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卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)安全鎖錠裝置方案探討

文檔作者：江萬(wàn)寧文檔來源：長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月07日
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第46卷第4期
2 0 1 5 年2 月
人 民 長(zhǎng) 江
Yangtze River
Vo1．46．No．4
Feb．， 2015
文章編號(hào)：1001—4179(2015)04—0029—04
卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)安全鎖錠裝置方案探討
江萬(wàn)寧
(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢430010)
摘要：為提高卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)的可靠性，可采用短螺柱、長(zhǎng)螺母安全鎖錠裝置的系統(tǒng)方案。在方案設(shè)計(jì)中采
用電氣同步軸和短螺柱微調(diào)裝置，解決短螺柱與主提升設(shè)備的同步運(yùn)轉(zhuǎn)及短螺柱在長(zhǎng)螺母中的定位問題。探
討了短螺柱和長(zhǎng)螺母螺紋間隙的測(cè)量及電力和信號(hào)的傳遞方式，并對(duì)鎖錠裝置的安裝檢修、運(yùn)行和事故處理
提出了指導(dǎo)性意見。方案具有較高的實(shí)用價(jià)值，可供類似工程借鑒。
關(guān)鍵詞：垂直升船機(jī)；電氣同步軸；短螺柱微調(diào)裝置；安全鎖錠裝置
中圖法分類號(hào)：U642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A D0I：10．16232／j．cnki．1001—4179．2015．04．007
1 問題的提出 2 電氣和機(jī)械原理
筆者曾在文獻(xiàn)[1]中對(duì)全平衡卷?yè)P(yáng)垂直升船機(jī)的
安全制動(dòng)裝置進(jìn)行了探討。該文獻(xiàn)是根據(jù)2005年7
月獲得的專利稍加修改后撰寫的 。計(jì)算結(jié)果表明，
即使對(duì)三峽工程的大型升船機(jī)，用底徑為500～700
mm的長(zhǎng)螺母及其配套的短螺柱也是可行的。長(zhǎng)螺母
為鑄鋼件，容許變形很小，安裝時(shí)長(zhǎng)螺母分段處必有間
隙；當(dāng)短螺柱行走在分段處發(fā)生事故時(shí)，兩段長(zhǎng)螺母間
受力不均勻，故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使兩段中等于或大于半個(gè)短
螺柱螺紋段的長(zhǎng)螺母能承受全部的力，使承船廂能夠
安全鎖錠；若采用固定余隙，需對(duì)長(zhǎng)螺母總的余隙按接
頭數(shù)進(jìn)行分配。
因文獻(xiàn)[1]中的短螺柱位置可微調(diào)，范圍大大超
過長(zhǎng)螺母與短螺柱問的余隙，即使兩段間的間隙稍大
也無(wú)妨，故能降低安裝精度要求，更適合在混凝土結(jié)構(gòu)
中安裝長(zhǎng)螺母，而承船廂過(輕)載時(shí)提升能力容易增
大，制動(dòng)的可靠性不會(huì)降低。
文獻(xiàn)[1]中對(duì)短螺柱位置的微調(diào)用了較復(fù)雜的電
機(jī)操作，為了提高微調(diào)裝置的可靠性及耐久性，本文嘗
試對(duì)短螺柱位置微調(diào)改用液壓驅(qū)動(dòng)，并對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)中
的機(jī)械、電氣問題進(jìn)行研究。
升船機(jī)采用鋼絲繩卷?yè)P(yáng)提升，在承船廂兩邊及上
下游側(cè)各設(shè)置了1組短螺柱與長(zhǎng)螺母安全制動(dòng)裝置。
短螺柱用從電機(jī)一繞線異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，并在承船廂
的機(jī)械同步軸上設(shè)主電機(jī)一繞線異步電動(dòng)機(jī)作驅(qū)動(dòng)
源，使從電機(jī)能與主提升設(shè)備協(xié)調(diào)同步運(yùn)轉(zhuǎn)。鎖錠裝
置的機(jī)械、電氣原理框圖見圖1。本文只涉及圖中虛
線框內(nèi)的內(nèi)容。
2．1 電氣同步軸和角誤差
由于主電機(jī)的狀態(tài)受制于提升機(jī)構(gòu)，主電機(jī)的轉(zhuǎn)
子向從電機(jī)轉(zhuǎn)子傳送能量，當(dāng)主、從電機(jī)容量和參數(shù)相
同時(shí)，其平衡轉(zhuǎn)矩為主、從電機(jī)的轉(zhuǎn)矩差
AM =M2一Ml=MsinO·X2S／T2 (1)
其中，M1=M(1一cosO+ 2S·sinO／y2)／2
M2= M(1一cos0一 2S-sinO／y2)／2
式中， 、 ：為主、從電機(jī)轉(zhuǎn)矩；S為轉(zhuǎn)差率；0為功
角； 、X 為電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的電阻和電抗；M =
2M ／[(1／S )+S ]，其中， 為電動(dòng)機(jī)按常規(guī)接線
(即無(wú)電軸)時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩，5 為電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩時(shí)對(duì)
應(yīng)的轉(zhuǎn)差率 。這實(shí)際上就是一個(gè)空載的交流勵(lì)磁
收稿日期：2014—11—19
作者簡(jiǎn)介：江萬(wàn)寧，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，國(guó)務(wù)院特殊津貼獲得者，主要從事水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)與研究工作。E—mail
mailjiangwanning@1 63．eom

第4期 江萬(wàn)寧：卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)安全鎖錠裝置方案探討 31
緊固件；27．承船廂；28．短螺柱組裝滑道；29．液壓缸
體；30．承船廂事故上行制動(dòng)擋塊及緊固件；31．短螺柱
組裝運(yùn)行軌道。
圖中部件② ～③統(tǒng)稱為短螺柱組裝。動(dòng)滑輪到短
螺柱組裝上部② 的垂直距離不小于5 m，以減小承船
廂擺動(dòng)時(shí)的側(cè)向力；在部件⑨ 垂直度有保證情況下，部
件③ 和部件⑨ 間有約2 mm間距，短螺柱組裝可以在
部件⑨ 限制內(nèi)自由滑動(dòng)。圖2的結(jié)構(gòu)形式使液壓系統(tǒng)
有了多種選擇，按短螺柱組裝的重量和動(dòng)滑輪的片數(shù)，
可選用拉力較低的液壓缸體或使用較低的油壓。在螺
母柱正常的最高升程的上表面處設(shè)小面積安裝間(當(dāng)
安裝場(chǎng)設(shè)于其它位置時(shí))以供吊裝與調(diào)試用；一對(duì)傘
形齒輪為1：1；要嚴(yán)格檢驗(yàn)部件⑩ 定位銷的位置，使測(cè)
量機(jī)架部件⑩ 的螺紋線位置能與短螺柱螺紋線對(duì)應(yīng)，
不影響測(cè)量精度。圖中大部分的緊固件僅以中心線表
示。
針對(duì)市場(chǎng)上可以采購(gòu)到的標(biāo)稱壓力為16 MPa的
液壓缸，在使用壓力為10 MPa時(shí)，對(duì)40 t重的短螺柱
組裝進(jìn)行測(cè)算。結(jié)果表明，缸的內(nèi)徑(mm)／活塞桿直
徑(mm)分別用為100／70、125／90、140／100、160／110、
250／180和320／220時(shí)，對(duì)應(yīng)的拉力分別為40，59，
75．4，106，234 kN和424 kN，相應(yīng)的動(dòng)滑輪的片數(shù)為
5，4，3，2，1和0；按8 s內(nèi)使短螺柱走完間隙行程(約
40 mm)計(jì)算，液壓缸拉時(shí)供油流量為200～240 mL／s，
推時(shí)油量雖大，但因短螺柱組裝有一個(gè)下墜的重力，可
調(diào)用ATV或通過加大供油量來解決。
圖3為液壓系統(tǒng)框圖。其中SV1、SV2作卸荷啟
動(dòng)用；SV3作正常調(diào)整短螺柱位置用；SV4為事故時(shí)卸
除液壓缸兩側(cè)壓力用，使短螺柱自動(dòng)鎖錠；ATV為防
止短螺柱下滑太快而設(shè)。
2．4 位置傳感器
測(cè)量機(jī)架部件⑩ ，由10～15 mm厚的鋼板或鋁板
依短螺柱一圈的螺紋形狀制成，上面等距裝設(shè)3～8只
測(cè)量部件⑩ ，并按傳感器的安裝尺寸開孔。位置傳感
器用電磁型偏轉(zhuǎn)角傳感器，在其輸入軸上固定一杠桿
使之成為T結(jié)構(gòu)，杠桿的頂部與測(cè)量面接觸，以測(cè)量
杠桿與測(cè)量面的角度，并換算成它與測(cè)量面的相對(duì)距
離，誤差可在±1 mm以內(nèi)。
2．5 電源和信號(hào)傳遞
圖4為電源及信號(hào)的傳遞圖，虛線框內(nèi)為轉(zhuǎn)動(dòng)部
分。電源變壓器采用兩個(gè)圓形的E型鐵芯，各鐵芯內(nèi)
有自己的繞組，兩個(gè)鐵芯開口側(cè)相向疊加。鐵芯的中
心有孔，一個(gè)鐵芯及繞組不隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)隨軸轉(zhuǎn)
動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)變壓器傳送電源到短螺柱的旋轉(zhuǎn)部分，轉(zhuǎn)動(dòng)
圖中：Hc為液壓油缸；0P為油泵：M為電動(dòng)機(jī)：M} 為磁性過濾器：
F為過濾器：SV為換向閥：V為截止閥：MSV為手動(dòng)切換閥：
0V為溢流閥；( V為逆止閥：ATV為可調(diào)節(jié)流閥；PG為壓力表
Ps為壓力傳感器：Pit為壓力繼電器
圖3 液壓系統(tǒng)框圖
的電子設(shè)備完成電源變換、測(cè)量值的正確性判別及信
號(hào)輸出保持。輸出的信號(hào)也經(jīng)另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)變壓器輸出
到電子設(shè)備固定部分，信號(hào)經(jīng)電子設(shè)備線性化后，按動(dòng)
作要求，分成“上行”和“下行”兩類，由電平檢測(cè)器檢
測(cè)并控制液壓系統(tǒng)工作。圖中SW 為可控制繼電器
群，使傳感器測(cè)量杠桿呈水平狀態(tài)。
圖4 電源和信號(hào)傳遞
3 短螺柱行走引起的位置偏移及微調(diào)
承船廂越往上走，長(zhǎng)螺母與短螺柱間的上間隙將
越小，承船廂越往下走上間隙越大，這一過程中行程會(huì)
超出長(zhǎng)螺母與短螺柱問的固定間隙；主提升機(jī)構(gòu)卷筒
引起的偏差和鋼絲繩、支襯機(jī)構(gòu)的彈性及溫度變形都
是周期性的，卷筒行走一圈為一個(gè)周期，總加后會(huì)有一
個(gè)限度，這兩種情況通過位置微調(diào)可以把位置偏移調(diào)
整過來。在長(zhǎng)期停機(jī)時(shí)，由液壓系統(tǒng)泄漏引起的偏差
最多達(dá)到一個(gè)螺距的長(zhǎng)螺母與短螺柱間隙，這是因?yàn)?
32
螺母柱阻擋了往上或往下的偏移，而再開機(jī)時(shí)又可以
調(diào)整回來，即偏移是可控的。
短螺柱的位置采用PI調(diào)節(jié)，當(dāng)短螺柱與長(zhǎng)螺母某
一側(cè)的距離小于容許偏差或遇定時(shí)發(fā)出的調(diào)節(jié)命令
后，短螺柱與長(zhǎng)螺母間的間隙恢復(fù)整定值。
4 安裝檢修、運(yùn)行及事故處理
4．1 安裝檢修
短螺柱組裝完成后，在適當(dāng)部位添加配重調(diào)整組
裝平衡，使組裝的重心與懸掛鋼絲繩基本重合，并推薦
使用單片包角120。以上的長(zhǎng)螺母，相比使用75。的瓦
片，其受力條件可大大改善。
安裝時(shí)，先吊入承船廂事故上行制動(dòng)擋塊及緊固
件⑩ ；將短螺柱提升至活塞桿尚剩約1／4未縮進(jìn)的位
置；切斷微調(diào)裝置電源使微調(diào)裝置鎖定；加信號(hào)使傳感
器的測(cè)量桿杠呈水平態(tài)；將承船廂下降到進(jìn)入短螺柱
組裝運(yùn)行導(dǎo)軌；在短螺柱螺紋將進(jìn)入長(zhǎng)螺母前，檢查短
螺柱是否對(duì)位，若不對(duì)位，在投入同步軸電源的情況下
拆開從電機(jī)與變速器法蘭盤的連接螺栓，手動(dòng)撥動(dòng)短
螺柱使之與長(zhǎng)螺母的人口正對(duì)，標(biāo)定從電機(jī)與變速器
法蘭盤孔的位置；更換法蘭盤或重新配鉆連接孔，連接
從電機(jī)；檢查并校正傳感器，正確對(duì)位后將短螺柱吊入
長(zhǎng)螺母中，退出傳感器水平定位信號(hào)；裝上承船廂下滑
制動(dòng)擋塊及緊固件③ ，安裝完成。除短螺柱外，設(shè)備檢
修可在上橫梁的上表面與螺母柱最高位平齊時(shí)進(jìn)行。
4．2 運(yùn)行
開機(jī)時(shí)應(yīng)先投入微調(diào)裝置電源，待調(diào)整完成后投
入短螺柱旋轉(zhuǎn)電源，最后投入主提升機(jī)構(gòu)電源。停機(jī)
時(shí)操作流程相反。
4．3 事故處理
承船廂水深超過設(shè)計(jì)規(guī)定或嚴(yán)重失水時(shí)，由士電
機(jī)測(cè)速元件等發(fā)出命令，聯(lián)動(dòng)切斷所有同步電源，短螺
柱停止轉(zhuǎn)動(dòng)，SV4開放。此時(shí)承船廂要繼續(xù)滑動(dòng)數(shù)厘
米至20 CIII，使側(cè)柱部件⑥ 與擋塊⑩ (承船廂 揚(yáng)時(shí))
或擋塊③(承船廂下沉?xí)r)接觸，此時(shí)短螺柱、長(zhǎng)螺母、
側(cè)柱、上下橫梁、滑道⑧ 和擋塊⑩ (或⑧ )問變成了剛
性接觸，承船廂即被鎖錠。
5 與三峽升船機(jī)長(zhǎng)螺母短螺柱結(jié)構(gòu)的比較
三峽升船機(jī)長(zhǎng)螺母、短螺柱螺牙中徑為1 450
mm，長(zhǎng)螺母半片瓦塊的螺紋為75。，螺距450 mm，長(zhǎng)螺
母與短螺柱之間的余隙為60 mm，每根短螺柱螺紋有
4牙用于安全鎖錠 。 。其長(zhǎng)螺母和短螺柱的應(yīng)力分
析結(jié)果(在最終設(shè)計(jì)中可能有變化，但總的趨勢(shì)不變)
如下 ：長(zhǎng)螺柱材料許用應(yīng)力 =450 MPa，最大主
應(yīng)力／最大等效應(yīng)力為111．8／308．1 MPa；短螺柱材料
許用應(yīng)力 =510 MPa，最大主應(yīng)力／最大等效應(yīng)力
為134．06／273．6 MPa(文獻(xiàn)[6]最大主應(yīng)力為117．8
MPa)。為了與三峽升船機(jī)作對(duì)比，本文用與三峽升船
機(jī)相同的材料及最大應(yīng)力作為控制條件進(jìn)行計(jì)算。具
體參數(shù)為：長(zhǎng)螺母的斜面坡度10％ ，長(zhǎng)螺母底徑／頂徑
750／620 mm，螺距235．6 mm，螺母柱螺紋厚98．9 mm，
螺紋包角2×120。；短螺柱頂徑／底徑720／590 mm，短
螺柱螺紋厚96．7 l／ira，螺母與螺柱問余隙40 mm。螺
母柱遇事故時(shí)除承受重力引起的剪力外，還受到彎矩
的作用，其幅值與剪力相同并與剪力呈90。，齒根的最
大應(yīng)力是剪力和拉力的矢量和，為長(zhǎng)螺母根部剪應(yīng)力
的√2倍。計(jì)算結(jié)果表明，長(zhǎng)螺母每圈最大荷重11．8
MN；在承船廂全部失水時(shí)，用半根短螺柱螺紋長(zhǎng)度的
長(zhǎng)螺母就能承擔(dān)全部負(fù)荷。按4根短螺柱同時(shí)受力
計(jì)，在28 MN負(fù)荷時(shí)，短螺柱螺紋長(zhǎng)度只需1 120 mm，
比三峽升船機(jī)的短螺柱短；按2根短螺柱受力考慮，45
MN負(fù)荷時(shí)，長(zhǎng)度僅需1 798 mrfi，與三峽升船機(jī)的相
當(dāng)。若螺紋取8圈，其長(zhǎng)度也只比三峽升船機(jī)的1 800
mm長(zhǎng)85 mm，但荷載能力可達(dá)47．2 MN。
6 結(jié)語(yǔ)
本文提出在大型水利樞紐的垂直卷?yè)P(yáng)升船機(jī)中應(yīng)
用電氣同步軸、短螺柱微調(diào)技術(shù)及具有大包角的長(zhǎng)螺
母瓦片部件，并用鋼絲繩、卷筒替代齒條、齒輪和需依
賴進(jìn)口的爬升機(jī)構(gòu)。上述新技術(shù)的應(yīng)用可使長(zhǎng)螺母、
短螺柱的直徑大大減小，并最終提高升船機(jī)的可靠性
和安全鎖錠裝置的穩(wěn)定性。所提出的設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單、
呵靠，值得在其他升船機(jī)設(shè)計(jì)中推廣。
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(編輯：鄭毅)
f下轉(zhuǎn)第4l頁(yè))
第4期 劉 園，等：基于CATIA的貼邊鋼岔管輔助設(shè)計(jì)程序開發(fā)應(yīng)用
4 結(jié)語(yǔ)
41
(1)基于CATIA二次開發(fā)的貼邊鋼岔管輔助設(shè)
計(jì)程序充分利用了CATIA的建模優(yōu)勢(shì)、先進(jìn)的網(wǎng)格自
動(dòng)剖分功能及精確的展開功能，簡(jiǎn)化了貼邊岔管繁瑣
的有限元前處理過程，避免了岔管展開過程中復(fù)雜冗
長(zhǎng)的公式推導(dǎo)及近似計(jì)算，縮短了設(shè)計(jì)周期并提高了
設(shè)計(jì)精度。
(2)利用Visual Basic 6．0對(duì)CATIA進(jìn)行二次開
發(fā)，所研發(fā)的設(shè)計(jì)程序工作模式簡(jiǎn)單、界面友好。工程
實(shí)例表明i以CATIA為平臺(tái)實(shí)現(xiàn)貼邊鋼岔管貫穿體形
設(shè)計(jì)、有限元前處理信息生成及管節(jié)展開的計(jì)算機(jī)輔
助設(shè)計(jì)是可行的。
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ASCE Manuals and Repots on Engineering Practice No．79 Steel
Penstocks[c]／／New York：American Society of Civil Engineers，
1993．
(編輯：鄭毅)
Developm ent and application of com puter aided design software
for hem reinforced branch pipe based on CATIA
LIU Yuan，W U Hegao，SHI Changzheng，W ANG Yang
(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science，Wuhan University，Wuhan 430072，China)
Abstract： The computer aided design software for hem reinforced branch pipe based on the secondary development of CATIA is
developed by using Visual Basic 6．0，so as to avoid the heavy design work and long pre—processing of finite element analysis．3
major modules of quick 3 D model generation，mesh generation and tabulation unfoldment are integrated，which can generate the
order flow including the pro—processing information of node，element and material for finite element analysis and realize the no—
slot joint of CATIA to ANSYS．By taking a practical case study，the design of hem reinforced branch pipe is carried out by using
this software and the results are compared with those of the classical algorithm to test and verify the reliability and stability．The
comparison shows that the software has high design efficiency and accuracy，and can be widely used in the design of hem rein—
forced branch pipe．
Key words： pressure piping of Hydropower Station；hem reinforced branch pipe；secondary development of CATIA；computer
aided design
(上接第32頁(yè))
Discussion of safety locking apparatus system in hoist vertical shiplift
JIANG W aning
(Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan 430010，China)
Abstract： To improve the reliability of the hoist vertical shiplift，the safety locking apparatus system with short studs and long
nuts is put forward．In the presented system，the electrical synehronous shaft and the fine adjustment device of short stud are used
to solve the problems of synchronization of the short studs and hoist equipment and positioning of short stud ill long nuts．The
measurement of thread gap between the short stud and long nut as well as the transmission way of electric power and signals are
discussed．Some guiding suggestions for the installation and maintenance，operation and accident treatment of the safety locking
system are provided．The system has high practical values，which could be referred by other shiplift project．
Key words： vertical shiplift；electrical synchronous shaft；fine adjustment device of short stud；safety locking apparatus

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