轮22固定在竖井31的顶部，如图6、图7，多个卷筒24之间通过同步轴25及联轴器26相连，多个卷筒24及联轴器26和同步轴25分别与承船厢11两侧的钢绳21相对应地设置成两排，两排之间通过伞齿对28及联轴器26连接有横向同步轴29，构成矩形框连接，以通过同步轴25、横向同步轴29的微量变形对承船厢11主动产生抗倾覆力矩；所述主动抗倾覆机械同步系统2的每一卷筒24上均设有常规制动器27，如图18，以便在承船厢11受到不平衡荷载作用下出现倾斜时，能通过主动抗倾覆机械同步系统2的微量变形对承船厢11主动产生抗倾覆力矩，达到控制承船厢11倾斜量和降低同步轴25扭矩的目的，并在承船厢11倾斜量或同步轴25、29扭矩达到设计值时，通过制动器27锁定卷筒24，保障升船机整体安全；

所述自反馈稳定系统4包括对称设置在船闸室1侧壁上的导轨14，对称设置在承船厢11对应上、下部的，与船闸室1侧壁上的导轨14相配接的多个导轮，每一个导轮均通过支撑机构固定在承船厢11上；所述导轨14沿船闸室1两侧内壁分别设置二根，共四根，如图19、20，每一根导轨14的左右两侧壁与承船厢11上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构，共四个支撑机构相配接，如图21；所述导轨14的左右两侧壁上对应地设置金属水平板46，如图22，该金属水平板46与承船厢11上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构，共四个支撑机构相配接，以提高导轨14的平整度；所述支撑机构包括与承船厢11相连的底座41，铰接在底座41上的支架44，固定在支架44与底座41之间的柔性件43，设置在柔性件43外侧的限位挡件42，设置在支架44上并沿导轨14滚动的导轮45；所述支架44由两块相对设置的三角板构成，两块三角板的直角处通过铰轴固定在底座41内侧的凸块上，水平外端与底座41外侧之间设置柔性件43，该柔性件43为弹簧，直角上端通过轮轴将导轮45固定在二块三角板之间，如图21，以便导轮45沿导轨14滚动的过程中，遇到不平整的导轨时，通过柔性件使支架绕铰轴摆动而缓解导轨不平整带来的颠簸，同时通过导轨与导轮的配接，自动提供抗倾覆扭矩，以对承船厢进行主动纠偏，防止承船厢倾斜；

所述稳定均衡水力驱动系统3包括竖井31、设置在竖井31中的浮筒311、带输水阀33的输水主管32，下端与输水主管32相连的多根分支水管，多根分支水管由下部的直管321、中部的转角管323和分叉管322以及上部的直管324构成，且下部的直管321、中部的转角管323和分叉管322以及上部的直管324设为上、下二级，下级的下端直管321与输水主管32相连，上级的上端直管324出水端置于对应的竖井31底部，并在上端直管324出水端设置消能工325，各个竖井31之间通过水位平衡廊道326连通；所述稳定均衡水力驱动系统3还包括设置在分支水管的转角管323转角处的第一阻力均衡件36和分叉管322处的第二阻力均衡件37、分别设置在输水主管32输水阀33阀前的环向强迫通气机构34和阀后的稳压减振箱35，如图6、图7、图8，其中的：

浮筒311底部设为120°的锥体，且竖井31与浮筒311之间的间隙比保持在0.095～0.061之间，以提高稳定均衡水力驱动系统的水动力特性变化及水动力输出的稳定性；

消能工325包括间隔地在竖井底部并沿直管324出水端端口周边设置的立杆，设置在立杆上端的水平档板，以便通过水平挡板降低出水水流速度，消除水能量，减缓水流冲击力，改善浮筒底部水流条件，避免水流直接冲击浮筒底部而引起浮筒晃动；

第一阻力均衡件36为直角弯管，且在直角弯管直角处下方设置向下延伸且封闭的管头，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；

第二阻力均衡件37为上大下小的实心或空心圆锥体，该圆锥体的上端固定在分叉管322的水平管壁上，下端向下延伸至分叉管322的竖直管中，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；

环向强迫通气机构34包括：固定在输水主管32外部的通气环管341，通气环管341的内侧壁上设有第一通孔342，第一通孔342与设置在输水主管32壁上的第二通孔327连通，通气环管341的外侧壁上设有第三通孔344，第三通孔344与供气管相连，供气管与气源相连，以便将压力空气经供气管送入通气环管341中，再经第一、第二通孔342、327送入输水主管32中，即向水中掺气，以解决稳定均衡水力驱动系统因高水头非恒定作用下的输水阀33空化及振动问题，减小压力脉动，使阀门相对空化数由1.0降低到0.5，使阀门的大开度开启时间提前，输水效率提高60％以上；所述通气环管341上的第一通孔342、第三通孔344以及输水主管32上的第二通孔327间隔并对称设置四个，且每一个第三通孔344均通过对应的供气分管343与供气总管345相连，供气总管345与气源——即空气压缩机相连，以通过供气分管343分多路、多点向通气环管341、输水主管32均匀掺气，如图8、图10、图11；

稳压减振箱35包括：内带空腔、其上带进水口3511和出水口3512的壳体351，设置在壳体351外壁的外梁系352，壳体351空腔内间隔设有内梁系隔栏353，所述内梁系隔栏353包括由纵、横交错的竖直杆3531和水平杆3532设置成与壳体351空腔横断面形状相适应的镂空板，该镂空板的镂空处间隔设置斜拉杆3536，以便在满足高强度要求的同时，尽量减少内梁系隔栏对水流的干扰；所述稳压减振箱35内的纵、横交错的竖直杆3531和水平杆3532及斜拉杆3536均为空心圆管，且竖直杆3531和水平杆3532的纵、横交错位置设有槽形加强板3533；并在内梁系隔栏353与壳体351空腔侧壁、底壁相连的部位设有垫板3535，如图16、图17，同时在垫板3535与竖直杆3531和水平杆3532之间设置加强筋3534，在内梁系隔栏353与壳体351空腔顶壁相连的部位设有垫条板3537，如图15，以方便与壳体空腔壁相连接，减少其对水流的干扰，满足水力学要求；所述稳压减振箱35的壳体351上还设有检修用人孔3513，壳体351内的后部设有集气槽3515，集气槽3515顶部设有排气孔3514，该排气孔3514与排气管相连，如图13、图14；所述稳压减振箱35的外梁系352包设在壳体351所有外壁上，该外梁系352包括等高且间隔设置的四块主横梁板3521，及位于两两主横梁板3521之间且高度低于主横梁板3521的多块次横梁板3522、与主横梁板3521和次横梁板组3522相垂直的等高且间隔设置的多块纵梁板3523及等宽、等长且间隔设置的多块水平梁板3524，多块梁板相互交织连接而成；所述入水口3511处的外梁系上设有下凹的变截面梁板组3525，变截面梁板组3525的外侧与法兰354端面平齐，如图12；所述稳压减振箱35入水口3511设有三个，出水口3512设有一个，分别位于壳体351的前、后侧，如图12、图13；所述稳压减振箱35的三个入水口3511分别通过输水阀33及输水管与输水主管32相连，其中位于中间入水口的输水阀为主阀，位于两侧的入水口的输水阀为辅阀，且一个主阀和二个辅阀的阀前输水主管32上均分别设置有环向强迫通气机构34，以便通过输水流量较小且抗空化能力较优的辅阀控制承船厢低速运行(对接时)，又通过输水流量较大的主阀提高承船厢正常升降阶段的运行速度，消除稳定均衡水力驱动系统产生的非恒定流对承船厢运行速度稳定性带来的影响。

本发明提供的具有抗倾覆能力的水力式升船机通过下列方法进行设置：

构成本发明的具有抗倾覆能力水力式升船机的主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、自反馈稳定系统，这三大系统的联合抗倾覆作用分下列三个阶段进行设计：

(1)第一阶段，承船厢倾斜量0≤Δ<θR

该阶段因主动抗倾覆机械同步系统间隙尚未消除，主动抗倾覆机械同步系统还没有充分发挥抗倾覆作用，由自反馈稳定系统承担承船厢的初始倾覆力矩、维持承船厢的稳定，该阶段自反馈稳定系统提供的抗倾覆力矩满足下列关系：

K_d×Δ+M_d0＝M_d>γ_d×(M_c+M_w)＝γ_d×(K_c×Δ+M_w)

自反馈稳定系统整体抗倾覆刚度满足下列关系：

$K_d>{\mathrm{\&gamma;}}_d\&times;(K_c+\frac{M_w-M_{d0}/{\mathrm{\&gamma;}}_d}{\mathrm{\&Delta;}})$

式中：承船厢倾斜产生的倾覆力矩M_c＝K_c×Δ，单位为kN·m；

承船厢倾覆刚度K_c，单位为kN；

承船厢总倾斜量Δ，单位为m；

稳定均衡水力驱动系统产生的承船厢初始倾覆力矩M_w，单位为kN·m；

承船厢总倾覆力矩大小为M_c+M_w＝K_c×Δ+M_w，单位为kN·m；

自反馈稳定系统产生的抗倾覆力矩M_d＝K_d×Δ+M_d0，单位为kN·m；

自反馈稳定系统预压抗倾覆力矩M_d0，单位为kN·m；

自反馈稳定系统整体抗倾覆刚度K_d，单位为kN；

自反馈稳定系统安全系数γ_d，取1.5～2.0；

稳定均衡水力驱动系统通过降低竖井水位差和承船厢运行速度波动，消除承船厢不均匀荷载以及承船厢内水体的扰动，来降低承船厢初始倾覆力矩M_w值大小；这在图5中表现为，降低承船厢AB倾覆力矩曲线的初始扰动倾覆力矩A值的大小；自反馈稳定系统预压荷载决定M_d0大小，抗倾覆刚度K_d决定其抗承船厢抗倾覆力矩大小；

(2)第二阶段，承船厢倾斜量θR≤Δ<Δ_max

该阶段自主动抗倾覆机械同步系统间隙消除后到承船厢倾斜量小于设计允许极限倾斜值Δ_max，由自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统同步轴共同承担承船厢的抗倾覆作用，且主动抗倾覆机械同步系统同步轴起主要抗倾覆作用，自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统二者在承船厢抗倾覆作用中的比例与自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统的刚度大小K_d、K_T相关；自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统提供的总抗倾覆力矩应满足下列关系：

K_d×Δ+M_d0+K_T×(Δ-θR)＝M_d+M_T>(γ_d+γ_T)×(M_c+M_w)＝(γ_d+γ_T)×(K_c×Δ+M_w)

主动抗倾覆机械同步系统整体抗倾斜刚度应满足下列关系：

$K_T>\frac{({\mathrm{\&gamma;}}_d+{\mathrm{\&gamma;}}_T)\&times;(K_c\&times;\mathrm{\&Delta;}+M_w)-K_d\&times;\mathrm{\&Delta;}-M_{d0}}{(\mathrm{\&Delta;}-\mathrm{\&theta;}R)}$

式中：主动抗倾覆机械同步系统同步轴产生的抗倾覆力矩M_T＝K_T×(Δ-θR)，单位为kN·m；

主动抗倾覆机械同步系统间隙θ，单位为弧度；

卷筒半径R，单位为m；

主动抗倾覆机械同步系统整体抗倾覆刚度K_T，单位为kN；

主动抗倾覆机械同步系统安全系数γ_T，取为6～7；

主动抗倾覆机械同步系统间隙θR决定主动抗倾覆机械同步系统开始发挥抗倾覆能力位置；在图5中表现为E值大小，主动抗倾覆机械同步系统整体抗倾覆刚度K_T决定承船厢的抗倾覆力矩大小，在图5中表现为EF抗倾覆力矩曲线斜率，该整体抗倾覆刚度K_T越大斜率值越大、系统抗倾覆能力越强；

(3)第三阶段，承船厢倾斜量Δ≥Δ_max

承船厢倾斜超过设计允许最大倾斜值Δ_max，自反馈稳定系统发挥承船厢倾斜限位作用；继续增加的承船厢倾覆力矩由主动抗倾覆机械同步系统继续承担；该阶段稳定均衡水力驱动系统关闭，升船机承船厢停止运行，主动抗倾覆机械同步系统卷筒上的安全装置投入工作，承船厢继续增加的倾覆力矩由卷筒上的安全装置承担；卷筒制动力应满足下列关系：

F_z≥γ_z×F_c

式中：卷筒总制动力F_z,单位为kN；

承船厢水体总重力F_c，单位为kN；

卷筒制动力安全系数γ_z，取0.4～1.0。

所述主动抗倾覆机械同步系统按下列方法进行设置：

本发明主动抗倾覆机械同步系统中的二排卷筒及联轴器和同步轴，以及伞齿对、联轴器和横向同步轴完全对称、承船厢充分调平、各卷筒、钢丝绳受力和摩擦完全相同，忽略承船厢和钢丝绳刚度影响，则主动抗倾覆机械同步系统刚度、强度按下列方法设置，具体为：

一、刚度设置方法

所述承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP按下式计算：

$\mathrm{\&Delta;}P=\frac{(\mathrm{\&Delta;}h+{\mathrm{\&Delta;h}}_0)L_c{B}_c\mathrm{\&rho;}g}{24}+\frac{M_b+M_p}{2L_c}---\left(1\right)$

式中：

Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起的承船厢倾斜量，单位为m；

Δh₀为承船厢升降运行卷筒、钢绳等加工安装误差引起的承船厢倾斜量，单位为m；

L_c为承船厢长度，单位为m；

B_c为承船厢宽度，单位为m；

ρ为密度，单位为kg/m³；

g为重力加速度，单位为m/s^-2；

M_b为承船厢水面波动引起的倾覆力矩，单位为kN·m；

M_p为承船厢偏心荷载引起的倾覆力矩，单位为kN·m；

因同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起承船厢发生倾斜量Δh后，主动抗倾覆机械同步系统又通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF根据下式计算：

$\mathrm{\&Delta;}F=\frac{\mathrm{\&Delta;}h-{\mathrm{\&theta;}}_{2}R+4M_{f}R\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}{R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}---\left(2\right)$

式中：ΔF为作用于承船厢的抗倾覆力，单位为kN；

Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起的承船厢倾斜量，单位为m；

θ₂为同步轴之间的总间隙，单位为弧度；

R为卷筒半径，单位为m；

M_f为单个卷筒摩擦力产生的扭矩，单位为kN·m；

G为剪切弹性模量，单位为kPa；

L_i为第i根同步轴长度，单位为m；

I_pi为第i根同步轴截面极惯性矩，其中：

$I_p=\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^4}{32}(1-a^4)$

式中：D--同步轴外径；

a--空心同步轴，内径/外径；实心同步轴相当于内径为0，即a＝0；

因此，在不考虑同步轴强度破坏条件下得知：

(1)ΔF>ΔP,同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起承船厢倾斜Δh时，通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF大于承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢倾斜量Δh将减小；

(2)ΔF<ΔP,承船厢倾斜量Δh继续增加，同步轴需要发生更大的扭转变形，产生更大的抵抗力，这样才能保证承船厢平衡；

(3)ΔF＝ΔP,承船厢倾斜量Δh等于其作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢稳定，则记

$\mathrm{\&beta;}=\frac{L_c{B}_c\mathrm{\&rho;}g}{24},\mathrm{\&delta;}=R\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}$

根据承船厢稳定时的条件即ΔF＝ΔP可知，承船厢稳定时应满足以下条件：

$\mathrm{\&Delta;}h=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{2}R}{1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}+\frac{{\mathrm{\&Delta;h}}_0\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}{1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}+\frac{\mathrm{\&delta;}R(M_b+M_p)}{2L_c(1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R)}-\frac{4{\mathrm{\&delta;M}}_f}{1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}---\left(3\right)$

由于Δh≥0，定义主动抗倾覆机械同步系统整体刚度公式(4)成立的必要条件是：1>βδR，即主动抗倾覆机械同步系统能维持承船厢稳定的必要条件为：

$K>\frac{L_c{B}_c{\mathrm{\&rho;gR}}^2}{24}---\left(4\right)$

承船厢升降运行过程中，承船厢允许发生的最大倾斜量为Δh_max，则主动抗倾覆机械同步系统刚度还应满足：

γ₁(θ₂R+Δh₀)+γ₂(M_b+M_p)-γ₃M_f≤Δh_max(5)

式中：

(1)γ₁(θ₂R+Δh₀)为制造误差产生的倾斜量，即主动抗倾覆机械同步系统间隙、钢绳走线误差等引起的承船厢倾斜量，定义：为制造误差倾斜系数，定义γ₁为与承船厢尺度和同步轴刚度相关的系数，结合公式(5)可知γ₁∈[1,+∞)，根据系数γ₁定义可知γ₁为大于或等于1的数值；同步轴刚度越大，γ₁值越小，但不会小于1；当同步轴刚度无穷大时γ₁＝1，此时制造误差引起的承船厢最大倾斜量为θ₂R+Δh₀；因此γ₁会对制造误差产生的承船厢倾斜量起到放大作用，同步轴的刚度越小，对制造误差产生的承船厢倾斜量放大作用越大；同步轴的刚度越大，对制造误差产生的船厢倾斜量放大作用越小；

(2)γ₂(M_b+M_p)为倾覆力矩引起的承船厢倾斜量ΔH₂，即承船厢在水面波动、承船厢偏心荷载等倾覆力矩作用下发生的倾斜量，定义为波动倾斜量系数，刚度无穷大时，γ₂→0，此时水面波动倾覆力矩对承船厢产生倾斜量影响越小；

(3)-γ₃M_f为系统摩擦力产生的承船厢倾斜量抵抗量，定义为摩擦力倾斜量抵抗系数，系统越大，对降低承船厢倾斜量越有利；

因此，主动抗倾覆机械同步系统要具备抗倾覆能力，其同步轴刚度应同时满足公式(4)和公式(5)；

二、强度设置方法

承船厢运行过程中同步轴最大扭矩T_N表示为:

式中,为倾覆力矩系数,

M_Q为承船厢倾覆力矩，单位为kN·m；

为制造误差系数；

θ₂R+Δh₀为主动抗倾覆机械同步系统制造误差；

体现了承船厢水面波动、承船厢偏心荷载等产生的承船厢倾覆力矩M_Q对同步轴扭矩的影响；

体现了承船厢加水后，主动抗倾覆机械同步系统制造误差θ₂R+Δh₀对同步轴扭矩的影响；

体现了承船厢内水体对同步轴扭矩荷载的影响；

反映了系统摩擦力对同步轴扭矩的抵抗作用；

M_k反映了由于安装误差等在同步轴转动时产生的同步轴内部扭矩变化；

M_g反映了承船厢初始调平时，相邻卷筒、钢绳受力不均对同步轴产生的初始扭矩；

无水承船厢升降运行时，这两项影响可忽略，因此无水承船厢升降运行时，同步轴扭矩可表示为：

三、间隙及制造误差控制条件

对于主动抗倾覆机械同步系统间隙θ₂R、制造误差倾斜量Δh₀，应按以下条件进行控制：

$({\mathrm{\&theta;}}_{2}R+{\mathrm{\&Delta;h}}_0)\&le;\frac{{\mathrm{\&Delta;h}}_{max}+{\mathrm{\&gamma;}}_3{M}_f-{\mathrm{\&gamma;}}_2(M_b+M_p)}{{\mathrm{\&gamma;}}_1}---\left(6\right)$

式中：Δh_max为承船厢允许发生的最大倾斜量，单位为m；

M_max为主动抗倾覆机械同步系统允许的最大扭矩，单位为kN·m；其余符号意义同前。

所述主动抗倾覆机械同步系统的其它设置按常规进行。

通过上述设置与现有技术相比得知：本发明升船机承船厢倾斜量远小于现有技术，当水面波动倾斜力矩为20×10³kN·m时，现有技术实测承船厢发生15.6cm左右倾斜，而本发明仅发生3.0cm的倾斜，见图23，并且本发明设置具有抗倾覆能力的主动抗倾覆机械同步系统后，由承船厢水面波动产生的最大扭矩也可显著降低，水面波动倾覆力矩20×10³kN·m时，现有技术的同步轴最大扭矩为554kN·m，而本发明仅为338.6kN·m，见图24。

在1：10的承船厢动态运行试验中，按本发明的抗倾覆功能的主动抗倾覆机械同步系统能保证水力式升船机是一个收敛稳定的系统，承船厢倾斜量及承船厢水面波动不会增大发散，承船厢有水升降运行过程中，承船厢纵向倾斜量仅增加3.5cm，同步轴的最大扭矩变化幅值为192.6kN·m，整个运行过程中承船厢没有发生失稳现象。

所述稳定均衡水力驱动系统的输水主管及多个分支水管按下列方法进行设置：

按照水流惯性长度完全相等的要求设置输水主管及多个分支水管，具体是：输水主管进口至竖井(出口)这一管段的长度、截面几何尺寸与对应的各个分支水管的总长度、总截面几何尺寸完全相同，以满足等惯性设置要求。

由于所述多个分支水管的最大流速<6m/s，因此，分别在转角管转角处和分叉管处设置第一阻力均衡件36、第二阻力均衡件37，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求。

在各竖井31底部设置连通的水位平衡廊道326，该水位平衡廊道326的最小横截面积通过下列方法计算：

$\mathrm{\&omega;}=K\frac{2C\sqrt{H}}{\mathrm{\&mu;}T\sqrt{2g}}---\left(8\right)$

式中：ω为水位平衡廊道面积,单位为m²；

C为相邻竖井面积，单位为m²；

H为相邻竖井允许最大水位差，单位为m；

μ为水位平衡廊道流量系数；

T为最大水位差允许持续时间，单位为s；

K为安全系数，1.5～2.0；

g为重力加速度，单位为m/s^-2。

根据公式(8)计算得到水位平衡廊道326的面积应大于7m²；使竖井31之间的水位差<0.6m，水位差持续时间<5s，避免了竖井31之间水位差的累积。

稳定均衡水力驱动系统的其它设置按常规进行。

本发明通过输水阀阀前设置的环向强迫通气机构及阀后设置的稳压减振箱，解决输水阀的空化及振动问题，减小压力脉动，使输水阀的大开度开启时间提前，提高输水效率，避免水力空化对输水阀及输水管路的破坏。经观测结果表明：阀前环向强迫通气机构及阀后稳压减振箱两种措施结合使用，能够有效抑制输水阀的空化、空蚀，减小振动加速度，提高输水效率，即：

a)稳压减振箱与现有技术相比，在相同开度输水阀作用水头普遍提高5m的条件下，最大流量由14.3m³/s增大到21.0m³/s；输水时间由3213min缩短至15.4min；同时，稳压减振箱大大改善了现有技术不利的水流条件，相同开启方式下，压力脉动均方根最大值由2.7m水柱(见图25)下降到0.09m水柱(见图26)；输水阀相对空化数提高30～40％，抗空化作用突出；此外，稳压减振箱各测点振动最大加速度均方根值平均下降36％，其自振频率高，超过1kHz，不会与水流脉动荷载发生共振，结构设计、安装满足抗振设计要求。

b)采用环向强迫通气机构及稳压减振箱联合使用后，使压力脉动进一步降低，普遍下降20％左右；通过环向强迫通气机构掺气后，输水阀空气声级平均降低5dB，在没有混响声的范围内，水流噪声平稳，没有异常响声；几乎未检测到空化脉冲信号(见图28)，图27是现有技术，其噪声强度大；空化噪声声压级下降20～30dB，掺气保证了无空化运行状态，输水管振动加速度平均减小80％～90％，见图29，表明掺气减振效果显著，60％气体能排出，40％气体进入竖井31，未形成气囊，不影响竖井31水面的平稳性，掺气后竖井31水面波动幅值小于±0.05m；

c)环向强迫通气机构及稳压减振箱这两种措施结合使用后，大大提高了输水主阀对应开度作用水头，减少输水时间，经过合理优化后的开启方式，能保证输水时间在15min以内。

通过本发明水力式升船机原型观测可知，采用本发明的水力稳定平衡系统进行优化改造后，在流量超过20m³/s、输水时间15min以内条件下，竖井水面最大波动仅为±5cm，见图30，相邻竖井水位差小于3cm，阀门运行过程无空化现象，振动加速度大大减小。

竖井31之间水位平衡廊道326的设置，使竖井31之间的水位差降低，同步性改善，见图35；图34是没有设置水位平衡廊道326前各竖井31之间水位差关系图，显然水位平衡廊道326的设置大大改善了竖井31之间的水位差，见图35，使各竖井31之间的水平接近平衡。

充分说明所采用的稳定均衡水力驱动系统水力同步性好，为降低同步轴扭矩、保障船厢平稳运行创造了良好水力条件。

所述承船厢自反馈稳定系统按下列方法设置：

为提高导轮机构对导轨精度的适应能力，控制导轮机构的最大变形量，防止因柔性件失效而导致承船厢自反馈稳定系统失效，承船厢自反馈稳定系统按下列方法设置：

1)承船厢倾斜后的倾覆力矩按下式计算：

N_qf＝(1/2×2Δ×L_c)×B_c×(2/3L_c-1/2L_c)单位：t·m

导轮机构的抗倾覆力矩按下式计算：

N_kf＝4×(2Δ/L)×L^*×K^*×L^*单位：t·m

上述两式中：

L_c为承船厢长度，单位为m；

B_c为承船厢宽度，单位为m；

L^*为导轮机构同一侧导轮间距，单位为m；

K^*为导轮机构中柔性件的刚度，单位为t/m；

Δ为承船厢倾斜量，单位为m；以承船厢横向中心线为基准，一端下降“Δ”、一端上升“Δ”，两端高差即为“2Δ”；

L为承船厢长度。

2)导轮机构中柔性件的刚度按下列方法设置：

K^*＝N_kf/N_qf

K^*>1导轮机构具有抗倾覆作用；

K^*<1导轮机构不具有抗倾覆作用；

K^*＝1导轮机构提供一种不稳定的抗倾覆作用。

3)导轮机构中限位件间隙按下列方法设置：

设导轨最大不平度为：δ

则运行过程中，随着导轮的滚动，导轮间隙处的转动位移为：

δ^*＝(a^*/b^*)×δ

为防止导轮运行卡阻，须满足如下条件：

δ^*>δ

所述自反馈稳定系统的其它设置按常规进行。

通过对承船厢自反馈稳定系统的设置，在承船厢水平稳定的基础上，带水上行、下行全过程运行，其中承船厢上行纵向倾斜量沿程变化如图31所示，承船厢纵倾覆力矩与抗倾覆力矩沿程变化如图32、33所示，可以看出，承船厢纵倾覆表现为稳定的波动过程，波动幅度较小，每次倾斜后均能够恢复，上行过程中最大纵倾覆约50mm，最大导轮压力小于20t，承船厢自反馈稳定系统与主动抗倾覆机械同步系统共同承担承船厢纵倾覆力矩，二者抗倾覆力矩之和与纵倾覆力矩基本吻合，承船厢始终处于稳定收敛状态，解决了沿程没有设置承船厢自反馈稳定系统情况下，承船厢严重倾斜超过300mm并逐渐扩大的问题，可见，沿程的承船厢自反馈稳定系统抗倾覆效果十分显著，使水力式升船机机械提升系统的不稳定发散特性发生根本性转变，变成稳定收敛的系统。

通过上述实施方案表明，稳定均衡水力驱动系统实现了同步、平稳、快速、高效的水力条件，为升船机稳定高效运行奠定了基础；主动抗倾覆机械同步系统减小了承船厢的倾斜量和同步轴扭矩，为升船机安全、平稳运行提供条件；承船厢自反馈稳定系统能够灵活适应导轨的不平整度，保证承船厢水平且稳定升降，在小范围内的波动下，倾斜量和受力进一步减小。因此，上述多个系统联合工作共同组成一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，并保证水力式升船机能够稳定高效运行。

本发明各系统耦合作用及对承船厢整体进行抗倾覆保护机制如下：

稳定均衡水力驱动系统、主动抗倾覆机械同步系统、承船厢自反馈稳定系统共同作用，其抗倾覆相互作用关系，如图5所示。图5中AB为承船厢倾斜后产生的倾覆力矩变化曲线，JHC为承船厢自反馈稳定系统产生的抗倾覆力矩曲线，EF为主动抗倾覆机械同步系统的抗倾覆力矩曲线，JHI为多系统能提供的抗倾覆力矩。

稳定均衡水力驱动系统主要控制承船厢初始倾覆力矩A值大小，通过降低竖井水位差和承船厢运行速度波动，消除承船厢不均匀荷载以及承船厢内水体的扰动。在图5中表现为，降低承船厢AB倾覆力矩曲线的初始扰动倾覆力矩A值的大小。

自反馈稳定系统预压荷载和刚度主要控制抗承船厢初始倾斜扰动能力J值大小。主动抗倾覆机械同步系统间隙影响该系统开始发挥抗倾覆能力的承船厢初始倾斜量E值大小。自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统刚度大小决定JHC和EF抗倾覆力矩曲线斜率，刚度越大斜率值越大，抗倾覆能力越强。

自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统作用关系分三个阶段发生承船厢整体抗倾覆作用：

第一阶段，同步轴间隙消除前(DE)，主动抗倾覆机械同步系统还没有充分发挥抗倾覆能力，自反馈稳定系统承担承船厢初始倾覆力矩，起维持承船厢稳定的主导作用。

第二阶段，同步轴间隙消除后到自反馈稳定系统工作区间(EG)，自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统共同承担抗承船厢倾覆作用，且主动抗倾覆机械同步系统起主要的承船厢抗倾覆作用，二者在承船厢抗倾覆作用中的比例与自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统的刚度大小相关，主动抗倾覆机械同步系统刚度越大，EG阶段主动抗倾覆机械同步系统抗倾覆作用比例越大。

第三阶段，承船厢倾斜超过承船厢自反馈稳定系统工作范围(>G点)，自反馈稳定系统发挥承船厢倾斜限位作用,继续增加的承船厢倾覆力矩由主动抗倾覆机械同步系统继续承担。

承船厢倾斜量超过G后，稳定均衡水力驱动系统关闭，升船机承船厢停止运行，主动抗倾覆机械同步系统中卷筒上的制动器投入工作防止卷筒转动，承船厢继续增加的倾覆力矩由卷筒上的制动器承担。

Claims (10)

1.一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，包括主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、自反馈稳定系统，其特征在于：

所述稳定均衡水力驱动系统还包括设置在分支水管转角处的第一阻力均衡件或/和分叉管处的第二阻力均衡件、分别设置在输水主管输水阀阀前的环向强迫通气机构和阀后的稳压减振箱；

所述自反馈稳定系统的每一个导轮通过支撑机构固定在承船厢上，所述支撑机构包括与承船厢相连的底座，铰接在底座上的支架，固定在支架与底座之间的柔性件，设置在柔性件外侧的限位挡件，设置在支架上并沿导轨滚动的导轮；

通过上述主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、承船厢自反馈稳定系统联合共同作用，解决水力式升船机承船厢载水倾斜，无法正常升降运行的问题，提高了水力式升船机的总体抗倾覆能力，保障水力式升船机安全、稳定、可靠运行。

2.根据权利要求1所述的一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，其特征在于所述自反馈稳定系统包括对称设置在船闸室侧壁上的导轨，对称设置在承船厢两侧对应上、下部的，与船闸室侧壁上的导轨相配接的多个导轮，每一个导轮均通过支撑机构固定在承船厢上，其中：

所述支撑机构的支架为两块相对设置的三角板，该三角板的直角处通过铰轴固定在底座内侧的凸块上，水平外端与底座之间设置柔性件，直角上端通过轮轴将导轮固定在两块三角板之间；

所述导轨沿船闸室两侧内壁分别设置两根，共四根，每一根导轨的左右两侧壁与承船厢上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构，共四个支撑机构相配接；所述导轨的左右两侧壁上对应地设置水平板或直角板，该水平板或直角板的侧板与承船厢上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构相配接。

3.根据权利要求1所述的一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，其特征在于所述稳定均衡水力驱动系统包括竖井、设置在竖井中的其底部设120°锥体的浮筒、带输水阀的输水主管，下端与输水主管相连的多根分支水管，所述多根分支水管由下部的直管、中部的转角管和/或分叉管以及上部的直管构成，且上部的直管出水端置于对应的竖井底部，并在直管出水端设置有消能工，各个竖井之间通过水位平衡廊道相连，且竖井与浮筒之间的间隙比保持在0.095～0.061之间。

4.根据权利要求1所述的一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，其特征在于所述稳定均衡水力驱动系统中的：

第一阻力均衡件为直角弯管，且在直角弯管直角处下方设置向下延伸且封闭的管头；

第二阻力均衡件为上大下小的实心或空心圆锥体，该圆锥体的上端固定在分叉管的水平管壁上，下端向下延伸至分叉管的竖直管中；

环向强迫通气机构包括：固定在输水主管外部的通气环管，通气环管的内侧壁上设有第一通孔，第一通孔与设置在输水主管壁上的第二通孔连通，通气环管的外侧壁上设有第三通孔，第三通孔与供气管相连，供气管与气源相连；所述通气环管上的第一通孔、第三通孔以及输水主管上的第二通孔间隔设置多个，且每一个第三通孔均通过对应的供气分管与供气总管相连，供气总管与气源相连；

稳压减振箱包括：内带空腔、其上带进水口和出水口的壳体，设置在壳体外壁的外梁系，壳体空腔内间隔设有内梁系隔栏，该内梁系隔栏包括由纵、横交错的竖直杆和水平杆设置成与壳体空腔横断面形状相适应的镂空板，该镂空板的镂空中间隔设置斜拉杆；所述纵、横交错的竖直杆和水平杆及斜拉杆均为实心圆杆或空心圆管，且竖直杆和水平杆的纵、横交错位置设有槽形加强板；并在内梁系隔栏与壳体空腔壁相连的部位设有垫板。

5.根据权利要求4所述的一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，其特征在于所述稳压减振箱的：

壳体上还设有检修用人孔，壳体内的后部设有集气槽，集气槽顶部设有排气孔，该排气孔与排气管相连；

外梁系包设在壳体所有外壁上，该外梁系包括等高且间隔设置的主横梁板，及位于两两主横梁板之间且高度低于主横梁板的次横梁板组、与主横梁板和次横梁板组相垂直的等高且间隔设置的纵梁板组及等宽、等长且间隔设置的水平梁板组，该三组梁板相互交织连接而成；所述入水口处的外梁系上设有下凹的变截面梁板组，变截面梁板组的外侧与法兰端面平齐；

所述入水口设置三个，分别通过对应的输水阀与输水主管相连，其中位于中间的输水阀为主阀，两侧的输水阀为辅阀，且一个主阀和两个辅阀的阀前输水主管上均设置有环向强迫通气机构。

6.根据权利要求1所述的一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，其特征在于所述主动抗倾覆机械同步系统包括与船闸室中的承船厢两侧的多个部位相连的多根钢绳，多根钢绳的另一端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒以及设置在竖井中浮筒上的滑轮固定在竖井的顶部，多个卷筒之间通过同步轴及联轴器相连，其中：

多个卷筒及联轴器和同步轴分别与承船厢两侧的钢绳相对应的设置成两排，两排之间通过伞齿对及联轴器连接有横向同步轴，构成矩形框连接；每一卷筒上均设有常规制动器。

7.一种具有抗倾覆能力的水力式升船机的抗倾覆能力设计方法，其特征在于构成本发明的具有抗倾覆能力水力式升船机的主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、自反馈稳定系统，这三大系统的联合抗倾覆作用分下列三个阶段进行设计：

(1)第一阶段，承船厢倾斜量0≤Δ<θR

该阶段因主动抗倾覆机械同步系统间隙尚未消除，主动抗倾覆机械同步系统还没有充分发挥抗倾覆作用，由自反馈稳定系统承担承船厢的初始倾覆力矩、维持承船厢的稳定，该阶段自反馈稳定系统提供的抗倾覆力矩满足下列关系：

K_d×Δ+M_d0＝M_d>γ_d×(M_c+M_w)＝γ_d×(K_c×Δ+M_w)

自反馈稳定系统整体抗倾覆刚度满足下列关系：

$K_d>{\mathrm{\&gamma;}}_d\&times;(K_c+\frac{M_w-M_{d0}/{\mathrm{\&gamma;}}_d}{\mathrm{\&Delta;}})$

式中：承船厢倾斜产生的倾覆力矩M_c＝K_c×Δ，单位为kN·m；

承船厢倾覆刚度K_c，单位为kN；

承船厢总倾斜量Δ，单位为m；

稳定均衡水力驱动系统产生的承船厢初始倾覆力矩M_w，单位为kN·m；

承船厢总倾覆力矩大小为M_c+M_w＝K_c×Δ+M_w，单位为kN·m；

自反馈稳定系统产生的抗倾覆力矩M_d＝K_d×Δ+M_d0，单位为kN·m；

自反馈稳定系统预压抗倾覆力矩M_d0，单位为kN·m；

自反馈稳定系统整体抗倾覆刚度K_d，单位为kN；

自反馈稳定系统安全系数γ_d，取1.5～2.0.

稳定均衡水力驱动系统通过降低竖井内水位差和承船厢运行速度波动，消除承船厢不均匀荷载以及承船厢内水体的扰动，来降低承船厢初始倾覆力矩M_w值大小；自反馈稳定系统预压荷载决定M_d0大小，抗倾覆刚度K_d决定其抗承船厢抗倾覆力矩大小；

(2)第二阶段，承船厢倾斜量θR≤Δ<Δ_max

该阶段自主动抗倾覆机械同步系统间隙消除后到承船厢倾斜量小于设计允许极限倾斜值Δ_max，由自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统同步轴共同发挥承船厢的抗倾覆作用，且主动抗倾覆机械同步系统起主要抗倾覆作用，自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统两者在承船厢抗倾覆作用中的比例与自反馈稳定系统和主动抗倾覆机械同步系统的刚度大小K_d、K_T相关；两者提供的总抗倾覆力矩应满足下列关系：

K_d×Δ+M_d0+K_T×(Δ-θR)＝M_d+M_T>(γ_d+γ_T)×(M_c+M_w)＝(γ_d+γ_T)×(K_c×Δ+M_w)

主动抗倾覆机械同步系统整体抗倾斜刚度应满足下列关系：

$K_T>\frac{({\mathrm{\&gamma;}}_d+{\mathrm{\&gamma;}}_T)\&times;(K_c\&times;\mathrm{\&Delta;}+M_w)-K_d\&times;\mathrm{\&Delta;}-M_{d0}}{(\mathrm{\&Delta;}-\mathrm{\&theta;}R)}$

式中：主动抗倾覆机械同步系统产生的抗倾覆力矩M_T＝K_T×(Δ-θR)，单位kN·m；

主动抗倾覆机械同步系统间隙θ，单位为弧度；

卷筒半径R，单位为m；

主动抗倾覆机械同步系统整体抗倾覆刚度K_T，单位为kN；

主动抗倾覆机械同步系统安全系数γ_T，取6～7.

主动抗倾覆机械同步系统间隙θR决定主动抗倾覆机械同步系统开始发挥抗倾覆能力位置；主动抗倾覆机械同步系统整体抗倾覆刚度K_T决定承船厢的抗倾覆力矩大小；

(3)第三阶段，承船厢倾斜量Δ≥Δ_max

承船厢倾斜超过设计允许最大倾斜值Δ_max，自反馈稳定系统发挥承船厢倾斜限位作用；继续增加的承船厢倾覆力矩由主动抗倾覆机械同步系统继续承担；该阶段稳定均衡水力驱动系统关闭，升船机承船厢停止运行，主动抗倾覆机械同步系统卷筒上安装的制动器投入工作，承船厢继续增加的倾覆力矩由卷筒上的制动器承担；卷筒制动力应满足下列关系：

F_z≥γ_z×F_c

式中：卷筒总制动力F_z,单位为kN；

承船厢水体总重力F_c，单位为kN；

卷筒制动力安全系数γ_z，取0.4～1.0。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述主动抗倾覆机械同步系统按下列方法进行设计：

主动抗倾覆机械同步系统同时具备承船厢抗倾覆和传递均衡承船厢不均匀荷载双重功能，该系统通过同步轴的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩，并在承船厢倾斜量或同步系统扭矩达到设计值时，通过设置在卷筒上的制动器锁定卷筒，保障升船机整体安全；

设主动抗倾覆机械同步系统中的两排卷筒、联轴器和同步轴，以及伞齿对、联轴器和横向同步轴完全对称、承船厢充分调平、各卷筒、钢丝绳受力和摩擦完全相同，忽略承船厢和钢丝绳刚度影响，则主动抗倾覆机械同步系统刚度、强度按下列方法设置，具体为：

一、刚度设置方法

所述承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP按下式计算：

$\mathrm{\&Delta;}P=\frac{(\mathrm{\&Delta;}h+{\mathrm{\&Delta;h}}_0)L_c{B}_c\mathrm{\&rho;}g}{24}+\frac{M_b+M_p}{2L_c}---\left(1\right)$

式中：

Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起的承船厢倾斜量，单位为m；

Δh₀为承船厢升降运行卷筒、钢绳等加工安装误差引起的承船厢倾斜量，单位为m；

L_c为承船厢长度，单位为m；

B_c为承船厢宽度，单位为m；

ρ为密度，单位为kg/m3；

g为重力加速度，单位为m/s^-2；

M_b为承船厢水面波动引起的倾覆力矩，单位为kN·m；

M_p为承船厢偏心荷载引起的倾覆力矩，单位为kN·m；

因同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起承船厢发生倾斜量Δh后，主动抗倾覆机械同步系统又通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF根据下式计算：

$\mathrm{\&Delta;}F=\frac{\mathrm{\&Delta;}h-{\mathrm{\&theta;}}_{2}R+4M_{f}R\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}{R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}---\left(2\right)$

式中：ΔF为作用于承船厢的抗倾覆力，单位为kN；

Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起的承船厢倾斜量，单位为m；

θ₂为同步轴之间的总间隙，单位为弧度；

R为卷筒半径，单位为m；

M_f为单个卷筒摩擦力产生的扭矩，单位为kN·m；

G为剪切弹性模量，单位为kPa；

L_i为第i根同步轴长度，单位为m；

I_pi为第i根同步轴截面极惯性矩，其中：

$I_p=\frac{{\mathrm{\&pi;D}}^4}{32}(1-a^4)$

式中：D--同步轴外径；

a--空心同步轴，内径/外径；实心同步轴相当于内径为0，即a＝0；

因此，在不考虑同步轴强度破坏条件下，得知：

(1)ΔF>ΔP,同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起承船厢倾斜Δh时，通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF大于承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢倾斜量Δh将减小；

(2)ΔF<ΔP,承船厢倾斜量Δh继续增加，同步轴需要发生更大的扭转变形，产生更大的抵抗力，这样才能保证承船厢平衡；

(3)ΔF＝ΔP,承船厢倾斜量Δh等于其作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔF时，承船厢稳定，则记

$\mathrm{\&beta;}=\frac{L_c{B}_c\mathrm{\&rho;}g}{24},\mathrm{\&delta;}=R\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}$

根据承船厢稳定时的条件即ΔF＝ΔP可知，承船厢稳定时应满足以下条件：

$\mathrm{\&Delta;}h=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{2}R}{1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}+\frac{{\mathrm{\&Delta;h}}_0\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}{1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}+\frac{\mathrm{\&delta;}R(M_b+M_p)}{2L_c(1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R)}-\frac{4{\mathrm{\&delta;M}}_f}{1-\mathrm{\&beta;}\mathrm{\&delta;}R}---\left(3\right)$

由于Δh≥0，定义主动抗倾覆机械同步系统整体刚度公式(4)成立的必要条件是：1>βδR，即主动抗倾覆机械同步系统能维持承船厢稳定的必要条件为：

$K>\frac{L_c{B}_c{\mathrm{\&rho;gR}}^2}{24}---\left(4\right)$

承船厢升降运行过程中，承船厢允许发生的最大倾斜量为Δh_max，则主动抗倾覆机械同步系统刚度还应满足：

γ₁(θ₂R+Δh₀)+γ₂(M_b+M_p)-γ₃M_f≤Δh_max(5)

式中：

(1)γ₁(θ₂R+Δh₀)为制造误差产生的倾斜量，即主动抗倾覆机械同步系统间隙、钢绳走线误差引起的承船厢倾斜量，定义：为制造误差倾斜系数，定义γ₁为与承船厢尺度和同步轴刚度相关的系数，结合公式(5)可知γ₁∈[1,+∞)，根据系数γ₁定义可知γ₁为大于或等于1的数值；同步轴刚度越大，γ₁值越小，但不会小于1；当同步轴刚度无穷大时γ₁＝1，此时制造误差引起的承船厢最大倾斜量为θ₂R+Δh₀；因此γ₁会对制造误差产生的承船厢倾斜量起到放大作用，同步轴的刚度越小，对制造误差产生的承船厢倾斜量放大作用越大；同步轴的刚度越大，对制造误差产生的船厢倾斜量放大作用越小；

(2)γ₂(M_b+M_p)为倾覆力矩引起的承船厢倾斜量ΔH₂，即承船厢在水面波动、承船厢偏心荷载等倾覆力矩作用下发生的倾斜量，定义为波动倾斜量系数，刚度无穷大时，γ₂→0，此时水面波动倾覆力矩对承船厢产生倾斜量影响越小；

(3)-γ₃M_f为系统摩擦力产生的承船厢倾斜量抵抗量，定义为摩擦力倾斜量抵抗系数，系统越大，对降低承船厢倾斜量越有利；

因此，主动抗倾覆机械同步系统要具备抗倾覆能力，其同步轴刚度应同时满足公式(4)和公式(5)；

二、强度设置方法

承船厢运行过程中同步轴最大扭矩T_N表示为:

式中,为倾覆力矩系数；

M_Q为承船厢倾覆力矩，单位为kN·m；

为制造误差系数；

θ₂R+Δh₀为主动抗倾覆机械同步系统制造误差；

体现了承船厢水面波动、承船厢偏心荷载等产生的承船厢倾覆力矩M_Q对同步轴扭矩的影响；

体现了承船厢加水后，主动抗倾覆机械同步系统制造误差θ₂R+Δh₀对同步轴扭矩的影响；

体现了承船厢内水体对同步轴扭矩荷载的影响；

反映了系统摩擦力对同步轴扭矩的抵抗作用；

M_k反映了由于安装误差等在同步轴转动时产生的同步轴内部扭矩变化；

M_g反映了承船厢初始调平时，相邻卷筒、钢绳受力不均对同步轴产生的初始扭矩；

无水承船厢升降运行时，这两项影响可忽略，因此无水承船厢升降运行时，同步轴扭矩可表示为：

三、间隙及制造误差控制条件

对于主动抗倾覆机械同步系统间隙θ₂R、制造误差倾斜量Δh₀，应按以下条件进行控制：

$({\mathrm{\&theta;}}_{2}R+{\mathrm{\&Delta;h}}_0)\&le;\frac{{\mathrm{\&Delta;h}}_{max}+{\mathrm{\&gamma;}}_3{M}_f-{\mathrm{\&gamma;}}_2(M_b+M_p)}{{\mathrm{\&gamma;}}_1}---\left(6\right)$

式中：Δh_max为承船厢允许发生的最大倾斜量，单位为m；

M_max为主动抗倾覆机械同步系统允许的最大扭矩，单位为kN·m；其余符号意义同前；所述主动抗倾覆机械同步系统的其它设置按常规进行。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述稳定均衡水力驱动系统中的输水主管及多个分支水管按下列方法进行设置：

按照水流惯性长度完全相等的要求设置输水主管及多个分支水管，具体是：输水主管进口至竖井这一管段的长度、截面几何尺寸与对应的各个分支水管的总长度、总截面几何尺寸完全相同，以满足等惯性设置要求；

所述多个分支水管的转角管转角处设置的第一阻力均衡件或/和分叉管处设置的第二阻力均衡件，通过下列方法设置：

1)分支水管最大流速<2m/s时,设置第一阻力均衡件，降低分支水管转角处的水流偏流现象；

2)分支水管最大流速<4m/s时,设置第二阻力均衡件，使分支水管分叉管处的流量均匀；

3)分支水管最大流速<6m/s时,同时设置第一、第二阻力均衡件；

以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；

所述水位平衡廊道最小横截面积通过下列方法计算：

$\mathrm{\&omega;}=K\frac{2C\sqrt{H}}{\mathrm{\&mu;}T\sqrt{2g}}---\left(8\right)$

式中：ω为水位平衡廊道面积,单位为m²；

C为相邻竖井面积，单位为m²；

H为相邻竖井允许最大水位差，单位为m；

μ为水位平衡廊道流量系数；

T为最大水位差允许持续时间，单位为s；

K为安全系数，1.5～2.0；

g为重力加速度，单位为m/s^-2；

通过竖井底部水位平衡廊道的设置以及水位平衡廊道最小横截面积的确定，对竖井之间的水位不一致进行调节，避免竖井之间水位差的累积；所述稳定均衡水力驱动系统的其它设置按常规进行。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述自反馈稳定系统按下列方法设置：

为提高导轮机构对导轨精度的适应能力，控制导轮机构的最大变形量，防止因柔性件失效而导致自反馈稳定系统失效，自反馈稳定系统按下列方法设置：

1)承船厢倾斜后的倾覆力矩按下式计算：

N_qf＝(1/2×2Δ×L_c)×B_c×(2/3L_c-1/2L_c)单位：t·m

导轮机构的抗倾覆力矩按下式计算：

N_kf＝4×(2Δ/L)×L^*×K^*×L^*单位：t·m

上述两式中：

L_c为承船厢长度，单位为m；

B_c为承船厢宽度，单位为m；

L^*为导轮机构同一侧导轮间距，单位为m；

K^*为导轮机构中柔性件的刚度，单位为t/m；

Δ为承船厢倾斜量，单位m；以承船厢横向中心线为基准，一端下降“Δ”、一端上升“Δ”，两端高差即为“2Δ”；

L为承船厢长度；

2)导轮机构中柔性件的刚度按下列方法设置：

K^*＝N_kf/N_qf

K^*>1导轮机构具有抗倾覆作用；

K^*<1导轮机构不具有抗倾覆作用；

K^*＝1导轮机构提供一种不稳定的抗倾覆作用；

3)导轮机构中限位件间隙按下列方法设置：

设导轨最大不平度为：δ

则运行过程中，随着导轮的滚动，导轮间隙处的转动位移为：

δ^*＝(a^*/b^*)×δ

为防止导轮运行卡阻，须满足如下条件：

δ^*>δ

所述自反馈稳定系统的其它设置按常规进行。