水力式升船机导向系统抗倾斜理论分析

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2019水力式升船机导向系统抗倾斜理论分析12李庚，许跃（1.华能澜沧江水电股份有限公司景洪水电厂，云南省景洪市666100；2.华能澜沧江水电股份有限公司景洪水电厂，云南省景洪市666100）AnalysisontheAnti-TiltTheoryoftheOrientationSystemofHydraulichoist12LiGengXuYue(1.HuanengLancangjiangHydropowerCo.,Ltd.JinghongPowerPlantJinghongCity,YunnanProvince6661002.HuanengLancangjiangHydropowerCo.,Ltd.JinghongPowerPlantJinghongCity,YunnanProvince666100)摘要：水力式升船机在运行过程中船厢由于扰动一旦出现微小的倾斜，船厢中的水体将会对船厢产生一个倾覆力矩，从而加剧船厢的倾斜，船厢的继续倾斜又使该倾覆力矩继续增大。因此需要升船机系统能够承受一定的荷载来抵抗船厢的继续倾斜，保持升船机系统的稳定平衡。考虑景洪水力式升船机的设计条件等参数，在不使用数学模型研究成果和物理模型研究成果的基础上，采用力学解析的方法，通过对升船机导向系统单独作用理论开展水力式升船机抗倾斜理论研究工作，建立水力式升船机抗倾斜理论分析体系。关键词：水力式升船机；抗倾斜；导向系统；倾覆力矩Absrtact:Duringtheoperationofthehydraulichoist,duetotheslighttiltofthehull,thewaterbodyinthehullwillproduceatippingmomentonthehull,whichwillexacerbatethetiltofthehull,andthecontinuedtiltofthehullwillmakethetiltforcemomentcontinue.Increase.Therefore,itisnecessaryforthehoistsystemtowithstandcertainloadstoresistthecontinuoustiltofthehullandmaintainthestabilityandbalanceofthehoistsystem.TakingintoaccountthedesignconditionsandotherparametersoftheHongshuilishiplift,onthebasisoftheresultsofmathematicalmodelresearchandphysicalmodelresearch,themethodofmechanicalanalysiswasadopted,andthehydraulichoistingmachineanti-tilttheorywascarriedoutthroughthetheoryoftheseparateactionoftheshipliftguidancesystem.Researchwork,Atheoreticalanalysissystemfortheanti-tiltofhydraulichoistisestablished.Keywords:Hydraulichoistingmachine;Anti-tilt;Orientationsystem;Overturningmoment方案的可靠性与可行性，有必要开展水力式升船0引言机抗倾斜理论的分析与研究，同时将水力式升船2011年4月景洪水力式升船机完成无水调试机抗倾斜研究提升到一个新的理论高度。后，景洪水力式升船机进入有水调试阶段，在承船厢有水调试过程中出现了承船厢倾斜和同步轴1导向系统力学模型及参数取值扭转力矩增大等情况。针对景洪水力式升船机的主要是根据导向系统的力学模型，即导向系抗倾斜问题，昆明院提出了消除同步系统传动间统连同浮筒及钢丝绳共同提供抗倾弯矩，以抵抗隙、加强同步系统刚度、恢复船厢导向系统的综水体产生的倾覆弯矩，根据理论公式推求抗倾弯合处理方案，并委托北京水科院通过数学模型的矩、倾覆弯矩承船厢倾斜的角度的关系，并求出方法进行了大量的研究和论证，同时委托南京水承船厢达到稳定时的倾斜角度。再在理论公式的利科学研究院，开展了1:10整体模型研究。但无基础上，改变导向系统主要的力学参数（导轮与论是针对数学模型研究或者理模型研究，其均没导轨间隙、限位块间隙、预荷载及弹簧刚度），寻有对水力式升船机抗倾斜理论进行系统的分析和求这4个参数与承船厢稳定时所倾斜角度的关研究。为了进一步完善、丰富水力式升船机抗倾系。斜研究的成果，以进一步提高升船机抗倾斜处理1.1导向系统力学模型

12019导向系统包括导向装置和导轨，导向装置与船厢连接，导轨安装在塔柱结构上。总体布置图见图1。在船箱的四个角上各布置一组导向装置，每一组又有两个上导向和两个下导向组成，对称分布在导轨两侧，导向装置具体布置图见图2。导向装置具有纵向导向和横向导向功能，由于船箱不能工作的主要原因是发生纵向倾斜而不是横向倾斜，故这里只研究纵向导向装置的工作规律及工作状态，而忽略横向导向装置。图3上导向系统有限元模型图4下导向系统有限元模型图1导向系统总体布置图由有限元计算得到的导向系统支架的刚度见表1。表1上、下导向装置刚度求得导向装置的刚度后，已知轮压和弹簧压缩长度后就可以求得支架的变形量。2导向系统抗倾原理分析及计算2.1导向系统倾斜过程导向系统对船厢的倾斜产生抵抗作用而对船厢形成一个抗倾覆力矩，船厢的倾覆角度越大，图2导向装置具体布置图导向装置产生的抗倾覆力矩也越大。导向系统单1.2实际参数取值独作用时，导向装置产生的抗倾覆力矩与船厢中导向系统滚轮与导轨之间的距离为5mm，限水体所产生的倾覆力矩相等时，则承船厢达到稳位弹簧预荷载为58.86kN，弹簧刚度为定平衡状态。根据导向系统的设计方案，在船厢58860kN/m，由于导向系统支架的实际刚度不易倾斜过程中，导向系统所产生的抗倾覆力矩需经计算，故采用有限元方法得到，图3和图4分别历以下几个阶段：为上导向系统有限元模型和下导向系统有限元模阶段1：导轮与导轨之间的间隙消除过程：型。船厢从水平状态开始倾斜，当其倾斜到一定角度时，导轮与导轨之间的间隙消除，在此间隙消除之前，导向系统不提供任何抗倾覆力矩。阶段2：限位弹簧预载荷消除过程：当导轮

22019与导轨之间的间隙消除后，导向系统对船厢产生预载荷消除后，随着船厢的继续倾斜，限位弹簧抗倾覆力矩。导轮与导轨之间的间隙刚刚消除时，开始产生变形，此时，导向系统的抗倾覆刚度为由于限位弹簧存在预载荷，限位弹簧不会发生变导向装置的支座结构与限位弹簧共同提供，但是形，直到限位弹簧的预载荷被完全消除。在限位由于限位弹簧的刚度远远低于导向装置支座结构弹簧预载荷消除之前，导向装置提供的抗倾覆力的刚度，因此，在此阶段导向系统提供的抗倾覆矩主要由导向装置的支架结构提供。刚度主要由限位弹簧的刚度决定。此过程是导向阶段3：限位弹簧抗倾覆过程：当限位弹簧装置抗倾斜的主要阶段，抗倾斜状态如图5。图5抗倾覆示意图阶段4：导向装置限位块作用阶段：若承船最后在合成一个总的系统。厢进一步倾斜时，导向装置的支座结构与限位块可以看出导向系统的安全系数较大，对承船厢抗接触，此时限位弹簧不会继续发生变形，而导向倾覆起到的作用还是比较明显的。接下来对影响装置提供的抗倾覆刚度又主要由导向装置的支座承船厢稳定角度产生影响的四个主要因素进行单结构决定。通过以上分析可知，升船机在运行过独分析，试图解释其内在规律。程中，影响导向系统作用有四个参数：①导轮与2.2.2导轮与导轨间隙的影响导轨之间的间隙、②导向装置支座结构与限位块导轨与导轮间隙的影响主要体现在阶段1，之间的间隙（简称限位间隙）、③限位弹簧刚度、直接影响承船厢在阶段1中的刚体转动。根据控④限位弹簧预载荷。下面对这四个参数进行分析。制变量法，只改变导轮与导轨间隙，而其余各参2.2导向系统抗倾原理分析数均不变，参数见表2，推求平衡角度与导轨、2.2.1导轮装置的理论推导导轮间隙的关系。理论推导的几个假定：表2改变导轨与导轮间隙的参数值（1）整个升船机绕四个导轮交叉连线的交点旋转。（2）导轨在上述四个过程中均不发生变形。（3）阶段2中支架的变形等效成绕导向装置转轴的旋转压缩变形。（4）除阶段2支架变形及弹簧压缩变形外，导向装置其余部分均是刚体位移。根据上表可得导轨、导轮间隙与平衡角度的（5）每个阶段承船厢转动的角度与导向系统提供关系，具体数值见表3。的抗倾力矩近似为线性关系。由于承船厢对称，故只取一半进行计算，即只有8个导向系统，而当承船厢倾斜时，只有两将上表绘作图6：两对角的4个导向系统会工作，而另外4个不工作，因此主要研究4个导向装置。计算方法采用先分后总，即先分别计算这4个工作的导向系统，

32019由上图可以看出限位块间隙对平衡时的角度几乎没有影响，这是因为导向系统在弹簧开始压缩但又没有完全压缩完的时候就已经达到了平衡状态，而与弹簧可以最终压缩多长无关。2.2.4预荷载的影响预荷载主要影响阶段2中支架的变形，预荷载越大，支架的变形也就越大，相应的支架的转图6导轨、导轮间隙与稳定时倾斜角度的关系角也就越大。由力矩平衡可得轮压F，预荷载改变也即轮压改变，而支架刚度不变，则可以求得由上图可以看出二者几乎成线性关系，即导支架的变形，进而可求得由支架变形产生的转角轮与导轨之间的间距越大，承船厢达到稳定状态α1，因此只改变预荷载，而其余因素不变，具体的角度也越大，这是因为导轮与导轨之间的间距参数见表6。越大，承船厢在阶段1中刚性转动的角度也就越大，达到稳定时倾斜的角度也就越大。因此既不表6改变预荷载的参数值想出现卡阻，也不想出现转角过大，应对导轮与导轨的间隙进行合理取值。2.2.3限位块间隙的影响限位块间隙主要反映在阶段3中，限位块间隙直接反映在弹簧的可压缩量上，间隙越大，弹簧的可压缩量也就越大，因此只改变弹簧可压缩长度，而其余因素不变，具体参数见表4。根据上表得预荷载与平衡角度的关系，具体表4改变限位块间隙的参数值数值见表7。表7预荷载取值与稳定时倾斜角度的关系将上表绘作图8：根据上表可得限位块间隙与平衡角度的关系，具体数值见表5。表5限位间隙取值与稳定时倾斜角度的关系将上表绘作图7：图8弹簧预荷载与稳定时倾斜角度的关系由上图可以看出预荷载越大，承船厢达到稳定时所倾斜的角度越小，这是因为较大的预荷载可以使支架产生更大的变形，从而使支架提供更多的抗倾覆弯矩，因此稳定时的角度会随预荷载的增大而减小。2.2.5弹簧刚度的影响弹簧刚度直接反映在阶段3中，弹簧刚度越大，导向系统所能提供的弯矩也就越大，因此只图7限位间隙与稳定时倾斜角度的关系改变弹簧刚度，而其余因素不变，具体参数见表

420198。②导向装置支座结构与限位块之间的间隙、③限表8改变导轨与导轮间隙的参数值位弹簧刚度、④限位弹簧预载荷分别单独改变，寻求承船厢稳定时倾斜的角度与这些参数之间直观的具体关系：（1）导轮与导轨之间的间距越大，承船厢到达稳定状态所倾斜的角度越大。这是因为导轮与导轨之间的间距越大，承船厢在阶段1中刚性转动的角度也就越大，达到稳定时倾斜的角度也就越大。根据上表可得弹簧刚度与平衡角度的关系，（2）限位块间隙取值发生变化，但承船厢达到稳具体数值见表9。定状态所倾斜的角度不发生改变，即限位块间隙表9弹簧刚度取值与稳定时倾斜角度的关系不影响承船厢达到稳定状态所倾斜的角度。这是因为导向系统在弹簧开始压缩但又没有完全压缩完的时候就已经达到了平衡状态，而与弹簧可以最终压缩多长无关。将上表绘作图9：（3）预荷载越大，承船厢达到稳定状态所倾斜的角度越小，这是因为较大的预荷载可以使支架产生更大的变形，从而使支架提供更多的抗倾覆弯矩。（4）弹簧刚度越大，承船厢达到稳定状态所倾斜的角度越小。这是因为当进入弹簧工作阶段，即阶段2时，承船厢倾斜同样的角度，弹簧压缩同样长度时，弹簧刚度越大，导向系统所能提供的图9弹簧刚度与稳定时倾斜角度关系抗倾弯矩也就越大，承船厢倾斜的角度也就越小。由上图可以看出弹簧刚度越大，承船厢稳定（5）从数据中可以看出，这4个主要因素中，影时的倾斜角度越小，这是因为当进入弹簧工作阶响承船厢稳定状态所倾斜的角度最主要的因素是段，即阶段2时，承船厢倾斜同样的角度，弹簧导轮与导轨的间隙，因此既不想出现卡阻，也不压缩同样长度时，弹簧刚度越大，导向系统所能想出现转角过大时，必须对导轮与导轨的间隙进提供的抗倾弯矩也就越大，承船厢倾斜的角度也行严格、合理的取值。就越小。参考文献3结论[1]王晋媛，石端伟《水利电力机械》三峡升船机承船厢的有限首先推导了导向系统与浮筒共同作用的情况元分析，2000下，承船厢到达稳定平衡状态时倾斜的角度与各[2]孙精石，周华兴，赵德志《水道港口》关于升船机的调查研究，2001参数之间的关系。在具体分析导向系统受力状态[3]《云南澜沧江景洪水电站水力式升船机试运行启动设计报告时又划分为四个阶段，即：不工作阶段、仅支架（机电及金结）》，云南·昆明：中国电建集团公司、昆明勘测设计研究院有限公司，2015工作阶段、弹簧工作阶段、仅支架工作阶段，分[4]河海大学·《景洪水力式升船机抗倾斜理论研究分析报告》，别讨论了每个导向系统在这四个阶段中所能提供2016的抗倾弯矩与承船厢倾斜角度的关系，之后合成[5]景洪水电厂·《升船机运行规程》，2017为一个总的导向系统，并采用作图法与浮筒提供作者简介：的抗倾弯矩和水体产生的倾覆弯矩相交找到承船李庚（1993.09），男，助理工程师，华能澜沧江水电股份有限公司景厢稳定平衡时的角度，并计算其安全系数，得出洪水电厂从事水电厂运行维护工作，运维三班运维C岗，E-mail：1076335438@qq.com电话：18183775177导向系统可以提供较大的抗倾覆力矩。在得到稳许跃（1983.01），男，工程师，华能澜沧江水电股份有限公司景洪水定时的倾斜角度与各个参数之间的理论关系后，电厂从事水电厂运行维护工作，运维三班副班长，E-mail：对主要的4个参数，即①导轮与导轨之间的间隙、253182187@qq.com电话：18183776068