抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统及其设置方法技术方案

本发明专利技术提供一种抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统的设置方法，通过对主动抗倾覆机械同步系统同步轴刚度、强度设置及间隙、制造误差控制，使主动抗倾覆机械同步系统同时具备承船厢抗倾覆和传递均衡承船厢不均匀荷载双重功能，当承船厢受到不平衡荷载作用下出现倾斜时，能通过主动抗倾覆机械同步系统的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩，达到控制承船厢倾斜量和降低同步轴扭矩的目的，并在船厢倾斜量或同步系统扭矩达到设计值时，通过主动抗倾覆机械同步系统的制动器锁定卷筒转动，保障升船机整体安全，有利于确保水力式升船机安全、可靠运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统及该系统的设置方法，属于通航建筑领域。
技术介绍
水力式升船机是一种新型升船机，其是在容纳承船厢的船闸室两侧分别设置多个与船闸室分隔且相互间连通的可充、放水的竖井，每个竖井中设置浮筒，多个平衡重——即浮筒，每一个浮筒通过对应的钢绳、卷筒、滑轮与承船厢多个部位相连(即在承船厢上形成多个吊点)，当向竖井内充水时浮筒上升、承船厢下降，反之承船厢上升，从而完成水力驱动式升船或降船。水力式升船机承船厢每个吊点都有水力驱动，所有吊点的水力驱动源均通过一个阀门控制，不会出现某个吊点水力驱动失效的情况，即使个别水力驱动源失效，由于整个水力提升系统驱动源较多，需要机械同步轴克服的不平衡荷载也不是很大，因此，可以在各卷筒之间通过同步轴进行连接，这样可大大简化了主动抗倾覆机械同步系统的设计。水力式升船机同步轴直接与卷筒连接，其同步轴扭转变形和同步轴之间的间隙通过卷筒直接传递到承船厢，同步轴之间的间隙或扭转变形大小直接影响承船厢的倾斜量大小；承船厢受到的倾斜力矩和不平衡荷载直接通过卷筒传递到同步轴，相同承船厢倾斜荷载作用下，水力式升船机同步轴的扭矩比电机驱动的传统升船机大。因此，水力驱动的升船机对同步轴刚度、强度和间隙等方面的要求比电机驱动的传统升船机具有较高的要求。由于水力式升船机的机械升降系统与传统升船机差异较大，且其对提高水力式升船机承船厢整体抗倾覆能力的影响十分重大，其安全可靠直接关系升船机的运行安全，所以升船机主动抗倾覆机械同步系统及设置方法，特别是具有抗倾覆能力的升船机承船厢主动抗倾覆机械同步系统及设置方法尤为重要。
技术实现思路
本专利技术通过对水力式升船机主动抗倾覆机械同步系统受力特点的深入研究，结合水力式升船机基本原理，针对水力式升船机承船厢带水倾斜问题，提出了一种具有抗倾覆能力的水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统以及该主动抗倾覆机械同步系统的设置方法。以解决水力式升船机承船厢带水倾斜，不能正常升降运行的问题。本专利技术通过下列技术方案完成：一种抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统，包括与承船厢两侧的多个部位相连的多根钢绳，多根钢绳的另一端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒以及设置在竖井中浮筒上的滑轮固定在竖井的顶部，多个卷筒之间通过同步轴及联轴器相连。所述多个卷筒及联轴器和同步轴与承船厢两侧的钢绳相对应地设置成两排，两排之间通过伞齿对及联轴器连接有横向同步轴，构成矩形框连接，且每一卷筒上均设有常规制动器，以便在承船厢受到不平衡荷载作用下出现倾斜时，能通过主动抗倾覆机械同步系统中的同步轴的微量变形产生主动抗倾覆力矩，以控制承船厢倾斜量、降低同步轴扭矩，并在船厢倾斜量或同步传动扭矩达到设计值时，通过制动器锁定对应卷筒，保障升船机整体安全。所述抗倾覆水力式升船机包括设置在船闸室中的承船厢，与承船厢相连的稳定均衡水力驱动系统、主动抗倾覆机械同步系统和自反馈稳定系统，其中：所述稳定均衡水力驱动系统包括竖井、设置在竖井中的浮筒、带输水阀的输水主管，下端与输水主管相连的多根分支水管，多根分支水管由下部的直管、中部的转角管和/或分叉管以及上部的直管构成，且上部的直管出水端置于对应的竖井底部，并在直管出水端设置有消能工，各个竖井之间通过水位平衡廊道相连；且在分支水管转角处设有第一阻力均衡件，在分叉管处设有第二阻力均衡件，在输水主管输水阀阀前设有环向强迫通气机构、阀后设有稳压减振箱；所述浮筒底部设为120°的锥体，且竖井与浮筒之间的间隙比保持在0.095～0.061之间，以提高稳定均衡水力驱动系统的水动力特性变化及水动力输出的稳定性；所述自反馈稳定系统包括对称设置在船闸室侧壁上的导轨，对称设置在承船厢两侧对应上、下部的，与船闸室侧壁上的导轨相配接的多个导轮，每一个导轮均通过支撑机构固定在承船厢上；所述自反馈稳定系统的每一个导轮通过支撑机构固定在承船厢上，所述支撑机构包括与承船厢相连的底座，铰接在底座上的支架，固定在支架与底座之间的柔性件，设置在柔性件外侧的限位挡件，设置在支架上并沿导轨滚动的导轮；通过上述主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、承船厢自反馈稳定系统联合共同作用，解决水力式升船机承船厢载水倾斜，无法正常升降运行的问题，提高了水力式升船机的总体抗倾覆能力，保障水力式升船机安全、稳定、可靠运行。所述自反馈稳定系统中的支撑机构的支架为两块相对设置的三角板，该三角板的直角处通过铰轴固定在底座内侧的凸块上，水平外端与底座之间设置柔性件，具体为弹簧，直角上端通过轮轴将导轮固定在两块三角板之间，以便导轮沿导轨滚动的过程中，遇到不平整的导轨时，通过柔性件使支架绕铰轴摆动而缓解导轨不平整带来的颠簸，同时通过导轨与导轮的配接，自动提供抗倾覆扭矩，以对承船厢进行主动纠偏，防止承船厢倾斜。所述自反馈稳定系统的导轨沿船闸室两侧内壁分别设置二根，共四根，每一根导轨的左右两侧壁与承船厢上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构，共四个支撑机构相配接，当承船厢受到不平衡荷载而导致承船厢出现倾斜后，通过导轨与导轮的配接，自动提供抗倾覆扭矩，以对承船厢进行主动纠偏，防止承船厢倾斜，并对产生的倾斜进行限位，防止承船厢倾斜量继续增大，使水力式升船机稳定安全可靠运行。所述自反馈稳定系统的导轨的左右两侧壁上对应地设置水平板或直角板，该水平板或直角板的侧板与承船厢上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构，共四个支撑机构相配接，以提高导轨的平整度。所述稳定均衡水力驱动系统的：消能工包括间隔地在竖井底部并沿直管出水端端口周边设置的立杆，设置在立杆上端的水平档板，以便向上冲的水在水平挡板作用下只能向下再经立杆之间的空隙进入竖井中，从而降低出水水流速度，消除水能量，减缓水流冲击力，改善浮筒底部水流条件，避免水流直接冲击浮筒底部而引起浮筒晃动；第一阻力均衡件为直角弯管，且在直角弯管直角处下方设置向下延伸且封闭的管头，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；第二阻力均衡件为上大下小的实心或空心圆锥体，该圆锥体的上端固定在分叉管的水平管壁上，下端向下延伸至分叉管的竖直管中，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；环向强迫通气机构包括：固定在输水主管外部的通气环管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统的设置方法，其特征在于所述主动抗倾覆机械同步系统包括与承船厢两侧的多个部位相连的多根钢绳，多根钢绳的另一端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒以及设置在竖井中浮筒上的滑轮固定在竖井的顶部，多个卷筒之间通过同步轴及联轴器相连；所述主动抗倾覆机械同步系统按下列方法进行设计：主动抗倾覆机械同步系统同时具备承船厢抗倾覆和传递均衡承船厢不均匀荷载双重功能，该系统通过同步轴的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩，并在承船厢倾斜量或同步系统扭矩达到设计值时，通过设置在卷筒上的安全装置锁定卷筒，保障升船机整体安全；设主动抗倾覆机械同步系统中的两排卷筒及联轴器和同步轴，以及伞齿对、联轴器和横向同步轴完全对称、承船厢充分调平、各卷筒、钢丝绳受力和摩擦完全相同，忽略承船厢和钢丝绳刚度影响，则主动抗倾覆机械同步系统刚度、强度按下列方法设置，具体为：一、刚度设置方法所述承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP按下式计算：ΔP=(Δh+Δh0)LcBcρg24+Mb+Mp2Lc---(1)]]>式中：Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起的承船厢倾斜量，单位为m；Δh0为承船厢升降运行卷筒、钢绳等加工安装误差引起的承船厢倾斜量，单位为m；Lc为承船厢长度，单位为m；Bc为承船厢宽度，单位为m；ρ为密度，单位为kg/m3；g为重力加速度，单位为m/s‑2；Mb为承船厢水面波动引起的倾覆力矩，单位为kN·m；Mp为承船厢偏心荷载引起的倾覆力矩，单位为kN·m；因同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起承船厢发生倾斜量Δh后，主动抗倾覆机械同步系统又通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF根据下式计算：ΔF=Δh-θ2R+4MfRΣi=1nLiGIpiR2Σi=1nLiGIpi---(2)]]>式中：ΔF为作用于承船厢的抗倾覆力，单位为kN；Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起的承船厢倾斜量，单位为m；θ2为同步轴之间的总间隙，单位为弧度；R为卷筒半径，单位为m；Mf为单个卷筒摩擦力产生的扭矩，单位为kN·m；G为剪切弹性模量，单位为kPa；Li为第i根同步轴长度，单位为m；Ipi为第i根同步轴截面极惯性矩，其中：Ip=πD432(1-a4)]]>式中：D‑‑同步轴外径；a‑‑空心同步轴，内径/外径；实心同步轴相当于内径为0，即a＝0；因此，在不考虑同步轴强度破坏条件下，得知：(1)ΔF>ΔP,同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起承船厢倾斜Δh时，通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF大于承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢倾斜量Δh将减小；(2)ΔF<ΔP,承船厢倾斜量Δh继续增加，同步轴需要发生更大的扭转变形，产生更大的抵抗力，这样才能保证承船厢平衡；(3)ΔF＝ΔP,承船厢倾斜量Δh等于其作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢稳定，则记β=LcBcρg24,δ=RΣi=1nLiGIpi]]>根据承船厢稳定时的条件即ΔF＝ΔP可知，承船厢稳定时应满足以下条件：Δh=θ2R1-βδR+Δh0βδR1-βδR+δR(Mb+Mp)2Lc(1-βδR)-4δMf1-βδR---(3)]]>由于Δh≥0，定义主动抗倾覆机械同步系统整体刚度公式(4)成立的必要条件是：1>βδR，即主动抗倾覆机械同步系统能维持承船厢稳定的必要条件为：K>LcBcρgR224---(4)]]>承船厢升降运行过程中，承船厢允许发生的最大倾斜量为Δhmax，则主动抗倾覆机械同步系统刚度还应满足：γ1(θ2R+Δh0)+γ2(Mb+Mp)‑γ3Mf≤Δhmax  (5)式中：(1)γ1(θ2R+Δh0)为制造误差产生的倾斜量，即主动抗倾覆机械同步系统间隙、钢绳走线误差等引起的承船厢倾斜量，定义：为制造误差倾斜系数，定义γ1为与承船厢尺度和同步轴刚度相关的系数，结合公式(5)可知γ1∈[1,+∞)，根据系数γ1定义可知γ1为大于或等于1的数值；同步轴刚度越大，γ1值越小，但不会小于1；当同步轴刚度无穷大时γ1＝1，此时制造误差引起的承船厢最大倾斜量为θ2R+Δh0；因此γ1会对制造误差产生的承船厢倾斜量起到放大作用，同步轴的刚度越小，对制造误差产生的承船厢倾斜量放大作用越大；同步轴的刚度越大，...

【技术特征摘要】
1.一种抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统的设置方法，其特
征在于所述主动抗倾覆机械同步系统包括与承船厢两侧的多个部位相连的多根
钢绳，多根钢绳的另一端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒以及设置在竖井中
浮筒上的滑轮固定在竖井的顶部，多个卷筒之间通过同步轴及联轴器相连；
所述主动抗倾覆机械同步系统按下列方法进行设计：
主动抗倾覆机械同步系统同时具备承船厢抗倾覆和传递均衡承船厢不均匀
荷载双重功能，该系统通过同步轴的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩，
并在承船厢倾斜量或同步系统扭矩达到设计值时，通过设置在卷筒上的安全装
置锁定卷筒，保障升船机整体安全；
设主动抗倾覆机械同步系统中的两排卷筒及联轴器和同步轴，以及伞齿对、
联轴器和横向同步轴完全对称、承船厢充分调平、各卷筒、钢丝绳受力和摩擦
完全相同，忽略承船厢和钢丝绳刚度影响，则主动抗倾覆机械同步系统刚度、
强度按下列方法设置，具体为：
一、刚度设置方法
所述承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP按下
式计算：
ΔP=(Δh+Δh0)LcBcρg24+Mb+Mp2Lc---(1)]]>式中：
Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起的承船
厢倾斜量，单位为m；
Δh0为承船厢升降运行卷筒、钢绳等加工安装误差引起的承船厢倾斜量，单

\t位为m；
Lc为承船厢长度，单位为m；
Bc为承船厢宽度，单位为m；
ρ为密度，单位为kg/m3；
g为重力加速度，单位为m/s-2；
Mb为承船厢水面波动引起的倾覆力矩，单位为kN·m；
Mp为承船厢偏心荷载引起的倾覆力矩，单位为kN·m；
因同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起承船厢发
生倾斜量Δh后，主动抗倾覆机械同步系统又通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力
ΔF根据下式计算：
ΔF=Δh-θ2R+4MfRΣi=1nLiGIpiR2Σi=1nLiGIpi---(2)]]>式中：ΔF为作用于承船厢的抗倾覆力，单位为kN；
Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起的承船厢
倾斜量，单位为m；
θ2为同步轴之间的总间隙，单位为弧度；
R为卷筒半径，单位为m；
Mf为单个卷筒摩擦力产生的扭矩，单位为kN·m；
G为剪切弹性模量，单位为kPa；
Li为第i根同步轴长度，单位为m；
Ipi为第i根同步轴截面极惯性矩，其中：
Ip=πD432(1-a4)]]>式中：D--同步轴外径；
a--空心同步轴，内径/外径；实心同步轴相当于内径为0，即a＝0；
因此，在不考虑同步轴强度破坏条件下，得知：
(1)ΔF>ΔP,同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起承船厢
倾斜Δh时，通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF大于承船厢倾斜后作用在主动
抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢倾斜量Δh将减小；
(2)ΔF<ΔP,承船厢倾斜量Δh继续增加，同步轴需要发生更大的扭转变
形，产生更大的抵抗力，这样才能保证承船厢平衡；
(3)ΔF＝ΔP,承船厢倾斜量Δh等于其作用在主动抗倾覆机械同步系统的
最大倾斜荷载ΔP时，承船厢稳定，则记
β=LcBcρg24,δ=RΣi=1nLiGIpi]]>根据承船厢稳定时的条件即ΔF＝ΔP可知，承船厢稳定时应满足以下条件：
Δh=θ2R1-βδR+Δh0βδR1-βδR+δR(Mb+Mp)2Lc(1-βδR)-4&de...

【专利技术属性】
技术研发人员：马洪琪，袁湘华，向泽江，艾永平，钏毅民，南冠群，邹锐，陈兆新，胡晓林，张洪涛，肖海斌，黄群，周科衡，许义群，迟福东，胡亚安，李中华，李云，宣国祥，王新，严秀俊，薛淑，郭超，黄岳，张宗亮，李自冲，马仁超，曹以南，凌云，谢思思，余俊阳，
申请(专利权)人：华能澜沧江水电股份有限公司，中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：云南;53