歐陽(yáng)升，吳鵬，王婷婷

（長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443133）

淺談三峽升船機(jī)安全鎖定機(jī)構(gòu)的受力變化

歐陽(yáng)升，吳鵬，王婷婷

（長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443133）

安全鎖定機(jī)構(gòu)是三峽升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中最重要的保護(hù)裝置，當(dāng)船廂發(fā)生漏水或水深超載工況時(shí)，安全鎖定機(jī)構(gòu)鎖定通過(guò)螺母柱把不平衡力傳到塔柱。因此，確保船廂的安全，需要確保安全鎖定機(jī)構(gòu)受力在可承受范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)實(shí)船試航期間，船舶上下行過(guò)程中，對(duì)鎖定機(jī)構(gòu)受力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析船舶在進(jìn)出船廂過(guò)程和船廂各個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程中，對(duì)鎖定機(jī)構(gòu)受力的影響。

三峽升船機(jī)；安全鎖定機(jī)構(gòu)；受力；船廂

1 三峽升船機(jī)簡(jiǎn)介

三峽升船機(jī)為齒輪齒條爬升式全平衡垂直升船機(jī)，主要有塔柱、船廂、鋼絲繩、滑輪、平衡重、平衡鏈以及4組齒輪齒條驅(qū)動(dòng)裝置等組成。升船機(jī)工作時(shí)，船廂上的設(shè)備、輪船、船廂結(jié)構(gòu)和3．5m水深的質(zhì)量，完全由相同質(zhì)量的平衡重平衡，齒條和對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)上的載荷受力，主要由誤載水深引起的不平衡重有關(guān)，與設(shè)備的質(zhì)量基本無(wú)關(guān)。

當(dāng)承船廂發(fā)生漏水、沉船或水深超載等事故時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的垂直液氣彈簧產(chǎn)生位移并發(fā)出停機(jī)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)停止工作，長(zhǎng)螺母—短螺母桿安全機(jī)構(gòu)中，螺母與螺桿之間的間隙隨之消失，借助螺母與螺桿之間的自鎖條件，將承船廂的質(zhì)量通過(guò)安全鎖定機(jī)構(gòu)傳至螺母柱，再經(jīng)螺母柱傳到塔柱結(jié)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)承船廂的安全鎖定。此外，升船機(jī)安裝檢修時(shí)，由于兩側(cè)船廂和平衡重的質(zhì)量不平衡，亦需要通過(guò)安全鎖定機(jī)構(gòu)將承船廂鎖定。

2 設(shè)計(jì)工況

船舶通過(guò)升船機(jī)，主要工況有船廂對(duì)接開(kāi)船廂門(mén)、船舶進(jìn)廂、船廂解除對(duì)接關(guān)船廂門(mén)、船廂解除鎖定上行或下行、船廂鎖定對(duì)接開(kāi)船廂門(mén)、船舶出廂。而特殊工況下，船廂室進(jìn)水，船廂在下游側(cè)被淹沒(méi)，因船廂失重并受浮力作用，導(dǎo)致出廂被安全機(jī)構(gòu)鎖定，不平衡載荷為廂內(nèi)水體重量、船廂結(jié)構(gòu)與設(shè)備的浮力以及船廂干舷部分的浮力，僅考慮船廂內(nèi)外0．3m的水位差。該工況下每套安全機(jī)構(gòu)承受的載荷約為3100kN。而當(dāng)每個(gè)鎖定結(jié)構(gòu)額定受力超過(guò)約3700kN時(shí)，該鎖定機(jī)構(gòu)將發(fā)生退讓鎖定。

3 檢測(cè)方法

對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)受力測(cè)試采用應(yīng)變式測(cè)量法。在每套對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)的支撐柱上，布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)貼有1個(gè)應(yīng)變片,共布置8個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)船廂底部人行通道，匯集到船廂2#驅(qū)動(dòng)區(qū)的-2層區(qū)域固定測(cè)站，通過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀器(華東電子儀器廠(chǎng)YD-28A動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀)對(duì)應(yīng)變信號(hào)放大，最后統(tǒng)一進(jìn)入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

4 實(shí)船試航中對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)受力數(shù)據(jù)

在船舶通過(guò)升船機(jī)的過(guò)程中，最重要的是對(duì)對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)的受力變幅進(jìn)行分析，因此，在過(guò)船過(guò)程中需要保證對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)受力在可承受范圍內(nèi)，即每個(gè)鎖定機(jī)構(gòu)受力在3100kN以?xún)?nèi)。

船舶通過(guò)升船機(jī)過(guò)程中，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)受力最重要的幾個(gè)時(shí)段是：船舶進(jìn)出船廂，船廂解除對(duì)接，船廂上下行過(guò)程中。因此，主要對(duì)這幾個(gè)狀態(tài)內(nèi)鎖定機(jī)構(gòu)受力進(jìn)行分析。

升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中上行和下行過(guò)程中，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)受力最主要的影響是在船舶進(jìn)出船廂、船廂對(duì)接和接觸對(duì)接過(guò)程中，船廂在上下行過(guò)程中，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)受力成周期性變化，其受力幅值都不超過(guò)200kN，且周期為2．2s，這與旋轉(zhuǎn)螺母在螺桿上旋轉(zhuǎn)的周期一致。

因此，下面將對(duì)不同工況下對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析。

4.1 在正常工況下，船舶進(jìn)出升船機(jī)時(shí)，對(duì)安全鎖定機(jī)構(gòu)受力變幅進(jìn)行分析

由圖1可知，1#和2#點(diǎn)的檢測(cè)的鎖定機(jī)構(gòu)受力幅值基本同步，3#和4#點(diǎn)的受力幅值基本同步。船廂與下游對(duì)接狀態(tài)時(shí)，四個(gè)點(diǎn)的受力幅值都不超過(guò)1000kN。當(dāng)船舶進(jìn)廂過(guò)程中，四個(gè)點(diǎn)最大的受力變幅不超過(guò)2500kN，且1#和2#受力變幅比3#和4#受力變幅大。船廂在上行過(guò)程中，四個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的受力變幅在800kN以?xún)?nèi)。而當(dāng)船舶在上游出廂過(guò)程中，3#和4#點(diǎn)的受力變幅比1#和2#點(diǎn)的受力變幅大，這與下游進(jìn)廂狀態(tài)剛好相反。并且四個(gè)點(diǎn)最大受力變幅在1500kN以?xún)?nèi)。

圖1 正常工況下，船舶上行安全鎖定機(jī)構(gòu)受力變化情況

圖2 正常工況下，船舶下行安全鎖定機(jī)構(gòu)受力變化情況

由圖2可知，1#和2#點(diǎn)的檢測(cè)的鎖定機(jī)構(gòu)受力幅值基本同步，3#和4#點(diǎn)的受力幅值基本同步。船廂與上游對(duì)接時(shí)，船舶進(jìn)廂過(guò)程中，四個(gè)鎖定機(jī)構(gòu)的受力幅值基本在500kN以?xún)?nèi)。而當(dāng)船舶出廂過(guò)程中，1#和2#點(diǎn)受力幅值為2200kN左右，3#和4#點(diǎn)的受力幅值在1000kN左右。這比在上游對(duì)接時(shí)，其受力值大得多。同時(shí)，當(dāng)船廂解除對(duì)接和船廂下行過(guò)程中，四個(gè)點(diǎn)的受力變幅均在600kN左右。

因此，通過(guò)對(duì)船舶上行和下行兩個(gè)受力數(shù)值的分析，可得出以下結(jié)論：第一，對(duì)接過(guò)程中，船廂同一端兩組鎖定（上游1#、2#或下游3#、4#）受力波動(dòng)規(guī)律、幅值基本一致；而上下游兩端鎖定機(jī)構(gòu)受力波動(dòng)幅度差異較大，靠近船廂封閉一端的受力波動(dòng)較大，靠近對(duì)接一端的波動(dòng)較小，可能由船廂密封框及頂緊裝置的約束作用引起。第二，升船機(jī)升降運(yùn)行過(guò)程中，鎖定機(jī)構(gòu)受力較小，受力呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，周期約2．2s，與安全螺母及鎖定裝置轉(zhuǎn)動(dòng)周期一致。運(yùn)行全程鎖定機(jī)構(gòu)受力變化在1000kN內(nèi)。第三，升船機(jī)對(duì)接、解除對(duì)接過(guò)程中，退密封框、液氣彈簧充泄壓（或松頂緊）、鎖定機(jī)構(gòu)鎖定或解鎖等操作造成鎖定機(jī)構(gòu)受力最大變化值800kN左右。第四，船舶在下游側(cè)進(jìn)出船廂時(shí)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)受力最大變化值為2500kN左右，而船舶在上游側(cè)進(jìn)出船廂時(shí)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)受力最大變化值為1000kN左右?？赡苁窍掠蝹?cè)水位波動(dòng)過(guò)快，導(dǎo)致下游側(cè)對(duì)接時(shí)，船廂受力變幅大于上游側(cè)。

4.2 船舶在碰擦船廂過(guò)程中，對(duì)鎖定機(jī)構(gòu)受力的影響

圖3 船舶碰擦船廂工況下，船舶上行時(shí)安全鎖定機(jī)構(gòu)受力變化情況

由圖3可知，船廂與下游對(duì)接船舶進(jìn)廂過(guò)程中，其鎖定機(jī)構(gòu)受力最大變幅為2500kN。船廂與上游對(duì)接船舶出廂過(guò)程中，其鎖定機(jī)構(gòu)受力最大變幅為1200kN。且1#和2#點(diǎn)受力變幅一致，3#和4#點(diǎn)受力變幅一致。船廂上行過(guò)程中，其受力變幅最大600kN。這與正常工況下船舶上行時(shí)，鎖定機(jī)構(gòu)的受力情況一致。重點(diǎn)主要觀(guān)測(cè)船舶在兩次碰擦船廂時(shí)，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)的受力情況。當(dāng)船舶第一次碰擦船廂時(shí)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)受力最大變化為700kN，其總受力變化為1800kN。當(dāng)船舶第二次碰擦船廂時(shí)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)受力變化最大值為500kN，其總受力變化為900kN左右。

因此可得出，船舶在船廂內(nèi)?？颗霾链瑤?，會(huì)引起船廂晃動(dòng)和鎖定受力波動(dòng)，但鎖定機(jī)構(gòu)受力在可承受范圍內(nèi)，且受力變幅遠(yuǎn)小于船廂與下游對(duì)接狀態(tài)時(shí)的受力變幅。

4.3 船廂失水工況下，對(duì)鎖定機(jī)構(gòu)的受力影響

在船廂下游對(duì)接過(guò)程中，遇到下游水位快速變化情況，造成廂內(nèi)水位比下游水位高約300mm，在開(kāi)啟船廂門(mén)和臥倒門(mén)之后，船廂內(nèi)水體流出，船廂水深由3．5m變至約3．1m，這就造成了失水工況，以此為例，對(duì)鎖定機(jī)構(gòu)受力進(jìn)行分析總結(jié)。

由圖4可知，船廂與下游對(duì)接時(shí)，由于失水和受下游引航道非恒定流波動(dòng)影響，鎖定機(jī)構(gòu)受力變化顯著，1#鎖定最大受力達(dá)到-3500kN，2#鎖定最大受力達(dá)到-3810kN，3#鎖定最大受力達(dá)到-2500kN左右，4#鎖定最大受力達(dá)到2200kN左右。因船廂水深不足，只能解除對(duì)接，在船廂水深調(diào)整后重新對(duì)接，在向船廂內(nèi)補(bǔ)水過(guò)程中，鎖定機(jī)構(gòu)受力逐漸恢復(fù)，受力從-1700kN左右變至-300kN左右。當(dāng)船廂調(diào)節(jié)船廂水深后，船舶進(jìn)廂過(guò)程中，四個(gè)鎖定點(diǎn)受力最大變化為1700kN。船廂在上行過(guò)程中和船舶出廂過(guò)程中，鎖定機(jī)構(gòu)受力情況與上面正常工況下的受力情況一樣。在此主要討論失水時(shí)，對(duì)鎖定機(jī)構(gòu)受力的影響。

根據(jù)實(shí)際探測(cè)到的船廂水深情況，當(dāng)船廂與下游對(duì)接發(fā)生失水時(shí)，船廂水深由3．5m變至約3．1m。船廂水域尺寸長(zhǎng)120m，寬18m。因此，可以算出由于這部分水流出船廂造成的重量G是多少？

圖4 船廂與下游對(duì)接失水工況下，鎖定機(jī)構(gòu)受力變化情況

其中H1=3．5m，H2=3．1m，L=120m，M=18m，ρ= 1000kg/m3，g=9．8N/kg。

代入數(shù)值，算出這部分失水造成船廂總重量G=8467．2kN。平均到四個(gè)鎖定機(jī)構(gòu)的單個(gè)受力值F=G/4=2116．8kN。因此，由于失水造成的鎖定機(jī)構(gòu)受力為2100kN左右。而根據(jù)圖4可知，當(dāng)船舶進(jìn)廂過(guò)程中，會(huì)造成鎖定機(jī)構(gòu)受力變化為1700kN左右。因此失水時(shí)，鎖定機(jī)構(gòu)最大受力3800kN的受力包含船舶進(jìn)出廂過(guò)程中，正常水深變化引起的受力約1700kN和非正常狀況下，水位落差引起的受力約2100kN，而這就導(dǎo)致了失水時(shí)，鎖定機(jī)構(gòu)受力達(dá)到了理論最大值。

因此，當(dāng)船廂與下游對(duì)接時(shí)，由于水位差而導(dǎo)致的失水工況，對(duì)船廂是比較危險(xiǎn)的情況，會(huì)導(dǎo)致鎖定機(jī)構(gòu)受力達(dá)到最大臨界值。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在各種工況下，對(duì)安全鎖定機(jī)構(gòu)的受力變化進(jìn)行記錄分析，得出了以下參考結(jié)論。

第一，船廂對(duì)接過(guò)程中，船廂同一端兩組鎖定受力波動(dòng)規(guī)律、幅值基本一致；而上下游兩端鎖定機(jī)構(gòu)受力波動(dòng)幅度差異較大，靠近船廂封閉一端的受力波動(dòng)較大，靠近對(duì)接一端的波動(dòng)較小。

第二，升船機(jī)升降運(yùn)行過(guò)程中，鎖定機(jī)構(gòu)受力較小，受力呈現(xiàn)周期性波動(dòng)，周期約2．2s，與安全螺母及鎖定裝置轉(zhuǎn)動(dòng)周期一致。運(yùn)行全程中鎖定機(jī)構(gòu)受力變幅不大，在可承受范圍內(nèi)。

第三，升船機(jī)對(duì)接、解除對(duì)接過(guò)程中，退密封框、液氣彈簧充泄壓（或松頂緊）、鎖定機(jī)構(gòu)鎖定或解鎖等操作造成鎖定機(jī)構(gòu)受力在承受范圍內(nèi)。

第四，由于下游水位變幅過(guò)快，當(dāng)船廂與下游對(duì)接時(shí)，四個(gè)鎖定機(jī)構(gòu)受力明顯大于船廂與上游側(cè)對(duì)接狀態(tài)。因此，船廂與下游對(duì)接時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注水位波動(dòng)對(duì)船廂受力的影響。

第五，船舶在船廂內(nèi)?？颗霾链瑤?，會(huì)引起船廂晃動(dòng)和鎖定受力波動(dòng)，但鎖定機(jī)構(gòu)受力在可承受范圍內(nèi)，且受力變幅遠(yuǎn)小于船廂與下游對(duì)接狀態(tài)時(shí)的受力變幅。

第六，船廂與下游對(duì)接時(shí)，由于下游水位變幅過(guò)快，可能造成船廂水位與下游航道水位差，導(dǎo)致船廂失水或滿(mǎn)水工況。這時(shí)四個(gè)鎖定機(jī)構(gòu)的受力可能超過(guò)其可承受范圍。因此，在開(kāi)啟船廂門(mén)和閘首門(mén)前，需要確認(rèn)下游水位變幅與船廂水位是否存在水位落差。避免船廂失水或滿(mǎn)水的情況發(fā)生。

[1]鈕新強(qiáng)，宋維邦，船閘與升船機(jī)設(shè)計(jì)[J],中國(guó)水利水電出版社，2007;

[2]姜小蘭，肖漢江，孫紹文，三峽升船機(jī)螺母柱結(jié)構(gòu)局部仿真試驗(yàn)研究[J],長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2008，25(4):85-89;

[3]張莉，三峽升船機(jī)事故安全機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析[J],起重運(yùn)輸機(jī)械，2016(4): 46-49．

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