升船机钢丝绳-缓冲油缸防撞吸能装置的动力学计算方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种升船机钢丝绳

【技术实现步骤摘要】
升船机钢丝绳
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缓冲油缸防撞吸能装置的动力学计算方法


[0001]本专利技术涉及升船机防撞
，具体是一种升船机钢丝绳
‑
缓冲油缸防撞吸能装置的动力学计算方法。

技术介绍

[0002]垂直升船机作为一种通航设施，由于其船舶过坝时间且较短且适合高坝通航，在水利枢纽得到日益广泛的应用。为了确保升船机的安全，在《升船机设计规范》（GB50017）中规定，需在船厢两端船厢门内侧设置船厢门防撞装置，以阻挡失速船舶，避免船舶撞击船厢门。目前在大中型垂直升船机中，主要采用塑性防撞梁拦阻吸能和钢丝绳
‑
缓冲油缸拦阻吸能两种结构形式，后者由于可以避免机构自身构件损伤，一般无需在发生船舶失速撞击事故后停航检修。
[0003]钢丝绳
‑
缓冲油缸拦阻吸能装置安装在船厢门内侧，一般由钢丝绳组件、带人行过道的钢桁架、钢桁架锁定装置、钢桁架启闭装置、缓冲油缸装置、导向滑轮、制动装置、限载与导向装置、闩锁装置、闩锁装置导向架等设备组成。正常工作时，张紧的钢丝绳横越船厢，一端由锁闩固定在船厢的一侧，另一端经过导向滑轮后与缓冲油缸的活塞杆相连。钢丝绳在拦阻状态下通过缓冲油缸有杆腔初始压力张紧，从而横跨船厢整个水域宽度并位于船厢正常水面以上。钢丝绳受到船只撞击后，缓冲油缸的压力升高，当压力达到液压控制系统溢流阀的设定压力后，溢流阀开启溢流，使缓冲油缸有杆腔压力保持在设定值，通过缓冲油缸做功吸收失速船舶撞击拦阻钢丝绳的动能。由于溢流阀的采用，钢丝绳的最大张力在溢流阀溢流后基本上保持恒定，其强度容易得到控制；而船舶缓冲行程和缓冲油缸缓冲行程是钢丝绳
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缓冲油缸拦阻吸能装置设计重点关注的问题。如果实际船舶缓冲行程过大，则有可能导致船舶直接撞击船厢门，导致船厢漏水失衡事故；如果实际缓冲油缸行程大于最大设计行程，则会发生缓冲吸能失效、机械设备和船厢结构均会承受巨大的冲击载荷。船舶撞击钢丝绳
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缓冲油缸拦阻吸能装置是一个较为复杂的动力学过程，目前还未有研究涉及建立一个钢丝绳
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缓冲油缸拦阻吸能装置的非线性动力学模型，从而提供一种对升船机钢丝绳
‑
缓冲油缸拦阻吸能装置关键性能参数进行分析的数值计算方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为升船机钢丝绳
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缓冲油缸式失速船舶拦阻系统的安全性能提供一种评估技术，即通过对船舶撞击钢丝绳
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缓冲油缸式失速船舶拦阻系统过程进行动力学建模，计算失速船舶在钢丝绳拦阻状态下的行进距离（即船舶缓冲距离）以及钢丝绳
‑
缓冲油缸活塞行进距离（油缸缓冲距离）等参数，验证在总体布置设计过程中确定的船厢门与钢丝绳的净距是否充分满足失速船舶碰撞钢丝绳过程的缓冲吸能、避免船舶撞击船厢门的安全要求，并准确评估缓冲油缸缓冲行程的安全余量。
[0005]一种升船机钢丝绳
‑
缓冲油缸防撞吸能装置的动力学计算方法，包括如下步骤：步骤一、建立钢丝绳
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缓冲油缸式失速船舶拦阻吸能装置的动力学模型，所述动力
学模型将船舶撞击钢丝绳及缓冲油缸吸能过程分为溢流阀动作前的钢丝绳拦阻阶段和溢流阀动作后缓冲油缸吸能阶段，所述动力学模型包括钢丝绳拦阻阶段动力学微分方程和缓冲油缸吸能阶段动力学常微分方程；步骤二、求解所述动力学模型，得出至船舶速度为零时船舶缓冲距离值和缓冲油缸缓冲行程值。
[0006]进一步的，所述钢丝绳拦阻阶段为船舶开始接触并撞击钢丝绳时刻至缓冲油缸开始溢流时刻，钢丝绳
‑
缓冲油缸式拦阻吸能装置模拟为两端固定的弹性钢丝绳，在中点与船舶接触，当钢丝绳张力达到溢流阀设定溢流压力所对应的值时，钢丝绳拦阻阶段结束；所述缓冲油缸吸能阶段为溢流阀开始溢流时刻至船舶速度为零时刻，该过程的特点是钢丝绳张力不变，但随着缓冲油缸活塞的移动，钢丝绳一端固定一端移动，通过缓冲油缸做功消耗动能直至船速为零。
[0007]进一步的，所述钢丝绳拦阻阶段动力学微分方程为：；初始条件为： ；式（1）~式（4）中，w1(t)和v1(t)分别为船舶开始撞击钢丝绳之后t时刻船舶的行进距离和速度；和分别为船舶开始撞击钢丝绳之后t时刻船舶的行进速度和加速度；p0为使钢丝绳保持初始张紧状态的缓冲油缸有杆腔油压力；A
c
为缓冲油缸有杆腔的截面积；E
r
和A
r
分别为钢丝绳的弹性模量和金属截面积，l为钢丝绳计算长度，取值为船厢水域最大宽度；β为船艏倾角，即船艏曲面与水平面的最小夹角；M为船舶撞击总质量;α为计算船厢水体对于船舶的阻力时的系数；w1(0)和v1(0)分别为船舶碰撞钢丝绳初始时刻船舶缓冲行程和速度；v0为船舶碰撞初始速度。
[0008]当钢丝绳张力达到溢流阀设定溢流压力p
e
所对应的张力S
e
=p
e
A
c
时，钢丝绳拦阻阶段结束，对应的船舶缓冲距离为：；采用商用数学计算软件对式（1）~式（4）进行数值求解，当钢丝绳拦阻阶段中船舶缓冲行程达到w1(t1)时，计算终止，确定钢丝绳拦阻阶段的持续时间t1以及船舶缓冲行进速度值v1(t1)。
[0009]进一步的，所述缓冲油缸吸能阶段动力学常微分方程为：；
；初始条件为：；；缓冲油缸的缓冲行程为：；缓冲油缸吸能阶段结束的条件为：；式（6）~式（11）中，v2为吸能阶段船舶缓冲速度； w2为吸能阶段船舶缓冲行程；为吸能阶段船舶缓冲加速度；为w2对时间的的一阶导数，表示船舶缓冲速度；w2(0)和w1(t1)为吸能阶段初始时刻船舶缓冲行程或钢丝绳拦阻阶段终了时刻t1的船舶缓冲行程；v2(0)和v1(t1)为钢丝绳拦阻阶段终了时刻t1的船舶行进速度值；w2(t)为吸能阶段t时刻船舶缓冲行程。
[0010]采用商用数学计算软件对式（6）~式（10）进行数值求解，当缓冲油缸吸能阶段中船舶缓冲速度达为零时，计算终止，确定缓冲油缸吸能阶段的持续时间t2、最终船舶缓冲行程值w2(t2)和最终缓冲油缸缓冲行程值s(t2）。
[0011]进一步的，船舶撞击总质量M的计算公式为：；式中，m
s
为船舶自身质量与装载质量之和，在数值上等于船舶排水量，λ为附连水系数，取值0.1~0.5，根据试验、有限元计算或参考资料确定；在无上述资料且利用动力学模型进行设计校核时，取附连水系数为λ=0.5；进一步的，计算船厢水体对于船舶的阻力时的系数α的计算公式如下：；式中，ρ为水体的密度; A
cs
为船舶的水下部分垂直于流动面上的投影面积；h
w
和l
w
分别为船舶吃水深度和浸水宽度。
[0012]进一步的，步骤二具体包括：步骤2.1：计算钢丝绳拦阻阶段终了时刻t1的船舶缓冲距离w1(t1)；步骤2.2：根据钢丝绳拦阻阶段初始条件以及钢丝绳拦阻阶段动力学微分方程，计算钢丝绳拦阻阶段的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种升船机钢丝绳
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缓冲油缸防撞吸能装置的动力学计算方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、建立钢丝绳
‑
缓冲油缸式失速船舶拦阻吸能装置的动力学模型，所述动力学模型将船舶撞击钢丝绳及缓冲油缸吸能过程分为溢流阀动作前的钢丝绳拦阻阶段和溢流阀动作后缓冲油缸吸能阶段，所述动力学模型包括钢丝绳拦阻阶段动力学微分方程和缓冲油缸吸能阶段动力学常微分方程；步骤二、求解所述动力学模型，得出至船舶速度为零时船舶缓冲距离值和缓冲油缸缓冲行程值。2.根据权利要求1所述的升船机钢丝绳
‑
缓冲油缸防撞吸能装置的动力学计算方法，其特征在于：所述钢丝绳拦阻阶段为船舶开始接触并撞击钢丝绳时刻至缓冲油缸开始溢流时刻，钢丝绳
‑
缓冲油缸式拦阻吸能装置模拟为两端固定的弹性钢丝绳，在中点与船舶接触，当钢丝绳张力达到溢流阀设定溢流压力所对应的值时，钢丝绳拦阻阶段结束；所述缓冲油缸吸能阶段为溢流阀开始溢流时刻至船舶速度为零时刻，该过程的特点是钢丝绳张力不变，但随着缓冲油缸活塞的移动，钢丝绳一端固定一端移动，通过缓冲油缸做功消耗动能直至船速为零。3.根据权利要求1所述的升船机钢丝绳
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缓冲油缸防撞吸能装置的动力学计算方法，其特征在于：所述钢丝绳拦阻阶段动力学微分方程为：；初始条件为：；式（1）~式（4）中，w1(t)和v1(t)分别为船舶开始撞击钢丝绳之后t时刻船舶的行进距离和速度；和分别为船舶开始撞击钢丝绳之后t时刻船舶的行进速度和加速度；p0为使钢丝绳保持初始张紧状态的缓冲油缸有杆腔油压力；A
c
为缓冲油缸有杆腔的截面积；E
r
和A
r
分别为钢丝绳的弹性模量和金属截面积，l为钢丝绳计算长度，取值为船厢水域最大宽度；β为船艏倾角，即船艏曲面与水平面的最小夹角；M为船舶撞击总质量;α为计算船厢水体对于船舶的阻力时的系数；w1(0)和v1(0)分别为船舶碰撞钢丝绳初始时刻船舶缓冲行程和速度；v0为船舶碰撞初始速度；当钢丝绳张力达到溢流阀设定溢流压力p
e
所对应的张力S
e
=p
e
A
c
时，钢丝绳拦阻阶段结束，对应的船舶缓冲距离为：；采用商用数学计算软件对式（1）~式（4）进行数值求解，当钢丝绳拦阻阶段中船舶缓冲
行程达到w1(t1)时，计算终止，确定钢丝绳拦阻阶段的持续时间t1以及船舶缓冲行进速度值v1(t1)。4.根据权利要求3所述的升船机钢丝绳
‑
缓冲油缸防撞吸能装置的动力学计算方法，其特征在于：所述缓冲油缸吸能阶段动力学常微分方程为：；；初始条件为：；；缓冲油缸的缓冲行程为：；缓冲油缸吸能阶段结束的条件为：；式（6）~式（11）中，v2为吸能阶段船舶缓冲速度；w2为吸能阶段船舶缓冲行程；为吸能阶段船...

【专利技术属性】
技术研发人员：王可，方杨，廖乐康，王蒂，金辽，胡吉祥，吴迪，于庆奎，单毅，余友安，
申请(专利权)人：长江勘测规划设计研究有限责任公司，
类型：发明
国别省市：