向家壩升船機船廂防撞裝置介紹及其桁架改造分析

王海軍 陳偉

摘 要：船廂防撞裝置是升船機的重要安全設備，能有效防止船舶進出船廂時失速撞擊船廂門事故的發生。本文對向家壩升船機船廂防撞裝置的機械結構以及動作流程進行了詳細介紹。同時，根據現場需要，對防撞裝置桁架進行了帶人行通道的改造設計，通過有限元技術分析了改造部分桁架在帶鋼絲繩剛提升和人員通行兩種狀態下的受力和變形情況，結果表明，其強度和剛度均滿足使用要求。新桁架經現場實際使用，功能正常，證明了該改造設計方法的可行性。

關鍵詞：向家壩升船機;船廂防撞裝置;桁架改造;有限元分析

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0070-03

向家壩升船機是向家壩電站唯一通航設施，采用全平衡齒輪齒條爬升螺母柱保安式一級垂直升降方式，由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道組成，全長約1530米，按Ⅳ級航道標準設計。升船機最大提升高度114.2米，船廂總重約8150噸，船廂有效水域116.0m×12.0m×3.0m（長×寬×水深）[1-3]。

船廂防撞裝置是升船機船廂的重要設備，船舶進出船廂時存在失速撞擊船廂門的風險，船廂防撞裝置能有效避免這一風險，防止嚴重事故的發生。

1 船廂防撞裝置介紹

1.1? 船廂防撞裝置機械結構

向家壩升船機船廂防撞裝置共2套，呈反對稱形式布置在船廂上下游船廂門內側，采用“鋼絲繩+緩沖油缸”的防撞方式，由鋼絲繩及組件、緩沖油缸、桁架、桁架啟閉及鎖定裝置、鎖閂裝置及導向架、限載導向裝置、制動裝置等組成[4]，如圖1所示。

鋼絲繩用于攔截失速船舶，其一端與鎖閂裝置鎖定塊固定，另一端經過導向滑輪從制動裝置中間圓孔無接觸穿過與限載導向裝置固定。緩沖油缸用于船舶撞擊鋼絲繩時油缸做功消耗撞擊能量。鎖閂裝置可使鋼絲繩與桁架連接或者分離。限載導向裝置在鋼絲繩受力超過設定值時斷開，以保護緩沖油缸。制動裝置用于限載裝置斷開后摩擦制動，消耗船舶撞擊能量。桁架可繞支鉸在豎直平面內90°轉動。桁架鎖定裝置用于桁架提升到位后固定桁架，防止桁架晃動或傾倒。

1.2? 船廂防撞裝置動作流程

船廂防撞裝置正常工作時有三種狀態：

（1）準備狀態：鎖閂裝置解鎖、鋼絲繩預緊、桁架落下、桁架鎖定裝置解鎖，如圖2所示;

（2）生效狀態：鎖閂裝置解鎖、鋼絲繩預緊、桁架提升、桁架鎖定裝置鎖定，如圖3所示;

（3）失效狀態：鎖閂裝置鎖定、鋼絲繩松弛、桁架提升、桁架鎖定裝置鎖定，如圖4所示。

船舶上行過機時防撞裝置動作流程如下：①船舶過機前防撞裝置初始均處于準備狀態;②在船廂下游對接船舶進廂前，上游防撞裝置由準備狀態動作至生效狀態，下游防撞裝置由準備狀態動作至失效狀態;③船廂下游解除對接上行前，上游防撞裝置由生效狀態動作至準備狀態，下游防撞裝置由失效狀態動作至準備狀態;④船廂上行期間，船廂上下游防撞裝置均處于準備狀態;⑤船廂上游對接船舶出廂前，上游防撞裝置由準備狀態動作至失效狀態，下游防撞裝置由準備狀態動作至生效狀態。

船廂防撞裝置狀態如表1所示。

2 桁架結構改造設計與分析

2.1 船廂防撞裝置桁架改造設計

船廂防撞裝置原桁架不帶無人行通道，人員往返船廂左右岸側極為不便。新桁架采用將替換原桁架中間部分、保留兩端與其他設備安裝配合方式的設計方案。新桁架改造部分由4根矩形鋼管構成主體框架，矩形鋼管之間設置三角斜撐方形鋼管，以提高新桁架的整體強度與剛度。新桁架設有欄桿和人行通道鋼網格柵，整體結構如圖5所示。

2.2 改造部分桁架有限元分析

為保證安全生產，需對改造部分桁架進行必要的分析，以驗證其性能是否滿足使用要求。改造部分桁架材料選用Q235A鋼材，其屈服強度S=235MPa，取安全系數S=1.34，則桁架強度應滿足：max≤[]=S/S=175MPa;剛度方面，根據使用情況可參考：max≤[]=2L/250=102.64mm。

本文以Solidworks為軟件平臺，利用其三維建模技術以及有限元分析功能對改造部分桁架進行分析。為提高計算效率、突出重點，對模型進行合理簡化：（1）欄桿、人行通道網板等零部件采用等效載荷代替;（2）由于改造部分桁架為長細比大于10的薄壁鋼管，故采用梁單元進行分析，可在保證精度的前提下提高計算效率。

桁架受力分析主要考察兩種工況，一種是人員通行工況，當設計限載的2名人員位于桁架中部時為桁架在此工況下的最大受力狀態。另一種為桁架帶鋼絲繩提升工況，當桁架帶鋼絲繩剛提升時為此種工況最大受力狀態，兩種狀態分析如下。

通過對桁架定義材料屬性、施加載荷與約束、劃分網格并求解，得到改造部分桁架兩種狀態的分析結果[5-6]，如圖6-9所示。

由圖6-9可知，桁架在人員通行時最大應力為30.2MPa，最大變形為2.87mm，帶鋼絲繩剛提升時最大應力為155.7MPa，最大變形為83.50mm。綜合可知，改造部分桁架工作時最大應力小于許用應力，最大變形也小于最大允許變形值，強度與剛度均滿足現場使用要求。

3 結語

本文對向家壩升船機船廂防撞裝置的機械結構及其船舶過機時的動作流程進行了詳細介紹。

對船廂防撞裝置原桁架結構進行了改造設計，并利用Solidworks軟件對改造部分桁架帶鋼絲繩剛提升和人員通行的兩種狀態進行了有限元分析，得到了相應的應力和變形數據。分析結果表明，強度和剛度均滿足工作使用要求。目前新桁架已投入現場使用，功能正常。

參考文獻：

[1] 黃文利. 向家壩水電站一級垂直升船機設計[C].水工機械技術2008年論文集. 2007.

[2] 林太舉，朱翼挺. 金沙江向家壩高壩垂直升船機[J].水力發電，2014，40（1）：66-68.

[3] 古思思， 孟慶峰. 向家壩升船機方案比選分析[J]. 湖南水利水電， 2015（04）：26-29.

[4] 趙亞楠， 張莉， 馮宇. 升船機防撞裝置的設計[J]. 起重運輸機械， 2016（6）：32-33.

[5] 陳超祥. SolidWorks Simulation高級教程[M].北京：機械工業出版社， 2011.

[6] 陳永當， 鮑志強， 任慧娟等. 基于SolidWorks Simulation的產品設計有限元分析[J]. 計算機技術與發展， 2012， 022（009）：177-180.