机械牵引协助船舶进出船闸技术论证

齐俊麟

(长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002)



机械牵引协助船舶进出船闸技术论证

齐俊麟

(长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002)

针对三峡船闸现行每天运行闸次数达不到设计水平的问题，提出采用机械牵引方式协助船舶成组快速进出闸，将此技术应用于三峡工程水运新通道建设，论证其可行性。

机械牵引；船舶；通过；船闸

现有三峡双线五级船闸设计水平年为2030年，设计通过能力为1亿t，是由6种船型组成的标准船队一次进闸，按单线运行22 h，通过22.1个闸次[1]，1年工作335 d计算建造的。从2003年6月三峡船闸投入运行以来，到目前基本是以单船为主的方式通过船闸。在船舶大型化的趋势下，2011年提前19年三峡船闸达到1亿t的设计通过能力[2]，这其中的每线每天闸次数没有达到设计水平年的22闸次数，主要原因是单船自航依次进闸、移泊所用的时间远大于设计采用船队进闸、移泊的时间。目前每线船闸每天24 h不间断运行，每闸次3～6艘单船进出闸，每天每线仅能通过15～16闸次[3]。船舶牵引进出闸技术在通航建筑物已有应用(如巴拿马船闸)，尤其是国内大型船坞中船舶进出船坞牵引技术的应用已非常成熟[4]。如果将单船在船闸上下游引航道、导航墙段进行编组成队，采用牵引方式实现船队快速进出闸，将有可能将每线每天运行闸次数由目前的15～16闸次提高至22闸次。为此，提出机械牵引协助船舶进出船闸应用技术。

1 机械牵引的基本工作方式

1.1 船舶过闸机械牵引系统组成

参照大型浮船坞中船舶牵引方式，船舶过闸机械牵引系统主要由引船小车、驱动设备、牵引绳、导向机构、轨道等部件组成。牵引系统驱动设备布置在船闸闸墙内或闸面的机房中，轨道固定安装于闸墙顶部的闸面上，牵引绳由导向机构引至导轨上方并与引船小车首、尾相连，见图1。

引船小车由拖钩、车架、导向车轮、前后拖拽耳板等组成。拖钩与车架采用铰接方式连接，能够水平转动约150°，以适应不同牵引角度；钩头可绕铰点向下跌落或向上翻起，松开销紧装置，钩头可绕铰点转动，实现缆绳快速脱钩；车架通过若干组导向车轮导向，沿轨道水平直线运动，通过上、下导向车轮向轨道传递竖向受力，通过水平导向车轮向轨道传递横向受力；引船小车通过前后拖拽耳板连接牵引绳，由牵引绳提供引船小车水平运动的正、反向的纵向牵引力，见图2。

1.2 机械牵引系统工作原理

牵引绳由驱动设备的前滚筒引出通过导向轮机构，连接到引船小车的一端，牵引绳同时连接引船小车的另一端，通过导向轮机构接回驱动设备的后滚筒上。驱动设备通过电动机和传动机构使前后滚筒同向旋转，依靠绳槽与牵引绳之间的摩擦力完成牵引力的加载，其中一滚筒放绳、另一滚筒收绳，使得布置在闸面上的引船小车可跟随牵引绳沿轨道正、反向移动行进，见图3。

引船小车移动行进完全靠牵引绳传递牵引力，牵引小车与被牵引船舶通过拖船缆绳连接，小车通过拖钩及拖船缆绳带动被牵引船舶移动，完成船舶牵引动作。

2 机械牵引应用分析

2.1 降低船舶碰撞船闸设备设施安全风险

图1 牵引系统布置示意

图2 引船小车结构示意

图3 牵引系统原理

1)可代替安装船闸船舶防撞装置。船闸防撞装置的设置旨在对事故船舶的位移与速度进行限制，由此把事故船舶的制动控制到安全距离，以免事故船舶与下闸首人字门相撞，确保船闸的运行安全。为防止进闸船舶因意外情况撞击到船闸人字门等重要设备设施，在三峡船闸南、北两线二、三闸首段分别设置了防撞警戒装置，其余闸首段没有安装。从实际运用效果分析，现有防撞警戒装置主要是对船舶进出闸时起到警示作用，作为船舶制动防撞的作用不佳，只能起到防撞警示作用，目前三峡南、北两线船闸其余闸首段和葛洲坝一、三号船闸也没有全部安装安全防撞装置，仍存在一定的安全隐患。

2)船舶大型化增加了船舶碰撞设备设施安全风险。过闸船舶日益大型化[5]，增大了单船进闸操作驾驶难度，过闸过程中船舶碰撞设备设施安全风险增加，目前已经多次出现船舶触碰人字门、导航墙等设备设施的情况，撞损严重时船闸需应急停航检修。如2008年1月23日，葛洲坝1#船闸发生闸门碰撞事故，使关闭的船闸人字门中上部门体及人行桥受损，停航抢修2天后恢复运行，经济损失多达20万元。2008年4月4日，长洲水利枢纽1#船闸发生闸门碰撞事故，导致上闸首右边人字门数根背拉杆变形，人字门钢护弦凹陷，1#船闸被迫退出运行，停航抢修41 d后恢复运行。

3)机械牵引过闸有利于安全可靠制动。鉴于牵引系统可提供正、反向的牵引力，理论上通过引船小车在过闸牵引过程的末端，采取反向牵引措施为被牵引船舶提供制动力是可行的。采取船舶在导航墙编组成队，通过一套动力驱动实现船舶进出闸机械牵引。在进闸、移泊和出闸过程中由系统自动判断船舶位置，自动判断船舶减速时机，制动过闸船舶，规范船舶进出闸方式，可有效降低船舶碰撞船闸人字门等重要设备设施的安全风险，从而避免通航建筑物设备设施受损，保障通航建筑物运行安全。

2.2 能有效提高船舶进出船闸的运行效率

船舶通过三峡船闸过程包含4个开关门过程、2个冲泄水过程、1个船舶进闸过程和1个出闸(移泊)过程。闸次间隔时间由船闸人字门启闭、输水时间、船舶进闸时间以及移泊时间构成[6]。

近年来，三峡通航管理部门通过采取多种措施改善船闸运行条件，使得人字门启闭时间、输水时间总体达到设计水平(每闸次合计约为40 min)。而在船舶用时上，船闸设计船型采用船队，每队船舶作为一个单元进闸，船舶进闸时间和移泊时间分别为10.8 min和8.9 min。实际运行中，2011年以来过闸船舶以单船居多，船队占比例不到1%，每闸次一般通过4～5个船舶单元，多艘船舶依次进闸、移泊和系解缆，导致了船舶的进闸时间和移泊时间均高于船队。目前船舶进闸时间约30～40 min，移泊时间约20 min，每运行一闸次耗时约90 min，高出设计指标约30多分钟。目前三峡船闸每天24 h不间断运行，折算为每天运行24×60/90=16闸次。现有运行工艺条件下, 依靠现行的单船自航进出闸方式，进一步缩短船闸运行时间已经十分困难。

通过实行整体牵引方式进闸，可以达到缩短船舶进闸时间、提高船闸运行效率的目的。以三峡船闸为例，通过船舶成组编队，采取牵引过闸的方式，如果整体牵引进闸平均速度达到1 m/s，整体移泊平均速度达到0.6 m/s，则有望实现日运行22.1闸次。

2.3 能有效减少碳排放，实现船舶以绿色环保的方式通过水运新通道

2015年通过三峡、葛洲坝船闸15～16闸次，船舶总功率为4 278.5万kW，船舶通过三峡船闸全过程超过3 h，通过葛洲坝时间约为1 h，经测算约需1.4万t柴油。实施牵引过闸，船舶在过闸过程中关闭主机，则2坝船闸全年约可减少柴油1.4万t的燃油消耗，减少燃烧的污染物排放量(二氧化碳排放约4.2万t、二氧化硫排放约564 t、氮氧化物排放约752 t)。

3 多级船闸连续牵引船舶进出闸

3.1 单级船闸机械牵引系统布置

单级船闸牵引系统布置见图4，在闸室2侧闸面上布置牵引系统，将在导航墙处的成组船舶牵引移泊至闸室内部。

图4 船舶过闸牵引系统布置

3.2 单级船闸机械牵引运行工艺

过闸船舶在导航墙处按照排挡计划进行捆绑成组或在其他位置成组后移泊至导航墙，将成组船舶中的首船通过拖船缆绳与左右侧闸墙上的引船小车拖钩相连。由引船小车带动成组船舶按照设定速度牵引进入闸室内部，成组船舶到达要求停靠位置后引船小车停止运行，完成船舶进闸见图5。

图5 船舶进闸牵引示意

成组船舶进闸完毕后，船舶与闸室内浮式系船柱系紧，解开拖船缆绳；人字门完全开启后，各船舶在闸室内解组并直接驶出闸室，完成过闸,见图6。

图6 船舶出闸牵引示意

3.3 多级连续船闸机械牵引运行工艺

多级连续船闸采用机械牵引布置，可在单级船闸牵引基础上通过分级布置实现连续牵引。现有三峡船闸布置机械牵引布置由于水工结构已建设完成，轨道布置十分困难，难以在现有船闸闸面加装牵引装置。

如果建设三峡、葛洲坝水运新通道[7]，从利于通航管理和过闸运量留有富余等方面考虑，可在土建施工时增加船舶进出闸的牵引装置，预埋和安装相应的机械设备，在上下游引航道、导航墙段对船舶实施捆绑成组后，由机械牵引船舶进闸、移泊和出闸,见图7。

图7 多级连续船闸机械牵引布置示意

4 结论

1)由机械牵引船舶进出船坞和机械船舶进出船闸(厢)其布置应用基本相同，由安装在每一船坞(闸、厢)边侧的电机产生的动力，通过变速齿轮厢带动的钢丝绳和定滑轮变向，再由安装在船坞(闸、厢)边侧钢导轨上的小车牵引船舶，船坞(闸、厢)2侧的电机可通过电气控制实现同步。

2)通过调查，目前国内大型船坞采用机械牵引方式实现船舶进出船坞应用是成功的，将这种方式应用到船舶进出船闸(厢)上没有大的区别和难以解决的问题。

3)在具体的工程应用上建议做好牵引装置布置、设备选型等方面的进一步研究。

[1] 水利部长江水利委员会.长江三峡水利枢纽永久船闸单项工程初步设计报告[R].武汉：水利部长江水利委员会，1994.

[2] 张义军,杨利.三峡枢纽船闸年通过量亿吨后通过能力提升思考[J].中国水运，2016(10)：28-29.

[3] 丁益,程细得,齐俊麟,等.三峡船闸通过能力影响因素分析[J].船海工程，2013(6)：200-204.

[4] 连政忠,朱刚,邓智勇,等.某船坞加装引船防护系统设计实现[J].船海工程，2013(3)：177-181.

[5] 张义军,梅竞艳.船舶大型化条件下的船闸管理对策[J].中国水运，2015(7)：26-27.

[6] 交通部.船闸设计规范：JTJ305—2001[S].北京：人民交通出版社，2001.

[7] 张绪进,吴澎,王召兵,等.三峡新通道研究进展及主要技术问题[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2016，35(增刊1):33-40.

Application Analysis of Mechanical Traction Technology Assisting Ship in and out of the Lock

QI Jun-lin

(The Administrative Bureau of Changjiang Three Gorges Navigation, Yichang Hubei 443002, China)

For the problem current number of lockage every day of the Three Gorges lock can’t meet it’s design level, the mechanical traction technology was put forth to assist the fast grouping for ship in and out of the ship-lock. The application feasibility of this technology in the new channel of Three Gorges project Dam waterway was demonstrated.

mechanical traction; ship; pass through; ship lock

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.049

2017-01-03

国务院三峡办新通道研究项目(国三峡办函计字〔2016〕91号)

齐俊麟(1964—)，男，硕士，教授级高级工程师

研究方向：航道工程

文献标志码：A 文章编号：1671-7953(2017)04-0215-05

修回日期：2017-02-10