CN111648335A - 动力平衡船厢重力升船系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水利水电工程技术领域，具体技术方案为：动力平衡船厢重力升船系统，包括船厢、平行且相对布置的混凝土墙体，混凝土墙体的顶部固定有动力平衡机构，在两侧混凝土墙体上的动力平衡机构牵引下，船厢处于重力与牵引力平衡状态，混凝土墙体的顶部横梁内预设横梁预应力，横梁预应力的作用方向与船厢重力的方向相反，横梁预应力与船厢重力的大小相同，横梁预应力与船厢重力抵消，船厢外侧与同侧的混凝土墙体之间通过直线动力装置驱动，直线动力装置驱动船厢沿着导轨运动，本发明采用动力平衡机构平衡自重，减去了平衡配重重量，降低了船厢两侧的混凝土墙体建设强度要求，采用双驱动系统，保障了升船机的安全运行。

Description

动力平衡船厢重力升船系统

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种动力平衡船厢重力的升船系统。

背景技术

随着河流水电资源开发带来的航运条件改善，高坝通航技术提出了新的要求。相对于船闸而言，垂直升船机在高坝通航方面具有优势和潜力。

目前，国内已建或在建的垂直升船机工程， 其主要型式有钢丝绳卷扬提升全平衡型式、齿轮爬升全平衡型式、以及全平衡水力驱动型式；其中，钢丝绳卷扬提升部分平衡船厢下水型式和全平衡水力驱动型式，目前仅限于过船规模和提升高度都不大的升船机。目前国内乃至全世界规模最大的升船机为三峡升船机，其型式为全平衡齿轮爬升式，过船规模3000t级(排水量)，提升高度为113m； 国内规模居第二位的是向家坝升船机，其型式同样为全平衡齿轮爬升式，过船规模1000t级(载重量)，提升高度为114.2m，目前这两座升船机均已建成投运。该型式升船机的特点是船厢重量由钢丝绳悬吊的平衡重全部平衡，安装在船厢上的小齿轮与安装在塔柱结构上的齿条形成齿轮齿条运动副，用以驱动船厢升降运行。小齿轮驱动机构克服的载荷主要包括船厢内水深偏差引起的偏重、船厢升降过程中的摩擦阻力、钢丝绳僵性阻力和惯性力等。船厢上设置了安全机构，通过与驱动机构连接带动旋转螺杆与小齿轮同步运行，当发生船厢超载失衡事故时，在船厢静止状态下通过驱动机构液气弹簧动作，消除旋转螺杆与安装在塔柱上的螺母柱之间的螺纹间隙，实现对失衡事故条件下船厢的支承。

三峡升船机和向家坝升船机的成功建设，证明了该型式升船机应用于重载大扬程条件具有一定的优势。当升船机规模提高到过船吨位为载重量3000t级，扬程为200m时，该升船机也是适用的，不存在难以克服的技术问题。该升船机另一个明显的优点是安全性高，当船厢因沿程漏水或对接期间沉船等因素造成升船机全平衡条件破坏时，安全机构螺母柱可对失衡的船厢提供支承。但该型式升船机存在造价相对较高、设备制造安装难度大的弱点。由于大多数升船机以过货船为主，尽管该型式升船机具有突出的优点，但在国内的应用尚不够广泛。

目前，国内应用最为广泛的升船机型式为钢丝绳卷扬全平衡垂直升船机，国内已建和在建的该型式升船机包括隔河岩级第一、 二级升船机、水口升船机、 高坝洲升船机、彭水升船机、亭子口升船机、思林升船机、沙陀升船机和构皮滩第二级升船机。该型式升船机的特点是船厢重量由钢丝绳悬吊的平衡重全部平衡，通过钢丝绳卷扬提升机驱动升降。受主提升机布置条件的限制，平衡重大部分为重力平衡重，即每根与船厢连接的钢丝绳(称为重力平衡绳)绕过平衡滑轮与单块平衡重相连，其钢丝绳张力恒定且对船厢不构成约束；少数平衡重为转矩平衡重，悬挂该平衡重的钢丝绳端固定在卷扬机的卷筒上；在卷筒上与该平衡绳相邻布置提升绳，其绳端亦固定在卷筒上；由提升绳提升的那部分船厢重量与转矩平衡重理论上相等，但由于船厢内水深偏差，以及船厢升降过程中的摩擦阻力、钢丝绳僵性阻力和惯性力等因素，提升绳与转矩平衡绳的张力存在差值，从而形成对卷筒乃至主提升机的力矩负荷。

在卷筒上布置的安全制动器，其制动能力可保证制动由转矩平衡重重量形成的对卷筒的力矩(假设此时提升钢丝绳为零)。由于转矩平衡重重量仅占平衡重总量的少部分，无法实现船厢水漏空情况下升船机的全制动。为了增加主提升机的制动能力，部分钢丝绳卷扬全平衡式垂直升船机以安全卷筒代替平衡滑轮，安全卷筒上缠绕的钢丝绳一端与船厢连接，另一端与平衡重(称为可控平衡重)连接；通过设置在安全卷筒上的制动器制动可控平衡重重量产生的旋转力矩。但由于受主提升机轴线尺寸的限制，一般情况下依然难以实现船厢水漏空情况下升船机的全制动。

研究成果表明，对于重载高扬程升船机，例如载重量为3000t级提升高度200m的升船机，采用钢丝绳卷扬全平衡垂直提升型式有其局限性。由于钢丝绳在卷筒上缠绕的圈数很多，致使卷筒的长度很大，从而造成主提升机的轴向布置难以实现，不得不通过加大卷筒的直径、减少卷筒的工作圈数来控制卷筒的长度，其结果是增大了卷扬机机械传动装置的规模；即使如此，依然不能满足与船厢长度相适应的主提升机的布置。

发明内容

为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种动力平衡船厢重力升船系统，建造成本低，使用寿命长，能够保证船厢的稳定运行。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：动力平衡船厢重力升船系统，包括船厢、平行且相对布置的混凝土墙体，两侧的混凝土墙体之间形成升船通道，船厢置于升船通道内，当船需要借助船厢从下游向上游行驶通过大坝时，将船厢停靠在下闸首，船舶由下游巷道进入船厢，然后关闭闸首和船厢阀门，在驱动装置作用下，船厢随即上升并停靠在上闸首，打开船厢与闸首阀门，船舶即可驶入上游巷道。当船需要借助船厢从上游向下游行驶通过大坝时，将船厢停靠在上闸首，船舶由上游巷道进入船厢，然后关闭闸首和船厢阀门，在驱动装置作用下，船厢随即下降并停靠在下闸首，打开船厢与闸首阀门，船舶即可驶入下游巷道。

混凝土墙体的顶部固定有动力平衡机构，动力平衡机构通过钢丝绳与船厢相连，在两侧混凝土墙体上的动力平衡机构牵引下，船厢处于受力平衡状态，本发明减去了平衡配重的重量，降低了船厢两侧混凝土墙体的建设强度要求，使得单侧墙体减少了平衡配重的支撑强度要求，降低了建设成本。

混凝土墙体的顶部横梁内预设横梁预应力，横梁预应力的作用方向与船厢重力的方向相反，横梁预应力与船厢重力的大小相同，横梁预应力与船厢重力抵消，在实际运行过程中，混凝土墙体只承受重力，避免承受双重应力。

在动力平衡机构的作用下，船厢处于受力平衡状态，船厢外侧与同侧的混凝土墙体之间通过直线动力装置驱动，直线动力装置只需要比较小的力以驱动船厢运动，运行平稳，当船厢两侧直线动力装置回馈制动，船厢稳定制动。

船厢外侧与同侧的混凝土墙体之间装有导轨，通过导轨能够保证船厢运行的直线导向，增加运行稳定性。

其中，作为优选的，动力平衡机构为电力驱动。

其中，作为优选的，动力平衡机构为液压驱动，利用液压传动的低速液压马达排量大和转速低的特点，可直接与工作机构连接，无需减速装置，传动机构大大简化，低速液压马达的输出扭矩较大，可达几千到几万牛·米，因此又称为低速大扭矩液压马达，在升船机主提升平衡自重机构减少了电气传动的减速机，有利于主提升平衡自重机构的轴向布置。

直线动力装置为超导直线电机，精度高。

直线动力装置为直线电机，直线电机的成本较低，运行稳定。

本发明与现有技术相比，具体有益效果体现在：

一、本发明采用动力平衡机构平衡自重，减去了平衡配重重量，降低了船厢两侧的混凝土墙体建设强度要求，使得单侧墙体减少了平衡配重的支撑强度要求，降低了建设成本。

二、本发明采用双驱动系统，动力平衡机构与直线动力装置实现双机容错技术，保障了升船机的安全运行。

三、本发明两侧采用导轨来平衡船厢运行的稳定性，减少了相对于保安大螺母机构或齿轮齿条传动机构的摩擦力，提高了传动效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为俯视状态下，本发明的结构示意图。

图3为电力驱动的动力平衡机构结构简图。

图4为液压驱动的动力平衡机构结构简图。

图5为图1中船厢的安装结构示意图。

图6为超导直线电机的安装结构示意图。

图中，1为船厢，11为吊耳，12为电子秤传感器，2为混凝土墙体，3为升船通道，4为动力平衡机构，41为传动电机，42为减速机，43为卷筒，44为工作制动器，45为安全制动器，46为液压马达，5为直线动力装置，51为永磁体，52为磁悬浮运行超导线圈，53为磁悬浮导向超导线圈，54为低温杜瓦，6为导轨，61为滑道，62为滑动体，63为支架。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，动力平衡船厢重力升船系统，包括船厢1、平行且相对布置的混凝土墙体2，两侧的混凝土墙体2之间形成升船通道3，船厢1置于升船通道3内，当船需要借助船厢1从下游向上游行驶通过大坝时，将船厢1停靠在下闸首，船舶由下游巷道进入船厢1，然后关闭闸首和船厢1阀门，在驱动装置作用下，船厢1随即上升并停靠在上闸首，打开船厢1与闸首阀门，船舶即可驶入上游巷道。当船需要借助船厢1从上游向下游行驶通过大坝时，将船厢1停靠在上闸首，船舶由上游巷道进入船厢1，然后关闭闸首和船厢1阀门，在驱动装置作用下，船厢1随即下降并停靠在下闸首，打开船厢1与闸首阀门，船舶即可驶入下游巷道。

混凝土墙体2的顶部固定有动力平衡机构4，动力平衡机构4通过钢丝绳与船厢1相连，在两侧混凝土墙体2上的多组动力平衡机构4牵引下，船厢1处于受力平衡状态，本发明减去了平衡配重的重量，降低了船厢1两侧混凝土墙体2的建设强度要求，使得单侧墙体减少了平衡配重的支撑强度要求，降低了建设成本。

混凝土墙体2的顶部横梁内预设横梁预应力，横梁预应力的作用方向与船厢1重力的方向相反，横梁预应力与船厢1重力的大小相同，横梁预应力与船厢1重力抵消，在实际运行过程中，混凝土墙体2只承受重力，避免承受双重应力。在安装、维修船厢1或维护船厢1时，船厢1脱离，船厢1的重力不作用在混凝土墙体2上，通过配重与预设的横梁预应力相匹配，保证整个混凝土墙体2的稳定性，在船厢1接入的过程中，随着吃水线的上移，逐渐卸下配重，整个过程受力平衡，船厢1完全接入后，所有配重全部卸掉。

在动力平衡机构4的作用下，船厢1处于受力平衡状态，船厢1外侧与同侧的混凝土墙体2之间通过直线动力装置5驱动，直线动力装置5只需要比较小的力以驱动船厢1运动，运行平稳，当船厢1两侧直线动力装置5回馈制动，船厢1稳定制动。

如图2所示，船厢1外侧与同侧的混凝土墙体2之间装有三个导轨6，每个导轨6包括滑道61、滑动体62和支架63，滑道61固定在混凝土墙体2上，支架63固定在船厢1上，滑动体62置于支架63与滑道61之间并可沿着滑道61移动；导轨6既能实现电机转子与电机定子之间形成气隙间隔，又能增加船厢1运行的稳定性。

如图3所示，动力平衡机构4为电力驱动，包括两个传动电机41，两个传动电机41关于减速机42对称布置，两个传动电机41的动力输出轴均与减速机42的输入端相连，减速机42的输出端与卷筒43相连，传动电机41的动力依次通过减速机42、中间动力箱后传递到卷筒43上，中间动力箱可为齿轮动力箱，通过电气传动平衡自重，减去了平衡配重重量，降低了船厢1两侧混凝土墙体2的建筑强度要求，使得单侧墙体减少了平衡配重的支撑强度要求，降低了建造成本。另外，在运行的过程中，若其中的一台传动电机41发生故障，通过控制器的实时调控，及时控制另一台传动电机41倍过载运行，保证动力稳定传输。

传动电机41的输出轴上装有工作制动器44，工作制动器44控制传动电机41的启停。

卷筒43的两侧均固定有安全制动器45，两侧的安全制动器45控制卷筒43的启停。

如图4所示，动力平衡机构4为液压驱动，包括液压马达46，液压马达46为双向变量液压马达46，双向变量液压马达46的动力输出轴与齿轮箱的输入端相连，齿轮箱的输出端与卷筒43的中心轴相连，中心轴的两端通过轴承支撑在底座上，中心轴与卷筒43固定并同步转动。

液压马达46的输出轴上装有工作制动器44，工作制动器44控制液压马达46的启停。

卷筒43的两侧均固定有安全制动器45，两侧的安全制动器45控制卷筒43的启停。

利用液压传动的低速液压马达46排量大和转速低的特点，可直接与工作机构连接，无需减速装置，传动机构大大简化，低速液压马达46的输出扭矩较大，可达几千到几万牛·米，因此又称为低速大扭矩液压马达46，在升船机主提升平衡自重机构减少了电气传动的减速机42，有利于主提升平衡自重机构的轴向布置。

如图6所示，直线动力装置5为超导直线电机，包括永磁体51，所述电机定子包括磁悬浮运行超导线圈52和磁悬浮导向超导线圈53，永磁体51与磁悬浮运行超导线圈52相配合为船厢1的直线运动提供动力，永磁体51与磁悬浮导向超导线圈53相配合以控制船厢1的运行方向。

混凝土墙体2上固定有低温杜瓦54，低温杜瓦54为低温恒温器，磁悬浮运行超导线圈52和磁悬浮导向超导线圈53均置于低温杜瓦54内。

另一种实施方式为，直线动力装置5为直线电机，直线电机的电机转子固定在船厢1上，与电机转子相配合的电机定子固定在混凝土墙体2上，同一直线电机的电机定子与电机转子之间留有电机气隙，电机气隙置于电机转子与电机定子之间。在牵引力的作用下，船厢1处于受力平衡状态，当船厢1两侧直线电机启动，船厢1进入平稳匀速上、下直线运行，当船厢1两侧直线电机回馈制动，船厢1进入平稳匀速上、下直线运行到减速、制动过程。

如图5所示，升船机向上运行时，通过自带吊耳11电子秤传感器12称出船厢1的实时重力，动力平衡机构4预置启动转矩，保证升船机不溜钩后，打开安全制动器45和工作制动器44，两侧的动力平衡机构4运行用于平衡船厢1的重力；直线动力装置5驱动实现船厢1在升船通道3内的上下运动，在船厢1向上运行的过程中，位置检测单元7检测到船厢11即将到达升船机坝顶时，预减速，此时直线动力装置5回馈制动，在到达预停车位置时，直线动力装置5停止通电，根据实时位置信息，通过控制器控制动力平衡装置，工作制动器44与安全制动器45同步制动，精准停车。

在船厢1向下的运行时，通过电子秤传感器12称出船厢1的重量，动力平衡机构4预置启动转矩，在保证船厢1不溜钩的前提下，打开安全制动器45和工作制动器44，直线动力装置5驱动升船机船厢1向下运行，通过位置检测单元在达到升船机坝底减速位置时，直线动力装置5回馈制动，在达到预停车位置时，直线动力装置5停止通电，动力平衡机构4根据位置检测单元精确停车，工作制动器44与安全制动器45同步制动，精确停车。

船厢1上、下运行时，船厢1两侧墙体和大坝形成了空气空腔，在船厢1上、下运行时，会出现压缩和扩张船厢1上、下部的空气，由于船厢1内的船体甲板大小不同，引起迎风面大小不一致，使船厢1内的船体受到的空气压力不一致，带来船厢1内的各个船体所受浮力出现不一致的状态，各个船体的吃水线不同，引起船厢1内水体的晃动；另外，在船厢1运行到大坝底部时，钢丝绳与船体形成了单摆的物理结构，虽然有滚动导轨6的约束，为了更好的减少船厢1上行过程中的摆动，可采用超导直线动力装置5产生的横向力，能够有效减少导轨6的磨损。

当升船厢1出现不可抗力的漏水事故时，位置检测单元的位置信息与直线电机提供的推进位移不一致时，启动报警装置，主起升平衡船厢1自重的动力平衡机构4开始自动减少提供自重的提升力，动态跟踪平衡船厢1重量，如出现超速开关或重锤限位开关动作，启动安全制动器45急停。

为了保证升船机在上、下起点位置保持静止，在运行时，利用直线动力装置5保持匀速直线运动，这样有利于减少船厢1内液体的晃动，增加了升船机系统的运行稳定性。为了达到这一效果，运用船厢1时钟原理，通过两侧的动力平衡机构4在整个运行过程中的动力输出来动态平衡船厢1重量，此时，船厢1处于受力平衡状态，船厢1两侧的直线动力装置5启动，船厢1进入加速上、下直线运行，当船厢1两侧直线动力装置5平稳运行时，船厢1进入平稳匀速上、下直线运行；当船厢1两侧直线动力装置5回馈制动，船厢1进入平稳匀速上、下直线运行到减速、制动过程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包在本发明范围内。

Claims (5)

1.动力平衡船厢重力升船系统，包括船厢、平行且相对布置的混凝土墙体，两侧的混凝土墙体之间形成升船通道，所述船厢置于升船通道内，其特征在于，

一、动力平衡船厢重力牵引：混凝土墙体的顶部固定有动力平衡机构，动力平衡机构通过钢丝绳与船厢相连，在两侧混凝土墙体上的动力平衡机构牵引下，船厢处于受力平衡状态；

二、预设内应力：混凝土墙体的顶部横梁内预设横梁预应力，横梁预应力的作用方向与船厢重力的方向相反，横梁预应力与船厢重力的大小相同，横梁预应力与船厢重力抵消；

三、两侧直线驱动：船厢外侧与同侧的混凝土墙体之间通过直线动力装置驱动；

四、直线导向：船厢外侧与同侧的混凝土墙体之间装有导轨。

2.根据权利要求1所述的动力平衡船厢重力升船系统，其特征在于，所述动力平衡机构为电力驱动。

3.根据权利要求1所述的动力平衡船厢重力升船系统，其特征在于，所述动力平衡机构为液压驱动。

4.根据权利要求2或3所述的动力平衡船厢重力升船系统，其特征在于，所述直线动力装置为超导直线电机。

5.根据权利要求2或3所述的动力平衡船厢重力升船系统，其特征在于，所述直线动力装置为直线电机。

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