基于自动化装卸的斜面式升船机多船运输系统∗

杨晓霞 蔡显赫

（华北水利水电大学水利学院 郑州 450046）

1 引言

随着水利工程建设的快速发展，我国已经成为在大、中型水利枢纽上修建升船机最多的国家［1～2］。特别是近30年以来，升船机技术的发展进入一个新的阶段，型式也越来越新颖［3］。已建成的斜面升船机的型式，主要有纵向钢丝绳卷扬机牵引式、横向钢丝绳卷扬机牵引式及纵向自爬升式三种［4］。相对于垂直升船机，斜面式升船机具有节约运输成本、减少工程投资、避免高空建筑产生的复杂技术难题及设计和运转方面也没有太大问题等优点［5］。承船厢随机械提升或平移，使船舶能够安全、快速过坝［6］。然而，当承船厢沿斜面运动时，会经历斜面变速、厢体出入水、以及与缓冲挡板碰撞减速的过程，而且在运行过程中会引发厢内水体晃动，导致厢内船体上下颠簸，甚至倾覆，增加了安全隐患［7］，因此提高其安全性和稳定性成为一个亟待解决的问题。

虽然国内外已建成的大中型斜面升船机的数量较少，但承载能力却已达到千吨级别［8～11］，如表1所示。目前我国通航建筑物绝大多数都集中在大中型水利枢纽上，关于中小型的斜面式升船机的研究较少［12～14］，而且已建成的斜面升船机还存在过坝效率低，安全性能不稳定等缺陷。本文针对斜面式升船机存在的不足提出了一种新型承船厢斜面运输系统，可以实现自动化装卸船舶，同时可以承载多条船只，提高运输效率，并设置PLC安全监测控制器系统实时监控船舶的位置，提高安全系数。

表1 国内外大中型斜面式升船机主要参数

2 新型斜面式升船机的工作原理

在上游和下游之间修建斜面并平铺设斜面轨道，斜面轨道上安置承船厢，设置有驱动承船厢沿斜面运动的驱动机构和传动机构，承船厢底部向下连接载厢架，载厢架的底面为斜面，并与运输区斜面保持一致，载厢架底部安装的轨道轮与斜面轨道配合装配，载厢架的顶面为平面，与承船厢底部连接，见图1。

图1 新型斜面升船机运动简图

承船厢上侧的四个顶角位置竖向都固定立柱，立柱上端都固定安装旋转起吊装置，见图2。旋转起吊装置包括回转机构，回转机构上设置伸缩吊臂、吊绳及吊钩，位于承船厢前端的一对旋转起吊装置的吊钩同时吊装船舶的两侧吊装位，将船舶从上游水位移至承船厢内，位于承船厢后端的一对旋转起吊装置的吊钩同时吊装船舶的两侧吊装位，将船舶从承船厢移至下游水位。

图2 承船厢起吊装置示意图

3 船舶入厢运动系统

当船舶从上闸首驶入承船厢时，首先操控承船厢前端的旋转起吊装置延伸至船舶对应的起吊位上方，控制吊绳的长度，见图3，然后根据所需同时运输船舶（见图5）的数量，选择PLC控制面板上的相对应的模式（见图4），再选择控制面板上的装船启动，PLC控制器同步控制旋转起吊装置上的回转机构收集吊绳，使船舶稳定上升至安全高度，此后船舶会沿运输中心线水平纵向向乘船厢中部上方移动。

图3 船舶进入承船厢示意图

图4 PLC控制器面板

图5 多船运输船槽

船舶移动到位置B时，此时液压伸缩吊臂全部停止收缩运动并开始延伸运动，此时船舶继续水平纵向向承船厢中部上方移动，当船舶移动到位置C后，PLC控制器停止对旋转起吊装置的回转机构和液压伸缩吊臂的控制，转为同步控制其滑轮机构，使船舶稳定下降至乘船厢中部的停放区域。

船舶吊放完成后，启动斜面轨道顶部的卷扬机，载厢架按卷扬机的放绳速度沿斜面轨道向下闸首移动。

4 安全监测系统

4.1 工作原理

旋转吊臂将船舶调入承船厢底部的船槽时，因为人工或机械引起的系统误差使船舶与凹槽的位置存在相对偏差，使船舶不能顺利放入凹槽中，从而发生安全隐患。为此，提出了偏移量监测监控系统，它包括承船厢左右两侧壁的内置滑轨、水平滑杆，水平滑杆升降机构、监控船舶侧面距离的传感器等，见图6。

承船厢左右两侧的内壁上都设有承船监控装置，包括竖向的滑轨组和横向的水平滑杆，滑轨组包括间隔固定在承船厢内壁上的两条滑轨，水平滑杆的左右两端中部都设有电动滑块，电动滑块对应嵌套在滑轨内并可沿滑轨上下同步滑动，水平滑杆上均布置用于监控船舶侧面距离的传感器。滑轨的上下两端都对称，并设有限位块，为了防止电动滑块滑出滑轨并与乘船厢底部发生碰撞使得水平滑杆上的传感器损坏，设计了两个参数防止事故的发生，设限位块的高度为a，水平滑杆的高度为b，其中满足：

承船厢四角的旋转起吊装置之间的厢底设有停放区域，水平滑杆的长度与停放区域的长度相同，使水平滑杆上传感器监控范围覆盖整个停放区域，实现高精度监控，同时停放区域可均匀划分为多个停船位，提高运输效率。

图6 偏移量监控结构示意图

4.2 固定装置系统

当船舶放入承船厢底部的凹槽后，为了保证其能够在斜面上安全运输，还需要设计船舶固定系统，见图7。其包括升降槽的固定柱、固定柱上端的挡环、通过支撑弹簧固定连接在一起的升降柱与升降槽、挡环与升降柱之间的密封圈、贯穿支撑壳与升降柱圆周侧面的L形抽气通道，支撑壳内密封固定套装的吸盘、贯通升降槽的抽气孔以及抽气孔通过抽气管连接的抽气泵。始终确保固定系统中的升降槽内处于负压状态。

吸盘固定装置竖向固定于凹槽底部，吸盘固定装置上端的支撑壳和吸盘凸出凹槽，设吸盘上端面凸出凹槽的长度为c，吸盘固定装置在未挤压状态下升降柱圆周侧面的抽气通道口与固定柱上的抽气孔之间的垂直距离为d，其中有：

当旋转起吊装置将船舶停放在停船位后，船舶底部会将凸出凹槽的吸盘固定装置挤压进凹槽，此时吸盘与船舶底部紧密接触，升降柱圆周测的抽气通道口被挤压进升降槽内，此时吸盘通过抽气通道与升降槽贯通，通过抽气泵的持续抽气使吸盘与船体底部之间达到负压，让吸盘固定在船舶底部，由此通过停船位上的吸盘固定装置吸附在船舶底部，增加船舶在运输过程的稳定性。

图7 固定装置结构示意图

5 结语

目前关于中小型斜面式升船机在中小型河道中的应用研究较少，而且还存在运输效率较低、安全隐患较大等缺点。为了解决以上问题，本文提出一种斜面式升船机承船厢多船运输系统，其有如下优势：

1）承船厢底部可布设多船位的船槽，实现多船同时运输的目的，提高运输效率；

2）船槽内安装的固定装置增强了船舶在承船厢内的稳定性，提高了安全系数；

3）通过特定的安全监测系统，可以实时监控船舶的停放位置，预防和调整船舶运转过程中发生偏移等不稳定情况，同时精确纠正船舶与船槽的偏移问题。