CN107882009A - 水力式升船机船厢出入水平稳高效运行的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水力式升船机船厢出入水平稳运行的控制方法，具体说的是通过控制输水阀门的开度调节输水系统流量，对船厢出、入水的关键节点进行速度控制，从而实现对船厢出入水速度的控制，确保船厢倾斜量、出水吸附力与入水拍击力、同步轴扭矩等各项指标在安全范围内，在最大程度上提高升船机的运行效率。经过工程实践验证，本发明能充分保障水力式升船机船厢在出入水过程中平稳高效运行。

Description

水力式升船机船厢出入水平稳高效运行的控制方法

技术领域

本发明属于通航水力学领域，涉及一种水力式升船机船厢出入水平稳高效运行的控制方法，具体说的是一种针对水力式升船机船厢出入水过程——通过控制输水系统流量实现对船厢出、入水关键部位的速度控制，确保船厢倾斜量、出水吸附力与入水拍击力、同步轴扭矩等各项指标在安全范围内，本发明提出的控制方法在保证升船机安全平稳运行的同时确保了升船机的运行效率。

背景技术

升船机依据不同的运行原理可分为垂直、斜面与水坡三种。垂直升船机是发展的主流，特别是在我国，在建和待建的大中型升船机均为垂直升船机。按照船厢是否入水分类，垂直升船机又可分为下水式和不下水式。

船厢不下水的垂直升船机与下游引航道对接流程为：船厢下行到指定位置---顶紧密封机构伸出---间隙充水----下闸首工作门开启----船厢卧倒门打开---船舶出厢驶入引航道----新的船舶由引航道进入船厢----卧倒门关闭----下闸首工作门开启----间隙抽水---顶紧密封机构缩回---船厢启动上行。

我国中西部地区河流具有河流水量及水位随季节变化大的特点，枢纽通航受电站调峰、泄洪影响大，采用传统的不下水式升船机时，面临的主要问题是：

1)下闸首工作闸门需根据水位的变化进行调整，当下游水位变幅超过10m以上时，下闸首土建结构及工作闸门布置相对复杂，运行困难；

2)由于下游水位变幅大、变率快，船厢不易实现与引航道的精确对接。当船厢按照起始阶段的引航道水位运行到指定位置时，在密封机构工作、间隙充水、工作闸门开启阶段，下游引航道水位发生变化，船厢与下游引航道的水位差不能满足船厢卧倒门的启闭要求，从而导致对接失败。乌江彭水升船机及闽江水口升船机均多次发生此类现象，大大影响升船机运行效率。

为此，提出了一种船厢直接入水的升船机，其与下游引航道的对接流程为：船厢入水到达预定深度----船厢卧倒门打开---船舶出厢驶入引航道----新的船舶由引航道进入船厢----卧倒门关闭----船厢启动出水上行。

显然，下水式升船机不仅具备适应我国中西部河流下游引航道水位变幅大、变率快的特点，船厢对接准确可靠；而且省去了下闸首及其相应的附属设备，包括顶紧、密封机构等，同时运行过程的程序大大减少，即取消了对接顶紧密封机构运行、间隙充泄水、工作闸门启闭这些环节，从而缩短了船只过坝时间，增加了通过能力，提高了运行效率。

下水式升船机船厢出入水是升船机整个运行过程中的一个重要环节，船厢在此过程中受力状态复杂，钢丝绳拉力发生显著变化，在船厢底部辅板出、入水瞬间还会分别产生吸附力与拍击力等附加水动力荷载。因此需要对船厢出入水运行方式进行充分研究，以确保升船机安全可靠运行。

传统电力驱动式升船机船厢出入水特性已有相关方面的研究成果，水力式升船机作为一种全新的升船机型式，工作原理与传统电力驱动式升船机完全不同，见图1。通过缠绕在卷筒上的钢丝绳两端分别连接承船厢和安装在竖井中的平衡重，并通过输水系统向竖井)充水和泄水使平衡重在竖井内垂直升、降，同时带动承船厢降、升，输水系统充水时，充水阀门打开，泄水阀门关闭，泄水时相反。通过调节平衡重的入水深度以改变其浮力，利用浮力的变化，使承船厢侧与平衡重侧之间产生的不平衡力来驱动承船厢的升降运行。承船厢侧的荷载由平衡重平衡，运行中，若承船厢侧荷载发生变化，如承船厢出入水导致系统的平衡条件发生破坏时，能自动改变平衡重在竖井中的淹没水深达到新的平衡，使系统始终处于全平衡状态。

水力式升船机船厢出入水控制方式无法套用电力驱动式升船机的控制方式，两者的区别主要体现在以下两方面：

1)传统电力驱动式升船机与水力式升船机在船厢出入水过程中控制方式不同：电力驱动式升船机利用电机功率来控制船厢的运行速度，水力式升船机通过输水阀门开度控制流量从而控制船厢速度。

2)两种升船机的机械同步轴系统结构形式不同(可将两种升船机的荷载传递过程概化为图1所示的示意图)：电力驱动的升船机机械同步系统，同步轴间隙和扭矩作用下的扭转变形通过减速箱后再经卷筒传递到船厢，同步轴间隙与扭转变形大小对船厢倾斜量影响较小；水力式升船机同步轴直接与卷筒连接，同步轴扭转变形和同步系统间隙通过卷筒直接传递到船厢，同步系统间隙或扭转变形大小直接影响船厢的倾斜量大小。由此导致同步轴扭矩变化特性不同：电机驱动的升船机船厢侧出现较大倾斜力矩或不平衡荷载情况下，船厢受到的不平衡荷载通过船厢吊点传动到卷筒，再由卷筒通过减速器传递到同步轴，因此船厢的倾斜力矩和不平衡荷载对同步轴的扭矩影响较小；水力式升船机则相反，船厢受到的倾斜力矩和不平衡荷载直接通过卷筒传递到同步轴，相同船厢倾斜荷载作用下，水力式升船机同步轴的扭矩比电机驱动的卷扬式升船机大。

综上所述，水力式升船机在下游对接时，船厢出入水过程中除了存在共性的船厢附加水动力荷载之外，还要关注船厢倾斜量、同步轴扭矩等指标是否在安全范围内。试验表明，在船厢出、入水过程中，某些关键部位接触水面的瞬间会引起船厢倾斜量与扭矩的突变，因此必须控制船厢运行速度，但是若船厢出、入水速度过慢，尽管能满足升船机的安全要求，却也影响升船机运行效率。因此，研究和优化水力式升船机船厢出入水运行控制方法非常必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种水力式升船机船厢出入水的运行控制方法，实现船厢在出入水过程中平稳、高效地运行。

本发明解决以上技术问题的技术方案如下：

一种保证水力式升船机船厢出入水平稳高效运行的控制方法，其特征在于：通过控制输水阀门的开度调节输水系统流量，对船厢出、入水的关键节点进行速度控制，从而实现对船厢出、入水的控制：

1)船厢出水

船厢出水关键节点：出水启动瞬间、船厢底部楔形体出水、船厢两端卧倒门底部出水、船厢底部翼缘出水、船厢两端卧倒门底部翼缘出水。

步骤1：控制泄水阀门初始开度，使船厢出水启动速度最大不超过0.015m/s；

步骤2：加大泄水阀门开度，提高船厢厢体出水过程的速度，参考速度0.02～0.03m/s；

步骤3：在泄水阀门开度不变的条件下，由于船厢底部楔形体出水后浮力消失，因此船厢底部楔形体出水瞬间速度会陡然增大，必要时在船厢底部楔形体即将出水前调节泄水阀门开度，使船厢底部楔形体、船厢两端卧倒门底部、船厢底部翼缘、船厢两端卧倒门底部翼缘的出水速度小于0.035m/s，至船厢完全出水。

其中，为了使流程更简便，上述出水控制过程步骤2与步骤3可以合并，泄水阀门经初始开度过渡后，直接一步开启到位，并保持开度不变，只需满足在船厢底部楔形体、船厢两端卧倒门底部、船厢底部翼缘、船厢两端卧倒门底部翼缘这几个关键部位的出水速度小于0.035m/s即可。

2)船厢入水

船厢入水关键节点：船厢两端卧倒门底部翼缘入水、船厢底部翼缘入水、船厢两端卧倒门底部入水、船厢底部楔形体入水、入水完成船厢到达对接位。

步骤1：在船厢两端卧倒门底部翼缘入水前减小充水阀门开度，进行一级减速，使船厢两端卧倒门底部翼缘、船厢底部翼缘、船厢两端卧倒门底部、船厢底部楔形体的入水速度小于0.035m/s；

步骤2：在充水阀门开度不变的条件下，船厢底部楔形体入水瞬间船厢开始受到浮力作用，因此船厢底部楔形体入水瞬间速度会陡然减小，待船厢底部楔形体完全入水后，可调节充水阀门开度，适当提高厢体的入水速度，参考速度为0.02m/s；

步骤3：船厢到达入水对接位前，进一步减小充水阀门开度，进行二级减速，使船厢入水速度小于0.01m/s，完成船厢的精确对接。

为了简化流程，上述入水控制过程步骤2可省略。

本发明的优点为：

本发明控制方法通过控制输水阀门的开度调节输水系统流量，对船厢出、入水的关键节点进行速度控制，流程简单，可确保水力式升船机船厢出、入水过程中倾斜量、出水吸附力与入水拍击力、同步轴扭矩等各项指标在安全范围内，并在最大程度上提高升船机的运行效率。

附图说明

图1水力升船机一般原理结构示意图；

图2船厢纵剖面示意图；

图3船厢A-A剖面示意图；

图4船厢B-B剖面示意图；

图5端部纵剖面局部放大示意图；

图6水力式升船机船厢出水过程的阀门控制方式及船厢速度过程示意图；

图7水力式升船机船厢入水过程的阀门控制方式及船厢速度过程示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例将本发明方法应用于水力式升船机控制。

1)船厢出水

见图2～图5，船厢出水关键节点包括：出水启动瞬间、船厢底部楔形体1出水、船厢两端卧倒门底部2出水、船厢底部翼缘3出水、船厢两端卧倒门底部翼缘4出水。

水力式升船机船厢的泄水阀门包括泄水主阀门51和泄水辅阀门52，控制方式及船厢速度过程线如图5所示，运行控制流程将步骤2、3合并。运行中出水过程自0时刻开始，到5’45”结束。

步骤1：控制泄水主阀门51初始开度为25％，泄水辅阀门52开度为45％，船厢启动速度从0开始逐渐增加到0.015m/s然后略微下降到0.008m/s；最大值不超过0.015m/s。

步骤2+3：加大泄水阀门开度，使得泄水主阀51开度达到40％，泄水辅阀52开度达到55％，厢体出水过程速度约为0.02m/s，船厢底部楔形体出水瞬间速度最大，达0.035m/s，阀门开度不变船厢继续出水上行，船厢两端卧倒门底部、船厢底部翼缘、船厢两端卧倒门底部翼缘的出水速度约0.03m/s。

船厢完全出水后，泄水主阀门51和泄水辅阀门52进一步打开，船厢在空气中加速上升，在接近船闸顶部时泄水主阀51和泄水辅阀52关闭，船厢与上游引航道对接。

2)船厢入水

见图2～图5，船厢入水关键节点包括：船厢两端卧倒门底部翼缘4入水、船厢底部翼缘3入水、船厢两端卧倒门底部2入水、船厢底部楔形体1入水、入水完成船厢到达对接位。

水力式升船机船厢的充水阀门包括充水主阀门61和充水辅阀门62，控制方式及船厢速度过程线如图6所示，运行控制流程省略了步骤2。

步骤1：在船厢两端卧倒门底部翼缘4入水前减小充水阀门开度，使得充水辅阀62开度从90％减小到55％，充水主阀61开度从65％减小到50％，进行一级减速，船厢两端卧倒门底部翼缘4、船厢底部翼缘3、船厢两端卧倒门底部2入水速度约为0.03m/s，维持阀门开度不变，在船厢底部楔形体1入水瞬间由于船厢受到的浮力作用，船厢速度降为0.18m/s；维持开度不变，船厢继续下行，厢体下行过程中速度约为0.02m/s；

步骤3：船厢到大对接位前进行二级减速，充水主阀61开度从50％减小到30％，充水辅阀62开度从55％减小到30％，船厢下降速度降至0.008m/s，准备对接。

通过该水力式升船机原型观测可知，采用本发明的船厢出入水运行控制方法，船厢出、入水时间约为5min。在出水过程中船厢最大纵向倾斜量变化为20mm，同步轴扭矩变化最大值为150kNm；在出水过程中船厢最大纵向倾斜量变化为30mm，同步轴扭矩变化最大值为150kNm；船厢出、入水过程中吸附力与拍击力较小；所有控制指标均在安全范围内，表明本发明提出的运行控制方法安全可靠并且保障了升船机的运行效率。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用通过调节阀门开度控制输水系统流量实现对船厢出、入水关键部位的速度控制，达到水力式升船机船厢安全、平稳、高效运行的目的，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种水力式升船机船厢出入水平稳运行的控制方法，其特征在于：通过控制输水阀门的开度调节输水系统流量，对船厢出、入水的关键节点进行速度控制，从而实现对船厢出入水速度的控制。

2.如权利要求1所述的水力式升船机船厢出、入水平稳运行的控制方法，其特征在于船厢出水具体控制流程包括以下步骤：

步骤1：控制泄水阀门初始开度，使船厢出水启动速度最大不超过0.015m/s；

步骤2：加大泄水阀门开度，提高船厢厢体出水过程的速度，参考速度0.02～0.03m/s；

步骤3：在泄水阀门开度不变的条件下，由于船厢底部楔形体出水后浮力消失，因此船厢底部楔形体出水瞬间速度会陡然增大，必要时在船厢底部楔形体即将出水前调节泄水阀门开度，使船厢底部楔形体、船厢两端卧倒门底部、船厢底部翼缘、船厢两端卧倒门底部翼缘的出水速度小于0.035m/s，至船厢完全出水。

3.如权利要求2所述的水力式升船机船厢出、入水平稳运行的控制方法，其特征在于船厢出水具体控制流程包括以下步骤：

出水控制过程步骤2与步骤3合并，泄水阀门经初始开度过渡后，直接一步开启到位，并保持开度不变，满足在船厢底部楔形体、船厢两端卧倒门底部、船厢底部翼缘、船厢两端卧倒门底部翼缘这几个关键部位的出水速度小于0.035m/s。

4.如权利要求1所述的水力式升船机船厢出、入水平稳高效运行的控制方法，其特征在于船厢入水具体控制过程如下：

步骤1：在船厢两端卧倒门底部翼缘入水前减小充水阀门开度，进行一级减速，使船厢两端卧倒门底部翼缘、船厢底部翼缘、船厢两端卧倒门底部、船厢底部楔形体的入水速度小于0.035m/s；

步骤2：在充水阀门开度不变的条件下，船厢底部楔形体入水瞬间船厢开始受到浮力作用，因此船厢底部楔形体入水瞬间速度会陡然减小，待船厢底部楔形体完全入水后，可调节充水阀门开度，适当提高厢体的入水速度，参考速度为0.02m/s；

步骤3：船厢到达入水对接位前，进一步减小充水阀门开度，进行二级减速，使船厢入水速度小于0.01m/s，完成船厢的精确对接。

5.如权利要求4所述的水力式升船机船厢出、入水平稳高效运行的控制方法，其特征在于船厢入水具体控制过程如下：

入水控制过程步骤2省略。