楊曉霞 蔡顯赫

（華北水利水電大學(xué)水利學(xué)院 鄭州 450046）

1 引言

隨著水利工程建設(shè)的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為在大、中型水利樞紐上修建升船機(jī)最多的國家［1～2］。特別是近30年以來，升船機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的階段，型式也越來越新穎［3］。已建成的斜面升船機(jī)的型式，主要有縱向鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)牽引式、橫向鋼絲繩卷揚(yáng)機(jī)牽引式及縱向自爬升式三種［4］。相對于垂直升船機(jī)，斜面式升船機(jī)具有節(jié)約運(yùn)輸成本、減少工程投資、避免高空建筑產(chǎn)生的復(fù)雜技術(shù)難題及設(shè)計(jì)和運(yùn)轉(zhuǎn)方面也沒有太大問題等優(yōu)點(diǎn)［5］。承船廂隨機(jī)械提升或平移，使船舶能夠安全、快速過壩［6］。然而，當(dāng)承船廂沿斜面運(yùn)動時(shí)，會經(jīng)歷斜面變速、廂體出入水、以及與緩沖擋板碰撞減速的過程，而且在運(yùn)行過程中會引發(fā)廂內(nèi)水體晃動，導(dǎo)致廂內(nèi)船體上下顛簸，甚至傾覆，增加了安全隱患［7］，因此提高其安全性和穩(wěn)定性成為一個(gè)亟待解決的問題。

雖然國內(nèi)外已建成的大中型斜面升船機(jī)的數(shù)量較少，但承載能力卻已達(dá)到千噸級別［8～11］，如表1所示。目前我國通航建筑物絕大多數(shù)都集中在大中型水利樞紐上，關(guān)于中小型的斜面式升船機(jī)的研究較少［12～14］，而且已建成的斜面升船機(jī)還存在過壩效率低，安全性能不穩(wěn)定等缺陷。本文針對斜面式升船機(jī)存在的不足提出了一種新型承船廂斜面運(yùn)輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動化裝卸船舶，同時(shí)可以承載多條船只，提高運(yùn)輸效率，并設(shè)置PLC安全監(jiān)測控制器系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶的位置，提高安全系數(shù)。

表1 國內(nèi)外大中型斜面式升船機(jī)主要參數(shù)

2 新型斜面式升船機(jī)的工作原理

在上游和下游之間修建斜面并平鋪設(shè)斜面軌道，斜面軌道上安置承船廂，設(shè)置有驅(qū)動承船廂沿斜面運(yùn)動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)，承船廂底部向下連接載廂架，載廂架的底面為斜面，并與運(yùn)輸區(qū)斜面保持一致，載廂架底部安裝的軌道輪與斜面軌道配合裝配，載廂架的頂面為平面，與承船廂底部連接，見圖1。

圖1 新型斜面升船機(jī)運(yùn)動簡圖

承船廂上側(cè)的四個(gè)頂角位置豎向都固定立柱，立柱上端都固定安裝旋轉(zhuǎn)起吊裝置，見圖2。旋轉(zhuǎn)起吊裝置包括回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上設(shè)置伸縮吊臂、吊繩及吊鉤，位于承船廂前端的一對旋轉(zhuǎn)起吊裝置的吊鉤同時(shí)吊裝船舶的兩側(cè)吊裝位，將船舶從上游水位移至承船廂內(nèi)，位于承船廂后端的一對旋轉(zhuǎn)起吊裝置的吊鉤同時(shí)吊裝船舶的兩側(cè)吊裝位，將船舶從承船廂移至下游水位。

圖2 承船廂起吊裝置示意圖

3 船舶入廂運(yùn)動系統(tǒng)

當(dāng)船舶從上閘首駛?cè)氤写瑤麜r(shí)，首先操控承船廂前端的旋轉(zhuǎn)起吊裝置延伸至船舶對應(yīng)的起吊位上方，控制吊繩的長度，見圖3，然后根據(jù)所需同時(shí)運(yùn)輸船舶（見圖5）的數(shù)量，選擇PLC控制面板上的相對應(yīng)的模式（見圖4），再選擇控制面板上的裝船啟動，PLC控制器同步控制旋轉(zhuǎn)起吊裝置上的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)收集吊繩，使船舶穩(wěn)定上升至安全高度，此后船舶會沿運(yùn)輸中心線水平縱向向乘船廂中部上方移動。

圖3 船舶進(jìn)入承船廂示意圖

圖4 PLC控制器面板

圖5 多船運(yùn)輸船槽

船舶移動到位置B時(shí)，此時(shí)液壓伸縮吊臂全部停止收縮運(yùn)動并開始延伸運(yùn)動，此時(shí)船舶繼續(xù)水平縱向向承船廂中部上方移動，當(dāng)船舶移動到位置C后，PLC控制器停止對旋轉(zhuǎn)起吊裝置的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和液壓伸縮吊臂的控制，轉(zhuǎn)為同步控制其滑輪機(jī)構(gòu)，使船舶穩(wěn)定下降至乘船廂中部的停放區(qū)域。

船舶吊放完成后，啟動斜面軌道頂部的卷揚(yáng)機(jī)，載廂架按卷揚(yáng)機(jī)的放繩速度沿斜面軌道向下閘首移動。

4 安全監(jiān)測系統(tǒng)

4.1 工作原理

旋轉(zhuǎn)吊臂將船舶調(diào)入承船廂底部的船槽時(shí)，因?yàn)槿斯せ驒C(jī)械引起的系統(tǒng)誤差使船舶與凹槽的位置存在相對偏差，使船舶不能順利放入凹槽中，從而發(fā)生安全隱患。為此，提出了偏移量監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，它包括承船廂左右兩側(cè)壁的內(nèi)置滑軌、水平滑桿，水平滑桿升降機(jī)構(gòu)、監(jiān)控船舶側(cè)面距離的傳感器等，見圖6。

承船廂左右兩側(cè)的內(nèi)壁上都設(shè)有承船監(jiān)控裝置，包括豎向的滑軌組和橫向的水平滑桿，滑軌組包括間隔固定在承船廂內(nèi)壁上的兩條滑軌，水平滑桿的左右兩端中部都設(shè)有電動滑塊，電動滑塊對應(yīng)嵌套在滑軌內(nèi)并可沿滑軌上下同步滑動，水平滑桿上均布置用于監(jiān)控船舶側(cè)面距離的傳感器?；壍纳舷聝啥硕紝ΨQ，并設(shè)有限位塊，為了防止電動滑塊滑出滑軌并與乘船廂底部發(fā)生碰撞使得水平滑桿上的傳感器損壞，設(shè)計(jì)了兩個(gè)參數(shù)防止事故的發(fā)生，設(shè)限位塊的高度為a，水平滑桿的高度為b，其中滿足：

承船廂四角的旋轉(zhuǎn)起吊裝置之間的廂底設(shè)有停放區(qū)域，水平滑桿的長度與停放區(qū)域的長度相同，使水平滑桿上傳感器監(jiān)控范圍覆蓋整個(gè)停放區(qū)域，實(shí)現(xiàn)高精度監(jiān)控，同時(shí)停放區(qū)域可均勻劃分為多個(gè)停船位，提高運(yùn)輸效率。

圖6 偏移量監(jiān)控結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 固定裝置系統(tǒng)

當(dāng)船舶放入承船廂底部的凹槽后，為了保證其能夠在斜面上安全運(yùn)輸，還需要設(shè)計(jì)船舶固定系統(tǒng)，見圖7。其包括升降槽的固定柱、固定柱上端的擋環(huán)、通過支撐彈簧固定連接在一起的升降柱與升降槽、擋環(huán)與升降柱之間的密封圈、貫穿支撐殼與升降柱圓周側(cè)面的L形抽氣通道，支撐殼內(nèi)密封固定套裝的吸盤、貫通升降槽的抽氣孔以及抽氣孔通過抽氣管連接的抽氣泵。始終確保固定系統(tǒng)中的升降槽內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)。

吸盤固定裝置豎向固定于凹槽底部，吸盤固定裝置上端的支撐殼和吸盤凸出凹槽，設(shè)吸盤上端面凸出凹槽的長度為c，吸盤固定裝置在未擠壓狀態(tài)下升降柱圓周側(cè)面的抽氣通道口與固定柱上的抽氣孔之間的垂直距離為d，其中有：

當(dāng)旋轉(zhuǎn)起吊裝置將船舶停放在停船位后，船舶底部會將凸出凹槽的吸盤固定裝置擠壓進(jìn)凹槽，此時(shí)吸盤與船舶底部緊密接觸，升降柱圓周測的抽氣通道口被擠壓進(jìn)升降槽內(nèi)，此時(shí)吸盤通過抽氣通道與升降槽貫通，通過抽氣泵的持續(xù)抽氣使吸盤與船體底部之間達(dá)到負(fù)壓，讓吸盤固定在船舶底部，由此通過停船位上的吸盤固定裝置吸附在船舶底部，增加船舶在運(yùn)輸過程的穩(wěn)定性。

圖7 固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語

目前關(guān)于中小型斜面式升船機(jī)在中小型河道中的應(yīng)用研究較少，而且還存在運(yùn)輸效率較低、安全隱患較大等缺點(diǎn)。為了解決以上問題，本文提出一種斜面式升船機(jī)承船廂多船運(yùn)輸系統(tǒng)，其有如下優(yōu)勢：

1）承船廂底部可布設(shè)多船位的船槽，實(shí)現(xiàn)多船同時(shí)運(yùn)輸?shù)哪康?，提高運(yùn)輸效率；

2）船槽內(nèi)安裝的固定裝置增強(qiáng)了船舶在承船廂內(nèi)的穩(wěn)定性，提高了安全系數(shù)；

3）通過特定的安全監(jiān)測系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控船舶的停放位置，預(yù)防和調(diào)整船舶運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生偏移等不穩(wěn)定情況，同時(shí)精確糾正船舶與船槽的偏移問題。