余 友 安，廖 樂 康，金 遼

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

構(gòu)皮灘水電站通航建筑物線路位于樞紐左岸煤炭溝至野狼灣一線[1]，由上下游引航道、3座鋼絲繩卷揚提升式垂直升船機和兩級中間渠道(含通航隧洞、渡槽及明渠)等建筑物組成，線路總長約2 300 m。

構(gòu)皮灘水電站通航建筑物最高通航水頭199 m，設(shè)計代表船型為500 t級機動駁，船型尺寸為55.8 m×10.8 m×1.6 m(長×寬×吃水深)。規(guī)劃過壩運量單向125萬t/a(下行)。根據(jù)構(gòu)皮灘水電站通航工程的技術(shù)特點、自然條件和建設(shè)要求，經(jīng)過與多級船閘方案的技術(shù)經(jīng)濟比較，確定采用三級垂直升船機方案(見圖1)，其中第一、三級采用船廂下水式垂直升船機，第二級采用全平衡式垂直升船機。目前三級升船機所有機械和電氣設(shè)備已完成現(xiàn)場安裝，正在進行現(xiàn)場調(diào)試[2]。根據(jù)設(shè)計船型尺寸及船廂水力學(xué)條件,三級升船機船廂有效水域尺寸均為59.0 m×11.8 m×2.5 m(長×寬×設(shè)計水深)。

1 升船機金屬結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備設(shè)計

1.1 第一級升船機設(shè)備布置

第一級升船機采用船廂上游下水部分平衡垂直提升式(見圖2)。受地形條件限制，第一級升船機的塔柱結(jié)構(gòu)設(shè)在了大壩上游的水庫內(nèi)，用于適應(yīng)樞紐上游590.0～630.0 m的通航水位變幅，下游與第一級中間渠道連接，渠道工作水位637.0 m，高于上游最高通航水位，通航時升船機將逆向運行。第一級升船機設(shè)備包括上游導(dǎo)航浮箱、上閘首設(shè)備、船廂室段設(shè)備、下閘首設(shè)備以及電氣控制與檢測設(shè)備等。

1.1.1 上游導(dǎo)航浮箱

上游導(dǎo)航浮箱布置在升船機上游左側(cè)，是升船機上游的導(dǎo)航、靠船與防浪設(shè)備，浮箱中心線距升船機縱向中心線10.5 m，全長74.76 m。浮箱外形尺寸為72.0 m×8.6 m×3.5 m(長×寬×高)。浮箱兩端分別與導(dǎo)向裝置連接，導(dǎo)向裝置位于混凝土支墩及閘首前沿的導(dǎo)槽內(nèi)，導(dǎo)槽內(nèi)均埋設(shè)有軌道，上游水位漲落時浮箱沿軌道升降，可適應(yīng)上游通航水位590.0～630.0 m的水位變化。

1.1.2 上閘首設(shè)備

上閘首是第一級升船機上游的擋水建筑物。航槽凈寬12.0 m，底坎高程587.0 m，閘頂高程640.5 m。上閘首布置有一道檢修疊梁門、一臺2×160 kN的單向臺車式啟閉機、2套鋼結(jié)構(gòu)軌道梁及以充水平壓、檢修排水等設(shè)備。

檢修疊梁門最大擋水水頭23 m，孔口凈寬12 m，由10節(jié)疊梁組成，每節(jié)疊梁高2.4 m，疊梁止水間距12.2 m，支承跨度12.8 m。疊梁門由布置在閘頂排架上的2×160 kN單向臺車式啟閉機通過液壓抓梁操作。

1.1.3 船廂室段設(shè)備

第一級升船機船廂室段設(shè)備包括主提升機、承船廂、平衡重系統(tǒng)、船廂室設(shè)備及機房檢修橋機等。設(shè)備主要參數(shù)如下：船廂總重(設(shè)備加水)約3 250 t；平衡重總重為2 300 t；提升繩數(shù)/平衡繩數(shù)為64/48；提升速度(水上/水下)為8.0/1.8 m/min；提升力(水中/空氣中)為18 000/12 000 kN；提升高度為47 m；電機總功率為8×315 kW；卷筒直徑為4.6 m。

主提升機布置在塔柱頂部機房647.5 m高程的底板上，由8套卷揚提升機構(gòu)、2套安全制動系統(tǒng)、1套機械同步軸系統(tǒng)、4套干油潤滑系統(tǒng)、1套鋼結(jié)構(gòu)檢修平臺、1套主提升機埋件及相應(yīng)的電力拖動、控制、檢測等設(shè)備組成。8套卷揚提升機構(gòu)間通過機械軸連接，形成封閉的同步軸系統(tǒng)。每套卷揚提升機構(gòu)由交流變頻電動機(帶交流變頻傳動裝置)、減速器、卷筒組、安全制動器、工作制動器等設(shè)備組成。卷筒名義直徑為4.6 m，每個卷筒上各繞有4根φ72 mm的提升繩和3根同直徑的轉(zhuǎn)矩平衡繩。

船廂由64根鋼絲繩懸吊，并通過主提升機驅(qū)動，沿鋪設(shè)在塔柱墻壁上的軌道升降。船廂外形尺寸為71.0 m×16.0 m×6.3 m(長×寬×廂頭高)。船廂兩端各設(shè)一扇臥倒式工作閘門，每扇工作閘門分別由2臺液壓啟閉機啟閉；船廂門內(nèi)側(cè)分別設(shè)有1套防撞裝置；在船廂兩側(cè)對稱布置4套對接鎖定裝置及4套船廂導(dǎo)向裝置；在船廂中部設(shè)有2套與下游中間渠道對接的頂緊結(jié)構(gòu)；在每根提升繩與船廂的連接部位分別設(shè)有1套液壓均衡裝置；船廂中部兩側(cè)各設(shè)1套液壓泵站。此外，船廂上還設(shè)置了消防、照明、供電、電氣控制等設(shè)備。

平衡重系統(tǒng)包括平衡重組、軌道及其埋件、上鎖定裝置、下鎖定埋件等設(shè)備。平衡重總重2 300 t，分成16組，布置在船廂室兩側(cè)的16個平衡重井內(nèi)。每組平衡重由3塊高容重混凝土塊、鋼結(jié)構(gòu)安全梁、導(dǎo)向裝置、鋼絲繩調(diào)節(jié)組件、調(diào)整平衡重塊等組成。在每個平衡重井的636.5 m高程設(shè)有平衡重上鎖定平臺，每組平衡重在上鎖定平臺上設(shè)置有2套上鎖定裝置。在平衡重井底部583.9 m高程設(shè)有平衡重下鎖定平臺，平臺上設(shè)有平衡重組鎖定埋件，當(dāng)船廂需要在上鎖定高程檢修時，由主提升機將船廂提升至上鎖定高程，同時平衡重組下降至下鎖定高程，然后將船廂水泄除(在此過程中平衡重組由下鎖定埋件鎖定)，再通過船廂上鎖定裝置將空船廂鎖定。

船廂室設(shè)備包括夾緊軌道、頂緊軌道、船廂上鎖定裝置、船廂下鎖定埋件等。夾緊軌道共4套，對稱布置在船廂室兩側(cè)塔柱墻壁的混凝土牛腿上，距船廂室橫向中心線27.5 m。頂緊軌道共2套，裝設(shè)在塔柱中部兩側(cè)的混凝土牛腿上，用以向塔柱傳遞船廂與下閘首對接時所產(chǎn)生的水平推力。船廂上鎖定裝置共4套，對稱布置在塔柱631.0 m高程的混凝土牛腿上，距船廂室橫向中心線21 m。此外在主機房內(nèi)設(shè)有一臺1 600 kN/2×160 kN雙向檢修橋機，用于主提升機和平衡重系統(tǒng)設(shè)備的安裝、檢修。

1.1.4 下閘首設(shè)備

第一級升船機下閘首布置在第一級中間渠道的上游端，用于船廂與中間渠道的對接。下閘首設(shè)備包括鋼閘首設(shè)備、閘首工作門及其2×125 kN固定卷揚式啟閉機、工作門導(dǎo)向架、工作門鎖定裝置、中間渠道檢修閘門和其臺車式啟閉機等。

鋼閘首設(shè)備包括鋼閘首結(jié)構(gòu)、間隙密封機構(gòu)、間隙充泄水系統(tǒng)、防撞裝置、液壓泵站、通風(fēng)設(shè)備等。鋼閘首為槽形結(jié)構(gòu)，外形尺寸為5.9 m×18.0 m×8.5 m(長×寬×高)，航槽寬12 m、深4.5 m，槽頂高程639.0 m。鋼閘首底部通過4個支座支承在混凝土梁和牛腿上，下游端通過止水橡膠板與第一級中間渠道連接。

1.2 第二級升船機設(shè)備布置

第二級升船機布置在兩級中間渠道之間(見圖3)，用于克服兩級中間渠道127.0 m的水頭。第二級升船機采用鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升式，主要設(shè)備包括上閘首設(shè)備、船廂室段設(shè)備、下閘首設(shè)備等。

1.2.1 上閘首設(shè)備

第二級升船機上閘首布置在第一級中間渠道的下游端，用于船廂與第一級中間渠道的對接。上閘首設(shè)備包括鋼閘首、工作閘門及其固定卷揚式啟閉機、檢修閘門及其固定卷揚式啟閉機、工作門導(dǎo)向架、工作門鎖定裝置、檢修門導(dǎo)向架、檢修門鎖定裝置等。

圖3 第二級升船機布置Fig.3 Sketch of the second step ship lift layout

鋼閘首底部通過4個支座支承在混凝土橫梁上，其上游端通過止水橡膠板與第一級中間渠道下游端連接。鋼閘首的下游端設(shè)有用于與船廂對接的“U”形間隙密封機構(gòu)，底部設(shè)有2套間隙充、泄水系統(tǒng)，中部設(shè)有1套防撞裝置。工作門槽和檢修門槽均布置在鋼閘首上。鋼閘首的設(shè)備布置與第一級升船機下閘首鋼閘首基本相同。

1.2.2 船廂室段設(shè)備

第二級升船機船廂室段設(shè)備包括主提升機、承船廂、平衡重系統(tǒng)、船廂室設(shè)備、機房檢修橋機以及升船機控制、檢測設(shè)備。船廂室段設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下：船廂總重(設(shè)備加水)約3 320 t；平衡重重量(轉(zhuǎn)矩/重力)為1 170/2 150 t；提升繩數(shù)/重力平衡繩數(shù)為32/48；提升速度為15 m/min；額定提升力為1 600 kN；提升高度為127 m；電機總功率為4×160 kW；卷筒直徑為4.2 m。

升機布置在塔柱頂部的主機房內(nèi)，機房地面高程647.5 m。主提升機主要包括4套卷揚提升機構(gòu)、8套平衡滑輪組、1套安全制動系統(tǒng)、1套機械同步軸系統(tǒng)、4套干油潤滑系統(tǒng)、1套鋼結(jié)構(gòu)檢修平臺、1套主提升機埋件及相應(yīng)的電力拖動、控制、檢測等設(shè)備。每套卷揚提升機構(gòu)各由一臺160 kW的交流電機驅(qū)動，4套提升機構(gòu)間通過機械軸聯(lián)接，形成封閉的同步軸系統(tǒng)。每個卷筒上繞有4根提升繩和4根轉(zhuǎn)矩平衡繩，鋼絲繩直徑為64 mm。卷筒、滑輪的名義直徑均為4.2 m。主提升機額定提升力為1 600 kN，最大提升高度為127 m。

承船廂由80根鋼絲繩懸吊，并通過主提升機驅(qū)動，在船廂室內(nèi)沿鋪設(shè)在塔柱墻壁上的軌道上下運行。船廂外形尺寸為71.0 m×16.0 m×8.5 m(長×寬×廂頭高)。為滿足船廂運行和與閘首對接的需要，船廂上設(shè)置了具有相應(yīng)功能的設(shè)備。在船廂頭兩端設(shè)有船廂門、廂門啟閉機、防撞設(shè)備和液壓泵站；在船廂門及防撞裝置的內(nèi)側(cè)設(shè)有檢修門；在船廂中部兩側(cè)設(shè)有頂緊結(jié)構(gòu)；在距船廂橫向中心線30.5 m處對稱布置有4套夾緊機構(gòu)和導(dǎo)向裝置；船廂兩端外側(cè)設(shè)有疏散爬梯。此外，船廂上還設(shè)置了消防、照明、供電、電氣控制等設(shè)備。

平衡重系統(tǒng)包括重力平衡重組、轉(zhuǎn)矩平衡重組、上鎖定裝置、下鎖定裝置、軌道及埋件、平衡鏈及其導(dǎo)向裝置等設(shè)備。重力平衡重組總重2 180 t，分8組布置在8個重力平衡重井內(nèi)；轉(zhuǎn)矩平衡重總重1 220 t，分4組布置在4個轉(zhuǎn)矩平衡重井內(nèi)。平衡重組由高容重混凝土塊、鋼結(jié)構(gòu)安全梁、導(dǎo)向裝置、鋼絲繩調(diào)節(jié)組件、調(diào)整平衡重塊等組成。在每個平衡重井的635.7 m高程設(shè)有平衡重上鎖定平臺，每組平衡重在上鎖定平臺上設(shè)置有2套上鎖定裝置。在平衡重井底部501.0 m高程設(shè)有平衡重下鎖定平臺，每組平衡重組均設(shè)有下鎖定裝置。

船廂室設(shè)備包括夾緊軌道、頂緊軌道、船廂上鎖定裝置、船廂下鎖定裝置、疏散通道設(shè)備等。夾緊軌道共4套，對稱布置在船廂室兩側(cè)塔柱墻壁的混凝土牛腿上，距船廂室橫向中心線30.5 m。頂緊軌道共4套，分別裝設(shè)在塔柱中部兩側(cè)的混凝土牛腿上，用以向塔柱傳遞船廂與閘首對接時所產(chǎn)生的水平推力。船廂上鎖定裝置共4套，對稱布置在塔柱631.0 m高程的混凝土牛腿上，距船廂室橫向中心線21.5 m。船廂下鎖定裝置共4套，對稱布置在船廂室501.0 m高程的底板上，距船廂室橫向中心線21.5 m。

1.2.3 下閘首設(shè)備

第二級升船機下閘首布置在第二級中間渠道的上游端，用于船廂與第二級中間渠道的對接。下閘首設(shè)備包括鋼閘首、工作閘門及其固定卷揚式啟閉機、檢修閘門及其固定卷揚式啟閉機、工作門導(dǎo)向架、工作門鎖定裝置、檢修門導(dǎo)向架、檢修門鎖定裝置等。

工作門啟閉機和檢修門啟閉機布置在下閘首啟閉機房內(nèi)，機房地面高程524.0 m。機房設(shè)有一臺60 kN雙向檢修橋機，用于閘門啟閉機的安裝和檢修。

1.3 第三級升船機設(shè)備布置

第三級升船機采用承船廂下游下水部分平衡垂直提升式，布置在第二級中間渠道與下游引航道之間，主要設(shè)備包括上閘首設(shè)備、船廂室段設(shè)備、下閘首設(shè)備和電氣控制與檢測設(shè)備。

1.3.1 上閘首設(shè)備

第三級升船機上閘首布置在第二級中間渠道的下游端，用于第三級升船機船廂與第二級中間渠道的對接。上閘首設(shè)備包括鋼閘首、提升式平面工作閘門及其固定卷揚式啟閉機、檢修閘門及其固定卷揚式啟閉機、工作門導(dǎo)向架、工作門鎖定裝置、檢修門導(dǎo)向架、檢修門鎖定裝置等。

鋼閘首底部通過4個支座支承在混凝土橫梁上，其上游端通過橡膠止水板與第二級中間渠道下游端連接。鋼閘首的下游端設(shè)有用于與船廂對接的U形間隙密封機構(gòu)，底部設(shè)有2套間隙充、泄水系統(tǒng)和1套間隙密封裝置，中部設(shè)有1套防撞裝置。

1.3.2 船廂室段設(shè)備

除因提升高度不同，致使主提升機的卷筒長度與第一級稍有差異外，第三級升船機船廂室段設(shè)備布置、結(jié)構(gòu)型式、技術(shù)參數(shù)等與第一級升船機基本相同。

1.3.3 下閘首設(shè)備

第三級升船機下閘首設(shè)在船廂室下游，用于與下游引航道連接。下閘首布置有一道檢修疊梁門，其承擋水位為下游檢修水位444.1 m，檢修門由7節(jié)疊梁組成，每節(jié)疊梁高2.45 m。檢修疊梁門靜水啟閉，由一臺2×160 kN雙向臺車式啟閉機操作，臺車式啟閉機安裝在兩線混凝土結(jié)構(gòu)軌道梁上，軌頂高程478.5 m。下閘首還布置有檢修排水設(shè)備、補水設(shè)備。

2 設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1 下水式升船機平衡重重量的確定

第一、三級500 t級下水式升船機是我國目前規(guī)模最大的下水式升船機。在此之前我國興建的下水式升船機僅有巖灘250 t級升船機[3]。制約下水式升船機規(guī)模的重要因素是主提升機減速器的制造可行性。減速器的輸出力矩是由主提升機的外載荷確定的。在船廂總重、提升高度等基本設(shè)計輸入條件確定的情況下，唯一能夠通過布置設(shè)計調(diào)節(jié)主提升機載荷的變量就是轉(zhuǎn)矩平衡重的重量：轉(zhuǎn)矩平衡重大時，主提升機在船廂空氣中運行時的提升力小，而船廂入水終了時的反向提升力大；轉(zhuǎn)矩平衡重小時，主提升機在船廂空氣中運行時的提升力大，而船廂入水終了時的反向提升力小。因此合理確定轉(zhuǎn)矩平衡重的重量，使得在船廂運行過程中，主提升機的載荷組合對減速器低速級齒輪的彎曲疲勞強度最為有利，便是下水式升船機總體設(shè)計的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。解決這個問題的出發(fā)點是，通過確定平衡重的重量來確定主提升機在船廂空氣中運行和進入水中最深處時各自提升力值，進而建立主提升機的載荷譜(見圖4)以及減速器低速級小齒輪的載荷譜(見圖5)，根據(jù)小齒輪的載荷譜函數(shù)可求出計算小齒輪彎曲疲勞強度的等效載荷。顯然，上述載荷譜以及等效載荷可以視為平衡重重量的單值函數(shù)。求出等效載荷對平衡重重量的導(dǎo)數(shù)并令其為零，即可求取使小齒輪彎曲疲勞強度等效載荷最小化的平衡重重量值。 再根據(jù)此平衡重的重量，最終確定主提升機在船廂空氣中運行及水下最深處的載荷值[4-5]。分析過程如下。

圖4 下水式升船機主提升機一個載荷循環(huán)的載荷譜曲線Fig.4 Diagram of the load spectrum in a load circle of the main hoist of the launching ship lift

圖5 下水式升船機主提升機減速器低速級小齒輪單齒一個載荷循環(huán)的載荷譜曲線Fig.5 Diagram of the load spectrum in a load circle of a tooth of the low speed pinion of main hoist of the launching ship lift

承船廂在空氣中運行時主提升機載為

F1=Wt-Wc+P1

(1)

承船廂在水時主提升機最大載荷為

F2max=Wc-γWs+P2

(2)

式中，Wt、Wc、Ws分別為船廂總重、平衡重總重和船廂結(jié)構(gòu)設(shè)備重，γWs為船廂結(jié)構(gòu)入水時扣除浮力后的重量，實際計算中可取γ=0.85～0.92。P1、P2分別為船廂在空氣中和水中最低位誤載水重量、鋼絲繩僵性阻力、機械系統(tǒng)摩阻力、運動設(shè)備(包括船廂、平衡重、主提升機運動部件等)的慣性力、船廂重量與平衡重重量的誤差、鋼絲繩不平衡重量等載荷的合力。由圖4～5可知，對減速器低速級小齒輪單個輪齒而言，在一個工作循環(huán)中載荷F2max發(fā)生次數(shù)為1，載荷F1發(fā)生次數(shù)為2ins?；诮Y(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的線性累積損傷原理[6]，主提升機按減速器低速級小齒輪齒根彎曲疲勞強度等效原則計算的等效載荷Fe可寫成

(3)

式中,ns為對應(yīng)于提升高度的卷筒旋轉(zhuǎn)圈數(shù),i為減速器低速級傳動比，p是與減速器低速級小齒輪材料有關(guān)的系數(shù)[7-9]。為求得Fe的最小值，可求函數(shù)B對Wc的導(dǎo)數(shù)，并令其為0得：

(4)

(Wc-γWs+P2)p-1-2ns(Wt-Wc+P1)p-1=0

(5)

整理后求得對應(yīng)于主提升機彎曲疲勞等效載荷最小的平衡重量表達式：

(6)

根據(jù)公式(6)對構(gòu)皮灘第一、三級下水式升船機進行設(shè)計計算。船廂結(jié)構(gòu)和設(shè)備中在水中的折減系數(shù)取0.9。減速器低速級傳動比設(shè)定為5，與減速器低速級小齒輪材料有關(guān)的系數(shù)P取8.7?；緟?shù)與設(shè)計計算結(jié)果如表1所示。

表1 構(gòu)皮灘第一、三升船機平衡重重量計算參數(shù)

Tab.1 Parameters for computation of counterweight of the first and third shiplifts in Goupitan Hydropower Station

升船機名稱Ws/kNh/mWt/kNnsP1/kNP2/kN第一級下水式升船機8700473250036101102第三級下水式升船機8700793250061771535

對于構(gòu)皮灘第一和第三級下水式升船機，按上述方法確定的平衡重重量分別為22 784 kN(2 325 t)和228 689 kN (2 333 t)，實際設(shè)計中確定平衡重重量為2 300 t，為承船廂總重的70.8%。

2.2 大型減速器研究

減速器是鋼絲繩卷揚式升船機主提升機的核心設(shè)備。鑒于主提升機的布置特點，減速器一方面作為主提升機的傳動設(shè)備需傳遞電機提供的功率，驅(qū)動船廂運行；另一方面減速器箱體又作為卷筒軸的支承結(jié)構(gòu)，承受由鋼絲繩拉力和卷筒組自重引起的豎直向下載荷，從而引起箱體的變形，這些變形會影響減速器的齒輪傳動精度。下水式鋼絲繩卷揚式升船機由于采用部分平衡方式，由船廂不平衡力引起的傳動載荷較大；另外，由于主提升機傳動設(shè)備沒有重力平衡重，懸吊船廂的所有鋼絲繩的載荷全部經(jīng)卷筒支承在減速器箱體，這一方面會造成箱體豎直載荷較大，另一方面也由于主提升機縱向布置的困難從而對減速器的寬度有嚴格的限制。構(gòu)皮灘第一、三級升船機主提升機減速器在船廂空氣中運行時的輸出扭矩為2×2 240 kN·m，船廂入水終了時刻的輸出力矩為2×3 360 kN·m，其規(guī)模居國內(nèi)升船機用減速器之首。由于布置條件限制，減速器的寬度不得于3.7 m，使得難以通過增加齒寬來提高齒輪的承載能力。由于扭矩過大，低速級齒輪的模數(shù)和齒輪最大直徑接近減速器的機械加工設(shè)備和熱處理設(shè)備制造加工能力的極限；同時減速器箱體的剛度須滿足減速器齒輪傳動精度要求。為保證構(gòu)皮灘升船機建設(shè)的順利實施，根據(jù)主提升機減速器大扭矩、大傳動比、設(shè)計要求、使用環(huán)境等特點,工程建設(shè)單位組織減速器專業(yè)廠家開展了構(gòu)皮灘第一、三級下水式升船機主提升機減速器的專題研究，其主要內(nèi)容包括減速器各級傳動比合理配置及傳動齒輪布置方案的優(yōu)化設(shè)計、整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零部件制造的可行性研究、大型硬齒面齒輪制造加工工藝、大型箱體的變形和受力的有限元分析、低速級傳動軸與卷筒軸合理可行的聯(lián)結(jié)方案以及減速器負載試驗等。

2.3 下水式升船機船廂水動力學(xué)試驗研究

構(gòu)皮灘第一級和第三級下水式升船機是目前世界上規(guī)模最大的下水式升船機，其船廂外尺寸達71 m×16 m，入水深度達5.5 m，為避免下水式船廂運行過程中出現(xiàn)不利的水力學(xué)問題，對船廂結(jié)構(gòu)型式、出/入水速度、船只進/出船廂速度等通過物理模型進行了綜合試驗研究[10]。該項目各課題的主要研究內(nèi)容包括以下幾個部分。

(1) 承船廂出、入水過程運行特性試驗研究。包括船廂出、入水過程中的速度、加速度及其船廂水動力特性；主提升機鋼絲繩提升力及電機輸出功率變化特性；船廂室內(nèi)的水位波動特性及其對船廂水動力特性的影響；船廂底部拍擊水面的水動力過程；船廂內(nèi)船舶停泊條件研究；船廂出入水對接過程優(yōu)化研究等。

(2) 承船廂和船廂室水力學(xué)試驗。包括船舶進出船廂時水力條件及船舶進出船廂速度優(yōu)化；在停位誤差條件下開啟閘門時船廂內(nèi)的水力條件和船舶受力過程；船廂補、排水時廂內(nèi)的水力條件和船舶受力過程；以上各工況船廂鋼絲繩受力特性研究等。

(3) 升船機正常運行狀態(tài)水動力特性研究。包括船廂正常升降運行過程船廂內(nèi)水面變化特性；船廂速度、加速度變化特性；鋼絲繩拉力變化特性；船船廂內(nèi)船舶停泊條件；船廂運行速度優(yōu)化等。

(4) 升船機事故狀態(tài)水動力特性研究。包括各種事故狀態(tài)(緊急制動、船廂失水、斷繩、船廂拍擊水面等)船廂內(nèi)水面變化特性；船廂速度、加速度變化特性；鋼絲繩拉力變化特性；船舶停泊條件等。

上述研究成果對于合理設(shè)計船廂結(jié)構(gòu)、確定船廂出/入水速度和船只進/出廂速度、改善船廂運行水力學(xué)條件、確定和降低主提升機出入水時的載荷等提供了科學(xué)依據(jù)。

2.4 船廂縱傾穩(wěn)定性研究

船廂縱傾穩(wěn)定性是所有卷揚提升式全平衡垂直升船機的共性問題。構(gòu)皮灘水電站第二級升船機是國內(nèi)提升高度最高的升船機，當(dāng)船廂在最低位時，作為升船機支承構(gòu)件的提升繩其拉伸剛性較小，抵抗船廂傾覆的能力較弱，因此為保證升船機運行安全，對船廂縱傾穩(wěn)定性進行定量分析和評估就成為該升船機總體設(shè)計的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。

船廂縱傾失穩(wěn)是由于船廂內(nèi)水體的流動性引起的。船廂縱傾穩(wěn)定最不利的情況是船廂處于最低位，而主提升機結(jié)束對接狀態(tài)準(zhǔn)備啟動的狀態(tài)，此時鋼絲繩剛度最弱且同步軸彈性變形的大小對船廂縱傾穩(wěn)定性會產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。為此,研究船廂縱傾穩(wěn)定性的力學(xué)模型需將主提升機包括在內(nèi)[11-13]。圖6為船廂縱傾穩(wěn)定性研究的力學(xué)模型。圖中，船廂簡化為做平面運動的剛體；水體則是滿足容器晃動的豪斯納爾理論的流體；主提升機的每臺卷揚機以其直徑為卷筒直徑的勻質(zhì)圓盤模擬，同步軸則以連接卷揚機的軸段模擬；假定卷揚機的電機軸不受電機電磁力矩作用；鋼絲繩則以拉伸彈簧代之。研究步驟如下。

(1) 根據(jù)船廂水體晃動的豪斯納爾假設(shè)、流體質(zhì)量守恒定律(連續(xù)性方程)、動量守恒定律定律，推導(dǎo)出流體對船廂的傾覆力矩。

(2) 根據(jù)圖6所示的力學(xué)模型計算出系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)，再根據(jù)分析力學(xué)的拉格朗日方程求出圖6力學(xué)模型的動力學(xué)方程。

圖6 船廂縱傾穩(wěn)定性動力學(xué)模型示意Fig.6 Model for trim stability of the ship chamber pitch

(3) 通過變量變換，消去船廂豎直運動變量和主提升機轉(zhuǎn)動角變量，使動力學(xué)方程為僅含船廂縱傾角、同步軸扭轉(zhuǎn)角的兩自由度二階常微分方程組。

(4) 根據(jù)常微分方程運動穩(wěn)定性理論，線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件為常微分方程所對應(yīng)的特征方程的根實部不大于零，據(jù)此建立穩(wěn)定性判據(jù)；并推導(dǎo)滿足臨界穩(wěn)定條件所對應(yīng)的主提升機縱向中心距(臨界主提升機縱向中心距)為

(7)

式中,g為重力加速度，取9.8m/s2；ρ為水體密度，取1 000 kg/m3；E為提升繩的彈性模量，取1×108kN/m2；G為鋼材的切變模量，取=8.08×108kN/m2；na=2,為縱向同步軸的個數(shù)；B為船廂寬度；L承船廂水域長度；H為提升繩的最大懸吊長度；A為單根提升繩的金屬橫截面積；nr為提升繩的數(shù)量；Rr為卷筒的名義半徑；lr為單邊同步軸的縱向長度；J為單根同步軸橫截面的極慣性矩；ia為同步軸與卷筒的轉(zhuǎn)速比，a為主提升機實際中心距。對于構(gòu)皮灘第二級升船機，將船廂、主提升機和鋼絲繩等設(shè)備相關(guān)設(shè)計參數(shù)(見表2)代入計算公式(7)進行計算，計算得臨界縱向吊點中心距為15.77 m。

(5) 將實際主提升機縱向中心距與臨界主提升機縱向中心距的比值作為安全系數(shù)：

(8)

表2 構(gòu)皮灘第二級升船機船廂縱傾穩(wěn)定臨界主提升機縱向中心距計算參數(shù)
Tab.2 Parameters for computation of critical longitudinal distance of the main hoist for chamber pitch stability

B/mL/mH/mA/m2nrRr/mlr/mJ/m4ia/ma/m12.1711400.002573322.136.20.00107324105.536.2

根據(jù)國內(nèi)已經(jīng)過運行或調(diào)試運行檢驗的全平衡鋼絲繩卷揚升船機的特性參數(shù)，計算各升船機臨界主提升機縱向中心距，并與其實際主提升機縱向中心距相比較，尋求所有升船機中安全系數(shù)的最小值，以此作為船廂縱傾穩(wěn)定設(shè)計的最小安全系數(shù)。研究表明[9,13]，在目前已建和已運行的全平衡鋼絲繩卷揚式垂直升船機中，最小安全系數(shù)為2.2。將式(7)計算得出的臨界主提升機縱向中心距和實際主提升機縱向中心距值代入式(8)，得構(gòu)皮灘第二級升船機船廂縱傾穩(wěn)定安全系數(shù)為2.3，滿足規(guī)范規(guī)定的最小值要求。不過很顯然安全系數(shù)值與規(guī)范要求的最小值已經(jīng)非常接近，說明對于高揚程的全平衡鋼絲繩卷揚式升船機，船廂縱傾穩(wěn)定性問題是非常值得關(guān)注的問題。

3 結(jié) 語

構(gòu)皮灘三級升船機是國內(nèi)升船機中極具特色的升船機工程。第一、三級500 t級下水式升船機的興建是下水式升船機設(shè)計和建設(shè)的一個重要里程碑，同樣，第二級500t級鋼絲繩卷揚全平衡垂直升船機的提升高度是該類型升船機之最，也是國內(nèi)該類型升船機設(shè)計的一個突破。構(gòu)皮灘三級升船機的設(shè)計研究成果，進一步豐富了鋼絲繩卷揚提升式垂直升船機的設(shè)計理論和方法，可為我國同類型升船機的設(shè)計提供有益的借鑒。