司敬陽(yáng)

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司 ，安徽 合肥　230011 )

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滑塊式浮式系船柱設(shè)計(jì)與研究

司敬陽(yáng)

(安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司 ，安徽 合肥230011 )

摘要：為了保證船舶過(guò)閘的安全，國(guó)內(nèi)所有已建或在建船閘的閘室都采用浮式系船柱，它是確保船舶在閘室充泄水過(guò)程中，起著保護(hù)船舶自身安全作用的，是一個(gè)隨著水位變化能與船舶同步起伏的裝置；目前，國(guó)內(nèi)浮式系船柱的運(yùn)行機(jī)構(gòu)，都是采用滾輪作為運(yùn)行方式的，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，存在易銹蝕、易松動(dòng)、運(yùn)行噪音大等缺點(diǎn)。滑塊式浮式系船柱采用滑塊作為浮式系船柱的運(yùn)行機(jī)構(gòu)，滑塊材質(zhì)采用高分子材料，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耐腐蝕、維護(hù)簡(jiǎn)便、運(yùn)行阻力小、幾乎無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：浮式系船柱；滑塊；滾輪；船閘

船閘是一個(gè)用來(lái)保證船舶順利通過(guò)且有水位落差的建筑物，也是內(nèi)河航道上應(yīng)用最廣的一種通航水工建筑物。為了保證船舶能夠安全順利過(guò)閘，在閘室的翼墻上設(shè)置了很多系船柱和系船鉤，船舶在閘室待泊時(shí)，用纜繩系與系船柱和系船鉤[1]；過(guò)去，由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的原因，系船柱和系船鉤都是固定在閘室翼墻上；在過(guò)閘過(guò)程中，閘室不斷充、放水，閘室水位隨時(shí)變化，船員為確保船舶在閘室待泊安全，不停地解纜、系纜。過(guò)閘過(guò)程中，船員不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且有時(shí)還會(huì)造成安全事故。如今，為了減少船員的勞動(dòng)強(qiáng)度，消除過(guò)閘時(shí)的安全隱患，不少船閘都采用了能隨水位變化的浮動(dòng)的系船柱，即浮式系船柱，確保船舶在閘室內(nèi)一次系纜到位，不需像以前那樣不停地解纜、系纜[2]。

浮式系船柱，由浮筒、支撐架、系船柱和導(dǎo)向滾輪系組成的，支撐架固定在浮筒的上部，系船柱設(shè)置有兩組，分別設(shè)置在浮筒和支撐架的頂部，而導(dǎo)向滾輪系設(shè)置有六組，分別設(shè)置于浮筒上部、底部和支撐架頂部的兩側(cè)，且每組導(dǎo)向滾輪系均包括橫向的主滾輪和縱向的側(cè)滾輪，橫向主滾輪和縱向側(cè)滾輪上下為層疊設(shè)置，且滾動(dòng)軸相互垂直，浮式系船柱的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。另外，為放置浮式系船柱，在閘室翼墻上，豎直設(shè)置有浮筒庫(kù)，系船柱的導(dǎo)向滾輪系設(shè)置在浮筒庫(kù)的導(dǎo)軌內(nèi)[3]；為防止系船柱橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，系船柱兩側(cè)導(dǎo)軌采用U結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系船柱的浮筒只能隨水位的變化上下升降，從而保證其與系于其上的船舶纜繩相對(duì)固定，方便船員的操作；此外，兩層系船柱可滿足不同噸級(jí)、空載或滿載的船舶系泊要求，減少固定系船柱建設(shè)成本，減少船舶過(guò)閘時(shí)由于閘室水位變化引起的解系纜次數(shù)，提高過(guò)閘安全性。為保證在閘室內(nèi)各船舶都能很好地系纜，閘室每隔一段都設(shè)置一套浮式系船機(jī)構(gòu)。

圖1　滾輪式系船柱

1浮式系船柱現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)已建或在建的船閘，基本上都是在閘室翼墻上的浮筒庫(kù)內(nèi)，安裝浮式系船柱。而系船柱的運(yùn)行機(jī)構(gòu)基本都是采用滾輪作為運(yùn)動(dòng)模式，滾輪運(yùn)行及受力狀態(tài)明確，它可在浮筒庫(kù)內(nèi)的軌道上自由運(yùn)行[4]；當(dāng)船舶系纜時(shí)，其系纜力是通過(guò)纜繩傳遞給浮式系船柱，而系船柱上的力，再通過(guò)浮筒上的滾輪傳遞給浮筒庫(kù)內(nèi)軌道，再傳遞給閘室翼墻；因此，系船柱上的滾輪不僅要傳遞船舶的系纜力，而且還要能保證浮式系船柱的上下運(yùn)動(dòng)；因此，系船柱滾輪系的制作、安裝、運(yùn)行的好壞，直接影響船舶系纜的安全。

由于浮式系船柱的運(yùn)行機(jī)構(gòu)是滾輪，為了保證系船柱在浮筒庫(kù)內(nèi)很好定位，系船柱的滾輪系則需安裝橫向主滾輪和縱向側(cè)滾輪；主滾輪和側(cè)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向不同，相差90°，由于浮筒庫(kù)導(dǎo)軌空間有限，主滾輪和側(cè)滾輪只能上下放置；為保證系船柱定位準(zhǔn)確，系船柱滾輪系設(shè)為6套，則整個(gè)浮式系船柱共設(shè)有6套主滾輪及6套側(cè)滾輪。每套滾輪均由滾輪、襯套、軸、支座、錨固螺栓組成的，見(jiàn)圖2所示，鋼制滾輪通過(guò)襯套套在浮筒支座的轉(zhuǎn)軸上，滾輪在轉(zhuǎn)軸上運(yùn)轉(zhuǎn)，不僅把系纜力傳遞到導(dǎo)軌及翼墻上，而且可隨水位上下自由運(yùn)動(dòng)。

圖2　滾輪機(jī)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)所運(yùn)行船閘的浮式系船柱，基本上都是采用這種滾輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)行模式，它雖然受力、運(yùn)行機(jī)理明確，但還存在以下系列問(wèn)題：① 主、側(cè)滾輪因受力及方向形式不同，需要生產(chǎn)2套不同類型的滾輪裝置。② 主、側(cè)滾輪座需通過(guò)螺栓與浮筒相連，鉆孔及安裝精度要求高。③ 滾輪襯套密封措施差，水中泥沙容易進(jìn)入滾輪襯套與轉(zhuǎn)軸的縫隙中，且造成滾輪襯套與轉(zhuǎn)軸間的磨損或卡死。④ 河水中的酸堿成分易造成滾輪及轉(zhuǎn)軸的銹蝕，影響滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，增大了運(yùn)行阻力。⑤ 滾輪在軌道上 運(yùn)行是采用線接觸，接觸應(yīng)力大，易造成軌道或滾輪的觸蝕，在其運(yùn)行表面形成坑坑洼洼的斑點(diǎn)。⑥ 主滾輪接觸應(yīng)力大，運(yùn)行軌道需強(qiáng)化處理，只能采用強(qiáng)度較高的碳鋼制作，從而導(dǎo)致軌道在水中銹蝕嚴(yán)重。⑦ 磨損、銹蝕，后期運(yùn)行噪音逐漸加大，震動(dòng)頻率加大，易使?jié)L輪裝置的固定螺絲松動(dòng)，造成滾輪脫落。

2改進(jìn)措施

由于現(xiàn)有滾輪式浮式系船柱，在生產(chǎn)制作及安裝運(yùn)行上存在諸多缺點(diǎn)，因此，需改變?cè)O(shè)計(jì)理念及思路，并通過(guò)近年來(lái)市場(chǎng)的走訪和調(diào)研，結(jié)合當(dāng)今新材料的推廣運(yùn)用，優(yōu)化出新的的運(yùn)行結(jié)構(gòu)模式，研究出新型的滑塊式浮式系船柱，其主要的運(yùn)行受力構(gòu)件是滑塊；在滑塊材料選擇上，采用了高分子耐磨材料[5-6]，它不僅有極低摩擦系數(shù)，而且有極高的耐腐蝕性；此高分子材料耐磨、耐腐等優(yōu)異性能[7-8]，也是通過(guò)前幾年在安徽省潁上船閘的 底樞蘑菇頭襯套以及閥門滑塊的運(yùn)行得到的結(jié)果；此高分子材料已安全平穩(wěn)地運(yùn)行近10 a，而且在此期間沒(méi)有進(jìn)行任何保養(yǎng)和維護(hù)，性能十分安全可靠。

在設(shè)計(jì)上，去除原有滾輪式浮式系船柱的滾輪運(yùn)行機(jī)構(gòu)，改換成如圖3所示的滑塊裝置。每套裝置采用3面滑塊構(gòu)件，見(jiàn)圖4所示，替代了原浮式系船柱的主、側(cè)滾輪，每套運(yùn)動(dòng)系需加工的零部件數(shù)量，從原先(主、側(cè)滾輪)的8件，減少到3件，且加工工藝簡(jiǎn)單、重量輕、造價(jià)低，整個(gè)浮式系船柱的運(yùn)動(dòng)系用6套滑塊裝置即可滿足要求。

圖3　滑塊式系船柱俯視圖

圖4　滑塊機(jī)構(gòu)

滑塊目前采用的是改性高分子材料，如MGA、MGB等[9]，其水中摩擦系數(shù)只有0.02～0.05，可塑性及加工性較好[10]；在運(yùn)用中，滑塊與導(dǎo)軌采用面接觸，由于接觸面積大，則接觸應(yīng)力相對(duì)較小，遠(yuǎn)低于高分子材料的抗壓強(qiáng)度；另外，6套裝置都采用3面滑

塊，抵消系船力偏心對(duì)浮式系船柱運(yùn)行的影響，保證系船柱位置的相對(duì)固定。其滑塊式浮式系船柱總圖見(jiàn)圖5所示。

圖5　滑塊式系船柱

在滑塊座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為簡(jiǎn)化滑塊的安裝及零部件的加工，除側(cè)滑塊安裝位置部件為精加工件外，其余都由鋼板及角鋼拼焊起來(lái)的，就連滑塊壓板也是采用角鋼制作的；滑塊座的3面滑塊是采用2塊壓板及螺栓進(jìn)行壓實(shí)固定，這樣，不僅加工工藝簡(jiǎn)單，而且以后的拆卸維護(hù)也更加方便。

由于系船柱滑塊是高分子材料，硬度較低，為防止尖狀物體對(duì)其表面的劃傷，在導(dǎo)軌制作上，選用了復(fù)合不銹鋼鋼板作為基材，其表面不僅光滑，而且非常耐腐蝕，滑塊在光滑的導(dǎo)軌中運(yùn)行，其使用壽命大大提高，而且卡槽導(dǎo)軌因耐腐蝕，可終身免維護(hù)，一勞永逸。

從以上的描述結(jié)果看，滑塊式浮式系船柱與滾輪式浮式系船柱相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：① 運(yùn)動(dòng)部件采用高分子材料，摩擦系數(shù)小，耐腐蝕性強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)。② 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工、安裝簡(jiǎn)便，滑塊間互換性好。③ 滑塊裝置結(jié)構(gòu)小、重量輕，整個(gè)系船柱體積小。④ 不銹鋼導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐腐蝕性好，使用壽命長(zhǎng)，終身免維護(hù)。⑤ 運(yùn)行過(guò)程無(wú)噪音，無(wú)震動(dòng)，裝置運(yùn)行安全可靠。

3結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比滾輪式與滑塊式浮式系船柱，滑塊式浮式系船柱無(wú)論在性能及結(jié)構(gòu)上都有著無(wú)比的優(yōu)越性，已在安徽省的楊橋船閘及南坪船閘設(shè)計(jì)上得到了應(yīng)用，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作便利、重量輕、造價(jià)低，一定會(huì)在今后新建的船閘中得到廣泛地應(yīng)用。

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收稿日期：2016-04-01；修改日期：2016-04-12

作者簡(jiǎn)介：司敬陽(yáng)(1963-)，男，安徽肥東人，安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司教授級(jí)高工．

中圖分類號(hào)：U641.34;U641.36

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0167-03