向家坝升船机船厢防撞装置介绍及其桁架改造分析

王海军 陈伟

摘 要：船厢防撞装置是升船机的重要安全设备，能有效防止船舶进出船厢时失速撞击船厢门事故的发生。本文对向家坝升船机船厢防撞装置的机械结构以及动作流程进行了详细介绍。同时，根据现场需要，对防撞装置桁架进行了带人行通道的改造设计，通过有限元技术分析了改造部分桁架在带钢丝绳刚提升和人员通行两种状态下的受力和变形情况，结果表明，其强度和刚度均满足使用要求。新桁架经现场实际使用，功能正常，证明了该改造设计方法的可行性。

关键词：向家坝升船机;船厢防撞装置;桁架改造;有限元分析

中图分类号：U642           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）09-0070-03

向家坝升船机是向家坝电站唯一通航设施，采用全平衡齿轮齿条爬升螺母柱保安式一级垂直升降方式，由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道组成，全长约1530米，按Ⅳ级航道标准设计。升船机最大提升高度114.2米，船厢总重约8150吨，船厢有效水域116.0m×12.0m×3.0m（长×宽×水深）[1-3]。

船厢防撞装置是升船机船厢的重要设备，船舶进出船厢时存在失速撞击船厢门的风险，船厢防撞装置能有效避免这一风险，防止严重事故的发生。

1 船厢防撞装置介绍

1.1  船厢防撞装置机械结构

向家坝升船机船厢防撞装置共2套，呈反对称形式布置在船厢上下游船厢门内侧，采用“钢丝绳+缓冲油缸”的防撞方式，由钢丝绳及组件、缓冲油缸、桁架、桁架启闭及锁定装置、锁闩装置及导向架、限载导向装置、制动装置等组成[4]，如图1所示。

钢丝绳用于拦截失速船舶，其一端与锁闩装置锁定块固定，另一端经过导向滑轮从制动装置中间圆孔无接触穿过与限载导向装置固定。缓冲油缸用于船舶撞击钢丝绳时油缸做功消耗撞击能量。锁闩装置可使钢丝绳与桁架连接或者分离。限载导向装置在钢丝绳受力超过设定值时断开，以保护缓冲油缸。制动装置用于限载装置断开后摩擦制动，消耗船舶撞击能量。桁架可绕支铰在竖直平面内90°转动。桁架锁定装置用于桁架提升到位后固定桁架，防止桁架晃动或倾倒。

1.2  船厢防撞装置动作流程

船厢防撞装置正常工作时有三种状态：

（1）准备状态：锁闩装置解锁、钢丝绳预紧、桁架落下、桁架锁定装置解锁，如图2所示;

（2）生效状态：锁闩装置解锁、钢丝绳预紧、桁架提升、桁架锁定装置锁定，如图3所示;

（3）失效状态：锁闩装置锁定、钢丝绳松弛、桁架提升、桁架锁定装置锁定，如图4所示。

船舶上行过机时防撞装置动作流程如下：①船舶过机前防撞装置初始均处于准备状态;②在船厢下游对接船舶进厢前，上游防撞装置由准备状态动作至生效状态，下游防撞装置由准备状态动作至失效状态;③船厢下游解除对接上行前，上游防撞装置由生效状态动作至准备状态，下游防撞装置由失效状态动作至准备状态;④船厢上行期间，船厢上下游防撞装置均处于准备状态;⑤船厢上游对接船舶出厢前，上游防撞装置由准备状态动作至失效状态，下游防撞装置由准备状态动作至生效状态。

船厢防撞装置状态如表1所示。

2 桁架结构改造设计与分析

2.1 船厢防撞装置桁架改造设计

船厢防撞装置原桁架不带无人行通道，人员往返船厢左右岸侧极为不便。新桁架采用将替换原桁架中间部分、保留两端与其他设备安装配合方式的设计方案。新桁架改造部分由4根矩形钢管构成主体框架，矩形钢管之间设置三角斜撑方形钢管，以提高新桁架的整体强度与刚度。新桁架设有栏杆和人行通道钢网格栅，整体结构如图5所示。

2.2 改造部分桁架有限元分析

为保证安全生产，需对改造部分桁架进行必要的分析，以验证其性能是否满足使用要求。改造部分桁架材料选用Q235A钢材，其屈服强度S=235MPa，取安全系数S=1.34，则桁架强度应满足：max≤[]=S/S=175MPa;刚度方面，根据使用情况可参考：max≤[]=2L/250=102.64mm。

本文以Solidworks为软件平台，利用其三维建模技术以及有限元分析功能对改造部分桁架进行分析。为提高计算效率、突出重点，对模型进行合理简化：（1）栏杆、人行通道网板等零部件采用等效载荷代替;（2）由于改造部分桁架为长细比大于10的薄壁钢管，故采用梁单元进行分析，可在保证精度的前提下提高计算效率。

桁架受力分析主要考察两种工况，一种是人员通行工况，当设计限载的2名人员位于桁架中部时为桁架在此工况下的最大受力状态。另一种为桁架带钢丝绳提升工况，当桁架带钢丝绳刚提升时为此种工况最大受力状态，两种状态分析如下。

通过对桁架定义材料属性、施加载荷与约束、划分网格并求解，得到改造部分桁架两种状态的分析结果[5-6]，如图6-9所示。

由图6-9可知，桁架在人员通行时最大应力为30.2MPa，最大变形为2.87mm，带钢丝绳刚提升时最大应力为155.7MPa，最大变形为83.50mm。综合可知，改造部分桁架工作时最大应力小于许用应力，最大变形也小于最大允许变形值，强度与刚度均满足现场使用要求。

3 结语

本文对向家坝升船机船厢防撞装置的机械结构及其船舶过机时的动作流程进行了详细介绍。

对船厢防撞装置原桁架结构进行了改造设计，并利用Solidworks软件对改造部分桁架带钢丝绳刚提升和人员通行的两种状态进行了有限元分析，得到了相应的应力和变形数据。分析结果表明，强度和刚度均满足工作使用要求。目前新桁架已投入现场使用，功能正常。

参考文献：

[1] 黄文利. 向家坝水电站一级垂直升船机设计[C].水工机械技术2008年论文集. 2007.

[2] 林太举，朱翼挺. 金沙江向家坝高坝垂直升船机[J].水力发电，2014，40（1）：66-68.

[3] 古思思， 孟庆峰. 向家坝升船机方案比选分析[J]. 湖南水利水电， 2015（04）：26-29.

[4] 赵亚楠， 张莉， 冯宇. 升船机防撞装置的设计[J]. 起重运输机械， 2016（6）：32-33.

[5] 陈超祥. SolidWorks Simulation高级教程[M].北京：机械工业出版社， 2011.

[6] 陳永当， 鲍志强， 任慧娟等. 基于SolidWorks Simulation的产品设计有限元分析[J]. 计算机技术与发展， 2012， 022（009）：177-180.