浅谈三峡升船机安全锁定机构的受力变化

欧阳升，吴鹏，王婷婷

（长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443133）

浅谈三峡升船机安全锁定机构的受力变化

欧阳升，吴鹏，王婷婷

（长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443133）

安全锁定机构是三峡升船机运行过程中最重要的保护装置，当船厢发生漏水或水深超载工况时，安全锁定机构锁定通过螺母柱把不平衡力传到塔柱。因此，确保船厢的安全，需要确保安全锁定机构受力在可承受范围内。通过对实船试航期间，船舶上下行过程中，对锁定机构受力的实时监测数据，分析船舶在进出船厢过程和船厢各个机构动作过程中，对锁定机构受力的影响。

三峡升船机；安全锁定机构；受力；船厢

1 三峡升船机简介

三峡升船机为齿轮齿条爬升式全平衡垂直升船机，主要有塔柱、船厢、钢丝绳、滑轮、平衡重、平衡链以及4组齿轮齿条驱动装置等组成。升船机工作时，船厢上的设备、轮船、船厢结构和3．5m水深的质量，完全由相同质量的平衡重平衡，齿条和对接锁定机构上的载荷受力，主要由误载水深引起的不平衡重有关，与设备的质量基本无关。

当承船厢发生漏水、沉船或水深超载等事故时，驱动机构中的垂直液气弹簧产生位移并发出停机信号，驱动机构停止工作，长螺母—短螺母杆安全机构中，螺母与螺杆之间的间隙随之消失，借助螺母与螺杆之间的自锁条件，将承船厢的质量通过安全锁定机构传至螺母柱，再经螺母柱传到塔柱结构上，从而实现承船厢的安全锁定。此外，升船机安装检修时，由于两侧船厢和平衡重的质量不平衡，亦需要通过安全锁定机构将承船厢锁定。

2 设计工况

船舶通过升船机，主要工况有船厢对接开船厢门、船舶进厢、船厢解除对接关船厢门、船厢解除锁定上行或下行、船厢锁定对接开船厢门、船舶出厢。而特殊工况下，船厢室进水，船厢在下游侧被淹没，因船厢失重并受浮力作用，导致出厢被安全机构锁定，不平衡载荷为厢内水体重量、船厢结构与设备的浮力以及船厢干舷部分的浮力，仅考虑船厢内外0．3m的水位差。该工况下每套安全机构承受的载荷约为3100kN。而当每个锁定结构额定受力超过约3700kN时，该锁定机构将发生退让锁定。

3 检测方法

对接锁定机构受力测试采用应变式测量法。在每套对接锁定机构的支撑柱上，布置2个测点，每个测点贴有1个应变片,共布置8个测点。测点导线通过船厢底部人行通道，汇集到船厢2#驱动区的-2层区域固定测站，通过动态应变仪器(华东电子仪器厂YD-28A动态电阻应变仪)对应变信号放大，最后统一进入数据采集系统。

4 实船试航中对接锁定机构受力数据

在船舶通过升船机的过程中，最重要的是对对接锁定机构的受力变幅进行分析，因此，在过船过程中需要保证对接锁定机构受力在可承受范围内，即每个锁定机构受力在3100kN以内。

船舶通过升船机过程中，对接锁定机构受力最重要的几个时段是：船舶进出船厢，船厢解除对接，船厢上下行过程中。因此，主要对这几个状态内锁定机构受力进行分析。

升船机运行过程中上行和下行过程中，对接锁定机构受力最主要的影响是在船舶进出船厢、船厢对接和接触对接过程中，船厢在上下行过程中，对接锁定机构受力成周期性变化，其受力幅值都不超过200kN，且周期为2．2s，这与旋转螺母在螺杆上旋转的周期一致。

因此，下面将对不同工况下对接锁定机构受力情况进行分析。

4.1 在正常工况下，船舶进出升船机时，对安全锁定机构受力变幅进行分析

由图1可知，1#和2#点的检测的锁定机构受力幅值基本同步，3#和4#点的受力幅值基本同步。船厢与下游对接状态时，四个点的受力幅值都不超过1000kN。当船舶进厢过程中，四个点最大的受力变幅不超过2500kN，且1#和2#受力变幅比3#和4#受力变幅大。船厢在上行过程中，四个驱动点的受力变幅在800kN以内。而当船舶在上游出厢过程中，3#和4#点的受力变幅比1#和2#点的受力变幅大，这与下游进厢状态刚好相反。并且四个点最大受力变幅在1500kN以内。

图1 正常工况下，船舶上行安全锁定机构受力变化情况

图2 正常工况下，船舶下行安全锁定机构受力变化情况

由图2可知，1#和2#点的检测的锁定机构受力幅值基本同步，3#和4#点的受力幅值基本同步。船厢与上游对接时，船舶进厢过程中，四个锁定机构的受力幅值基本在500kN以内。而当船舶出厢过程中，1#和2#点受力幅值为2200kN左右，3#和4#点的受力幅值在1000kN左右。这比在上游对接时，其受力值大得多。同时，当船厢解除对接和船厢下行过程中，四个点的受力变幅均在600kN左右。

因此，通过对船舶上行和下行两个受力数值的分析，可得出以下结论：第一，对接过程中，船厢同一端两组锁定（上游1#、2#或下游3#、4#）受力波动规律、幅值基本一致；而上下游两端锁定机构受力波动幅度差异较大，靠近船厢封闭一端的受力波动较大，靠近对接一端的波动较小，可能由船厢密封框及顶紧装置的约束作用引起。第二，升船机升降运行过程中，锁定机构受力较小，受力呈现周期性波动，周期约2．2s，与安全螺母及锁定装置转动周期一致。运行全程锁定机构受力变化在1000kN内。第三，升船机对接、解除对接过程中，退密封框、液气弹簧充泄压（或松顶紧）、锁定机构锁定或解锁等操作造成锁定机构受力最大变化值800kN左右。第四，船舶在下游侧进出船厢时，四个驱动点受力最大变化值为2500kN左右，而船舶在上游侧进出船厢时，四个驱动点受力最大变化值为1000kN左右。可能是下游侧水位波动过快，导致下游侧对接时，船厢受力变幅大于上游侧。

4.2 船舶在碰擦船厢过程中，对锁定机构受力的影响

图3 船舶碰擦船厢工况下，船舶上行时安全锁定机构受力变化情况

由图3可知，船厢与下游对接船舶进厢过程中，其锁定机构受力最大变幅为2500kN。船厢与上游对接船舶出厢过程中，其锁定机构受力最大变幅为1200kN。且1#和2#点受力变幅一致，3#和4#点受力变幅一致。船厢上行过程中，其受力变幅最大600kN。这与正常工况下船舶上行时，锁定机构的受力情况一致。重点主要观测船舶在两次碰擦船厢时，对接锁定机构的受力情况。当船舶第一次碰擦船厢时，四个驱动点受力最大变化为700kN，其总受力变化为1800kN。当船舶第二次碰擦船厢时，四个驱动点受力变化最大值为500kN，其总受力变化为900kN左右。

因此可得出，船舶在船厢内停靠碰擦船厢，会引起船厢晃动和锁定受力波动，但锁定机构受力在可承受范围内，且受力变幅远小于船厢与下游对接状态时的受力变幅。

4.3 船厢失水工况下，对锁定机构的受力影响

在船厢下游对接过程中，遇到下游水位快速变化情况，造成厢内水位比下游水位高约300mm，在开启船厢门和卧倒门之后，船厢内水体流出，船厢水深由3．5m变至约3．1m，这就造成了失水工况，以此为例，对锁定机构受力进行分析总结。

由图4可知，船厢与下游对接时，由于失水和受下游引航道非恒定流波动影响，锁定机构受力变化显著，1#锁定最大受力达到-3500kN，2#锁定最大受力达到-3810kN，3#锁定最大受力达到-2500kN左右，4#锁定最大受力达到2200kN左右。因船厢水深不足，只能解除对接，在船厢水深调整后重新对接，在向船厢内补水过程中，锁定机构受力逐渐恢复，受力从-1700kN左右变至-300kN左右。当船厢调节船厢水深后，船舶进厢过程中，四个锁定点受力最大变化为1700kN。船厢在上行过程中和船舶出厢过程中，锁定机构受力情况与上面正常工况下的受力情况一样。在此主要讨论失水时，对锁定机构受力的影响。

根据实际探测到的船厢水深情况，当船厢与下游对接发生失水时，船厢水深由3．5m变至约3．1m。船厢水域尺寸长120m，宽18m。因此，可以算出由于这部分水流出船厢造成的重量G是多少？

图4 船厢与下游对接失水工况下，锁定机构受力变化情况

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

代入数值，算出这部分失水造成船厢总重量G=8467．2kN。平均到四个锁定机构的单个受力值F=G/4=2116．8kN。因此，由于失水造成的锁定机构受力为2100kN左右。而根据图4可知，当船舶进厢过程中，会造成锁定机构受力变化为1700kN左右。因此失水时，锁定机构最大受力3800kN的受力包含船舶进出厢过程中，正常水深变化引起的受力约1700kN和非正常状况下，水位落差引起的受力约2100kN，而这就导致了失水时，锁定机构受力达到了理论最大值。

因此，当船厢与下游对接时，由于水位差而导致的失水工况，对船厢是比较危险的情况，会导致锁定机构受力达到最大临界值。

5 结语

通过在各种工况下，对安全锁定机构的受力变化进行记录分析，得出了以下参考结论。

第一，船厢对接过程中，船厢同一端两组锁定受力波动规律、幅值基本一致；而上下游两端锁定机构受力波动幅度差异较大，靠近船厢封闭一端的受力波动较大，靠近对接一端的波动较小。

第二，升船机升降运行过程中，锁定机构受力较小，受力呈现周期性波动，周期约2．2s，与安全螺母及锁定装置转动周期一致。运行全程中锁定机构受力变幅不大，在可承受范围内。

第三，升船机对接、解除对接过程中，退密封框、液气弹簧充泄压（或松顶紧）、锁定机构锁定或解锁等操作造成锁定机构受力在承受范围内。

第四，由于下游水位变幅过快，当船厢与下游对接时，四个锁定机构受力明显大于船厢与上游侧对接状态。因此，船厢与下游对接时，需要重点关注水位波动对船厢受力的影响。

第五，船舶在船厢内停靠碰擦船厢，会引起船厢晃动和锁定受力波动，但锁定机构受力在可承受范围内，且受力变幅远小于船厢与下游对接状态时的受力变幅。

第六，船厢与下游对接时，由于下游水位变幅过快，可能造成船厢水位与下游航道水位差，导致船厢失水或满水工况。这时四个锁定机构的受力可能超过其可承受范围。因此，在开启船厢门和闸首门前，需要确认下游水位变幅与船厢水位是否存在水位落差。避免船厢失水或满水的情况发生。

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1671-0711（2017）09（上）-0180-03