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卷揚式垂直升船機安全鎖錠裝置方案探討

文檔作者：江萬寧文檔來源：長江勘測規劃設計研究有限責任公司		點擊數：	更新時間： 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 江
Yangtze River
Vo1．46．No．4
Feb．， 2015
文章編號：1001—4179(2015)04—0029—04
卷揚式垂直升船機安全鎖錠裝置方案探討
江萬寧
(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢430010)
摘要：為提高卷揚式垂直升船機的可靠性，可采用短螺柱、長螺母安全鎖錠裝置的系統方案。在方案設計中采
用電氣同步軸和短螺柱微調裝置，解決短螺柱與主提升設備的同步運轉及短螺柱在長螺母中的定位問題。探
討了短螺柱和長螺母螺紋間隙的測量及電力和信號的傳遞方式，并對鎖錠裝置的安裝檢修、運行和事故處理
提出了指導性意見。方案具有較高的實用價值，可供類似工程借鑒。
關鍵詞：垂直升船機；電氣同步軸；短螺柱微調裝置；安全鎖錠裝置
中圖法分類號：U642 文獻標志碼：A D0I：10．16232／j．cnki．1001—4179．2015．04．007
1 問題的提出 2 電氣和機械原理
筆者曾在文獻[1]中對全平衡卷揚垂直升船機的
安全制動裝置進行了探討。該文獻是根據2005年7
月獲得的專利稍加修改后撰寫的 。計算結果表明，
即使對三峽工程的大型升船機，用底徑為500～700
mm的長螺母及其配套的短螺柱也是可行的。長螺母
為鑄鋼件，容許變形很小，安裝時長螺母分段處必有間
隙；當短螺柱行走在分段處發生事故時，兩段長螺母間
受力不均勻，故設計時應使兩段中等于或大于半個短
螺柱螺紋段的長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，需對長螺母總的余隙按接
頭數進行分配。
因文獻[1]中的短螺柱位置可微調，范圍大大超
過長螺母與短螺柱問的余隙，即使兩段間的間隙稍大
也無妨，故能降低安裝精度要求，更適合在混凝土結構
中安裝長螺母，而承船廂過(輕)載時提升能力容易增
大，制動的可靠性不會降低。
文獻[1]中對短螺柱位置的微調用了較復雜的電
機操作，為了提高微調裝置的可靠性及耐久性，本文嘗
試對短螺柱位置微調改用液壓驅動，并對相關設計中
的機械、電氣問題進行研究。
升船機采用鋼絲繩卷揚提升，在承船廂兩邊及上
下游側各設置了1組短螺柱與長螺母安全制動裝置。
短螺柱用從電機一繞線異步電動機驅動，并在承船廂
的機械同步軸上設主電機一繞線異步電動機作驅動
源，使從電機能與主提升設備協調同步運轉。鎖錠裝
置的機械、電氣原理框圖見圖1。本文只涉及圖中虛
線框內的內容。
2．1 電氣同步軸和角誤差
由于主電機的狀態受制于提升機構，主電機的轉
子向從電機轉子傳送能量，當主、從電機容量和參數相
同時，其平衡轉矩為主、從電機的轉矩差
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、從電機轉矩；S為轉差率；0為功
角； 、X 為電機轉子回路的電阻和電抗；M =
2M ／[(1／S )+S ]，其中， 為電動機按常規接線
(即無電軸)時的最大轉矩，5 為電機最大轉矩時對
應的轉差率 。這實際上就是一個空載的交流勵磁
收稿日期：2014—11—19
作者簡介：江萬寧，男，教授級高級工程師，國務院特殊津貼獲得者，主要從事水利水電工程機電設計與研究工作。E—mail
mailjiangwanning@1 63．eom

第4期 江萬寧：卷揚式垂直升船機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擋塊及緊固件；31．短螺柱
組裝運行軌道。
圖中部件② ～③統稱為短螺柱組裝。動滑輪到短
螺柱組裝上部② 的垂直距離不小于5 m，以減小承船
廂擺動時的側向力；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 限制內自由滑動。圖2的結構形式使液壓系統
有了多種選擇，按短螺柱組裝的重量和動滑輪的片數，
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小面積安裝間(當
安裝場設于其它位置時)以供吊裝與調試用；一對傘
形齒輪為1：1；要嚴格檢驗部件⑩ 定位銷的位置，使測
量機架部件⑩ 的螺紋線位置能與短螺柱螺紋線對應，
不影響測量精度。圖中大部分的緊固件僅以中心線表
示。
針對市場上可以采購到的標稱壓力為16 MPa的
液壓缸，在使用壓力為10 MPa時，對40 t重的短螺柱
組裝進行測算。結果表明，缸的內徑(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，對應的拉力分別為40，59，
75．4，106，234 kN和424 kN，相應的動滑輪的片數為
5，4，3，2，1和0；按8 s內使短螺柱走完間隙行程(約
40 mm)計算，液壓缸拉時供油流量為200～240 mL／s，
推時油量雖大，但因短螺柱組裝有一個下墜的重力，可
調用ATV或通過加大供油量來解決。
圖3為液壓系統框圖。其中SV1、SV2作卸荷啟
動用；SV3作正常調整短螺柱位置用；SV4為事故時卸
除液壓缸兩側壓力用，使短螺柱自動鎖錠；ATV為防
止短螺柱下滑太快而設。
2．4 位置傳感器
測量機架部件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3～8只
測量部件⑩ ，并按傳感器的安裝尺寸開孔。位置傳感
器用電磁型偏轉角傳感器，在其輸入軸上固定一杠桿
使之成為T結構，杠桿的頂部與測量面接觸，以測量
杠桿與測量面的角度，并換算成它與測量面的相對距
離，誤差可在±1 mm以內。
2．5 電源和信號傳遞
圖4為電源及信號的傳遞圖，虛線框內為轉動部
分。電源變壓器采用兩個圓形的E型鐵芯，各鐵芯內
有自己的繞組，兩個鐵芯開口側相向疊加。鐵芯的中
心有孔，一個鐵芯及繞組不隨轉軸轉動，另一個隨軸轉
動。轉動變壓器傳送電源到短螺柱的旋轉部分，轉動
圖中：Hc為液壓油缸；0P為油泵：M為電動機：M} 為磁性過濾器：
F為過濾器：SV為換向閥：V為截止閥：MSV為手動切換閥：
0V為溢流閥；( V為逆止閥：ATV為可調節流閥；PG為壓力表
Ps為壓力傳感器：Pit為壓力繼電器
圖3 液壓系統框圖
的電子設備完成電源變換、測量值的正確性判別及信
號輸出保持。輸出的信號也經另一個轉動變壓器輸出
到電子設備固定部分，信號經電子設備線性化后，按動
作要求，分成“上行”和“下行”兩類，由電平檢測器檢
測并控制液壓系統工作。圖中SW 為可控制繼電器
群，使傳感器測量杠桿呈水平狀態。
圖4 電源和信號傳遞
3 短螺柱行走引起的位置偏移及微調
承船廂越往上走，長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
超出長螺母與短螺柱問的固定間隙；主提升機構卷筒
引起的偏差和鋼絲繩、支襯機構的彈性及溫度變形都
是周期性的，卷筒行走一圈為一個周期，總加后會有一
個限度，這兩種情況通過位置微調可以把位置偏移調
整過來。在長期停機時，由液壓系統泄漏引起的偏差
最多達到一個螺距的長螺母與短螺柱間隙，這是因為
32
螺母柱阻擋了往上或往下的偏移，而再開機時又可以
調整回來，即偏移是可控的。
短螺柱的位置采用PI調節，當短螺柱與長螺母某
一側的距離小于容許偏差或遇定時發出的調節命令
后，短螺柱與長螺母間的間隙恢復整定值。
4 安裝檢修、運行及事故處理
4．1 安裝檢修
短螺柱組裝完成后，在適當部位添加配重調整組
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。以上的長螺母，相比使用75。的瓦
片，其受力條件可大大改善。
安裝時，先吊入承船廂事故上行制動擋塊及緊固
件⑩ ；將短螺柱提升至活塞桿尚剩約1／4未縮進的位
置；切斷微調裝置電源使微調裝置鎖定；加信號使傳感
器的測量桿杠呈水平態；將承船廂下降到進入短螺柱
組裝運行導軌；在短螺柱螺紋將進入長螺母前，檢查短
螺柱是否對位，若不對位，在投入同步軸電源的情況下
拆開從電機與變速器法蘭盤的連接螺栓，手動撥動短
螺柱使之與長螺母的人口正對，標定從電機與變速器
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；檢查并校正傳感器，正確對位后將短螺柱吊入
長螺母中，退出傳感器水平定位信號；裝上承船廂下滑
制動擋塊及緊固件③ ，安裝完成。除短螺柱外，設備檢
修可在上橫梁的上表面與螺母柱最高位平齊時進行。
4．2 運行
開機時應先投入微調裝置電源，待調整完成后投
入短螺柱旋轉電源，最后投入主提升機構電源。停機
時操作流程相反。
4．3 事故處理
承船廂水深超過設計規定或嚴重失水時，由士電
機測速元件等發出命令，聯動切斷所有同步電源，短螺
柱停止轉動，SV4開放。此時承船廂要繼續滑動數厘
米至20 CIII，使側柱部件⑥ 與擋塊⑩ (承船廂 揚時)
或擋塊③(承船廂下沉時)接觸，此時短螺柱、長螺母、
側柱、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 與三峽升船機長螺母短螺柱結構的比較
三峽升船機長螺母、短螺柱螺牙中徑為1 450
mm，長螺母半片瓦塊的螺紋為75。，螺距450 mm，長螺
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 。 。其長螺母和短螺柱的應力分
析結果(在最終設計中可能有變化，但總的趨勢不變)
如下 ：長螺柱材料許用應力 =450 MPa，最大主
應力／最大等效應力為111．8／308．1 MPa；短螺柱材料
許用應力 =510 MPa，最大主應力／最大等效應力
為134．06／273．6 MPa(文獻[6]最大主應力為117．8
MPa)。為了與三峽升船機作對比，本文用與三峽升船
機相同的材料及最大應力作為控制條件進行計算。具
體參數為：長螺母的斜面坡度10％ ，長螺母底徑／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
大應力是剪力和拉力的矢量和，為長螺母根部剪應力
的√2倍。計算結果表明，長螺母每圈最大荷重11．8
MN；在承船廂全部失水時，用半根短螺柱螺紋長度的
長螺母就能承擔全部負荷。按4根短螺柱同時受力
計，在28 MN負荷時，短螺柱螺紋長度只需1 120 mm，
比三峽升船機的短螺柱短；按2根短螺柱受力考慮，45
MN負荷時，長度僅需1 798 mrfi，與三峽升船機的相
當。若螺紋取8圈，其長度也只比三峽升船機的1 800
mm長85 mm，但荷載能力可達47．2 MN。
6 結語
本文提出在大型水利樞紐的垂直卷揚升船機中應
用電氣同步軸、短螺柱微調技術及具有大包角的長螺
母瓦片部件，并用鋼絲繩、卷筒替代齒條、齒輪和需依
賴進口的爬升機構。上述新技術的應用可使長螺母、
短螺柱的直徑大大減小，并最終提高升船機的可靠性
和安全鎖錠裝置的穩定性。所提出的設計方案簡單、
呵靠，值得在其他升船機設計中推廣。
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(編輯：鄭毅)
f下轉第4l頁)
第4期 劉 園，等：基于CATIA的貼邊鋼岔管輔助設計程序開發應用
4 結語
41
(1)基于CATIA二次開發的貼邊鋼岔管輔助設
計程序充分利用了CATIA的建模優勢、先進的網格自
動剖分功能及精確的展開功能，簡化了貼邊岔管繁瑣
的有限元前處理過程，避免了岔管展開過程中復雜冗
長的公式推導及近似計算，縮短了設計周期并提高了
設計精度。
(2)利用Visual Basic 6．0對CATIA進行二次開
發，所研發的設計程序工作模式簡單、界面友好。工程
實例表明i以CATIA為平臺實現貼邊鋼岔管貫穿體形
設計、有限元前處理信息生成及管節展開的計算機輔
助設計是可行的。
參考文獻：
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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)
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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