長洲樞紐船閘閘門防撞裝置的改造方案研究

摘要：為恢復和提高閘門防撞裝置的使用性能，文章提出對長洲樞紐三線四線船閘閘門防撞裝置進行改造，針對性地設(shè)計了一款新型重力消能式船閘閘門防撞裝置，并進行了防撞性能實船試驗，驗證了改造方案的可行性和可靠性。防撞裝置的改造提高了船閘的通航安全性和通航效率，為船閘閘門的防撞裝置設(shè)計及推廣應(yīng)用提供了參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：防撞裝置；裝置設(shè)計；通航安全

中文分類號：U641.3+3A652193

0引言

船閘閘門防撞警戒裝置是安裝于船閘下閘首閘門門前，防止船舶碰撞閘門而設(shè)置的輔助警示保護設(shè)備。船閘閘門是非常重要的通航設(shè)施，如果由于進閘船舶撞擊，使船閘下閘首閘門發(fā)生嚴重損壞，將造成船閘上下游串流，可能引發(fā)巨大的通航事故。故國內(nèi)的一些大型船閘一般設(shè)置有船閘閘門防撞警戒裝置，提醒進閘船舶降低行駛速度，謹慎駕駛。若船舶速度過快，防撞裝置也能起到一定的阻擋和吸收船舶沖擊能量并使船舶減速的作用，在一定程度上保護船閘閘門。

近年來，針對船閘閘門防撞裝置的設(shè)計與應(yīng)用，國內(nèi)外專家學者開展了大量研究。殷猛等［1］提出了一種包含隨動系統(tǒng)的船閘防撞裝置，可利用緩沖器吸收船舶的動能，實現(xiàn)船舶的制動。張杰等［2］針對葛洲壩1號船閘人字門存在被碰撞的風險并結(jié)合現(xiàn)場情況，提出提升式、側(cè)開式和下沉式等多個防撞裝置設(shè)計方案，并討論了各方案實現(xiàn)的優(yōu)缺點和可行性，為船閘閘門防撞安全設(shè)計及應(yīng)用提供參考。張勤超等［3］設(shè)計了一套設(shè)置有吸能組件的防撞裝置，使船舶動能通過緩沖器來吸收，實現(xiàn)對船舶的攔截，為船閘防撞裝置的設(shè)計應(yīng)用提供了依據(jù)。彰翰新等［4］為三峽永久船閘防撞警戒裝置提出的以鋼絲繩為攔阻索的設(shè)計方案，開創(chuàng)了國內(nèi)先河，為閘門防撞裝置設(shè)計提供了的借鑒。高家鏞等［5］針對三峽水利樞紐工程，提出了通過鋼梁及纜索的變形來吸收船舶動能的簡易防撞裝置方案，并探討了船舶對防撞裝置的撞擊載荷計算方法。方曉敏等［6］對設(shè)計了液壓缸消能的防撞裝置，證實了此消能原理的可行性。

綜上所述，上述學者對于船閘防撞裝置的研究已經(jīng)涉及使用需求、原理設(shè)計和結(jié)構(gòu)受力分析等多個方面。由相關(guān)研究成果可見，船閘閘門防撞裝置除應(yīng)具備警戒功能之外，還應(yīng)具備滿足通航需要的防撞能力。

1裝置現(xiàn)狀

長洲三線四線船閘在建設(shè)時期，已設(shè)計有閘門防撞裝置，并在閘室內(nèi)建設(shè)有相配套的導槽以供防撞裝置上下運動。該套防撞裝置是利用鋼絲繩及剛性梁彈塑性拉伸消能，其攔船鋼絲繩與升降機架為鉸接，但未設(shè)置有專門的消能系統(tǒng)。當失速船舶撞向攔船鋼絲繩時，巨大的沖擊力經(jīng)鋼絲繩傳至升降機架，最后經(jīng)軌道埋件傳至閘墻導槽，嚴重情況下可能直接對升降機架和閘墻井槽混凝土產(chǎn)生不可逆的破壞。

查看該裝置的設(shè)計文件，未見寫明裝置所能攔截的最大船舶噸數(shù)或者船舶動能。該防撞警戒裝置以警戒功能為主，防撞功能相對薄弱。碰撞后鋼絲繩會發(fā)生不可逆的塑性變形，維修維護難度很大，只能直接更換。同時由于通航凈空要求，升降機架需在導槽運行以將鋼絲繩沉到水底。實際運行中發(fā)現(xiàn)：水中的淤泥、樹枝、輪胎等雜物可能會附著在鋼絲繩和升降機架上，使升降機架在導槽內(nèi)容易發(fā)生卡阻，導致鋼絲繩未能放到閘室底部，致使船舶無法進出閘，存在較大的安全隱患。

長洲三線四線船閘的防撞裝置因設(shè)備狀態(tài)不佳等原因已停用許久，為恢復防撞裝置的防撞、警戒功能，滿足長洲三線四線船閘的通航安全需要，對長洲三線四線船閘的防撞裝置進行了改造。

2研究路線

為盡可能節(jié)約改造成本，新船閘防撞裝置的設(shè)計和布置是在船閘現(xiàn)有空間條件下，利用現(xiàn)有的防撞裝置導槽，合理設(shè)計和布置消能系統(tǒng)，開展適用于3 000噸級船閘的消能配重以及制動距離的計算設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)有空間條件、運行制約因素和裝置功能要求，從裝置整體功能理論推導計算、各子系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學仿真和強度分析驗證、裝置實船碰撞試驗驗證等方面進行設(shè)計。具體路線如下頁圖1所示。

3設(shè)計方案

船閘原有防撞裝置拆除后，會在船閘左右兩側(cè)閘墻分別留有一道防撞裝置安裝導槽，導槽的結(jié)構(gòu)強度、尺寸參數(shù)等非常適用于改造后的防撞裝置，可作為改造的重要基礎(chǔ)條件使用。裝置子系統(tǒng)設(shè)計主要包含3個方面：攔阻裝置、消能裝置、裝置總體結(jié)構(gòu)。

3.1攔阻裝置的設(shè)計

因長洲三線四線船閘上下游的水位差較小，為滿足通航凈高需要，防撞裝置的鋼絲繩和升降機架長期浸泡在水下，導致升降機架已卡阻在導槽內(nèi)，且升降機架提升鋼絲繩也發(fā)生了比較嚴重的銹蝕，已無法正常使用。為避免發(fā)生升降機架卡阻此類故障，要求改造后的裝置水下部分盡可能簡單。為滿足此項要求，研發(fā)人員將攔阻裝置設(shè)計為鐵鏈形式。需要攔阻船舶時，通過卷揚機構(gòu)收卷，將攔阻鏈提升出水面繃緊，實現(xiàn)攔阻功能；船舶通航時，通過卷揚機構(gòu)放卷，將攔阻鏈下放到水下，保證通航凈高，實現(xiàn)船舶通航功能。

如圖2所示，通過設(shè)置浮筒機架，能實現(xiàn)攔阻鏈提升高度自動隨閘室水位變化設(shè)定，使攔阻鏈在攔阻狀態(tài)時保持在水面以上一定高度。浮筒機架可在導槽內(nèi)隨水位上下浮動，側(cè)滑輪和主軌滑塊與井槽軌道相適應(yīng)，避免發(fā)生卡阻。浮筒機架設(shè)置穿行槽，攔阻鏈可穿過機架下放至閘室底部。

通過在導槽口邊緣安裝圓形護角使鐵鏈與導槽邊緣的接觸半徑增大，減少應(yīng)力集中，增加攔阻鏈使用壽命。通過在攔阻鏈上安裝紅白相間警示管以提高防撞裝置警示功能。

3.2消能裝置的設(shè)計

船舶撞擊防撞裝置攔阻鏈，需要采取措施消除撞擊船舶動能。針對此裝置，研發(fā)人員提出3種消能方案：液壓消能、摩阻消能及重力消能。

利用液壓消能原理，需要設(shè)置液壓系統(tǒng)，存在檢修維護繁瑣等問題，且裝置結(jié)構(gòu)相對復雜，需要較多的空間布置防撞系統(tǒng)，故受限于長洲船閘現(xiàn)場空間，不便于布置此方案。摩阻消能方案在其他船閘中已有使用，但在西江流域的應(yīng)用較少。因缺乏其運行信息及運行數(shù)據(jù)，裝置的運行穩(wěn)定性及發(fā)生船舶撞擊后的可靠性無法確定，暫時也不考慮布置此方案?？紤]到現(xiàn)場的安裝條件及檢修條件，以及各消能方案原理的優(yōu)缺點，決定選擇結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠的重力消能方案作為項目消能裝置的改造方案，并根據(jù)閘室可利用空間計算制動距離來確認消能配重的尺寸及其他附屬機構(gòu)的尺寸和結(jié)構(gòu)。

按照船舶調(diào)度規(guī)程規(guī)定，船舶在閘室內(nèi)移泊速度應(yīng)＜0.6 m/s，由能量守恒定律，動能全部轉(zhuǎn)化為重物勢能。則有：

12ρm1v20=m2gh（1）

以3 000噸級船舶為例，查資料得空船重量與滿載排水量之比約為0.3，則m1=3 900 t。為保證一定的安全余量，取m1=4 500 t，v0=0.6 m/s，ρ=0.8，h=5 m，g=10 m/s，求得m2=12.96 t。則單邊重物m3=0.5m2=6.48 t，取m3=6.5 t。將單邊配重分成兩部分，上一部分為3 t，下一部分為3.5 t。兩部分通過鐵鏈連接。

3.3裝置總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

重力消能式防撞裝置基本原理和結(jié)構(gòu)如圖3～4所示，攔阻鏈與人字門前橫跨閘室，繞過水面浮筒機架以及閘墻頂部的卷揚機構(gòu)，連接到導槽內(nèi)的消能配重。將失控船舶的動能轉(zhuǎn)化為配重的重力勢能來消能，失速船舶在碰撞船閘閘門前實現(xiàn)制動，保護閘門。

以長洲三線四線船閘為例，防撞裝置導槽到閘門距離為18 m，閘室寬度為34 m，船舶撞擊防撞攔截鏈后，設(shè)計制動距離為14 m，可求得攔阻鏈移動距離為5 m，即配重提升設(shè)計高度可達5 m。

通過設(shè)置雙卷筒卷揚機構(gòu)來實現(xiàn)攔阻裝置和消能裝置的結(jié)合。如圖5所示，卷揚機構(gòu)由帶開式齒輪的兩組卷筒反對稱布置，一卷筒收卷攔阻鏈，另一卷筒收卷配重提升鏈，兩卷筒通過中間軸聯(lián)接。為便于收卷，將攔阻鏈和配重提升鏈的卷筒收卷部分轉(zhuǎn)換為同強度的鋼絲繩。

中間軸一端連接電機變速箱輸出的動力源，另一端連接盤式制動器，其兩端通過電磁離合器連接。通過設(shè)置離合器并結(jié)合控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對攔阻裝置與消能裝置的結(jié)合。

通過安裝自動化控制裝置和傳感器，實現(xiàn)整套裝置消能系統(tǒng)和升降系統(tǒng)自動化控制，同時具備狀態(tài)檢測、預警報警等功能，可實現(xiàn)接入船閘集中控制系統(tǒng)。

4攔截試驗

為驗證重力消能式防撞裝置結(jié)構(gòu)原理可行性，在長洲三線四線船閘開展防撞裝置實船碰撞攔截試驗。使用防撞裝置設(shè)計指標的3 000噸級滿載散貨船作為試驗船舶。試驗船分別以0.3 m/s、0.6 m/s的速度撞擊攔阻鏈，船舶被均勻制動，最大制動距離為12.8 m，攔阻鏈橫跨閘室部分被拉長，帶動卷揚機構(gòu)轉(zhuǎn)動，左右消能配重組件被提起約2.5 m，左右浮筒機架被提起約1.3 m。船舶被攔截后，配重下降帶動攔阻鏈收緊，船舶在攔阻鏈反作用力下被推后退，退回至安全警戒線內(nèi)，浮筒機架下降，防撞裝置恢復到試驗初始狀態(tài)。

經(jīng)過試驗船舶多次不同動能的撞擊，船舶均被防撞裝置有效阻攔，試驗現(xiàn)象基本符合設(shè)計要求，初步驗證了攔阻鏈攔截方式的可行性、重力消能系統(tǒng)消能方式的可行性、離合器連接雙卷筒卷揚機結(jié)構(gòu)的可行性。試驗還發(fā)現(xiàn)，消能配重組件及浮筒機架重力做功占比基本保持在船舶動能的60%左右，說明有較大部分的船舶動能消耗在摩擦做功、水體阻力做功及機械運行做功等方面（見圖6）。

該套防撞裝置已投入長洲三線四線船閘日常生產(chǎn)運行，并經(jīng)受住了多次船舶的輕微撞擊，展現(xiàn)了良好的使用性能。

5創(chuàng)新點

新型重力消能式船閘閘門防撞裝置，采用重力做功的消能方式，將船舶動能轉(zhuǎn)化為勢能實現(xiàn)消能，重力消能結(jié)構(gòu)簡單可靠，安全性高。新型重力消能式船閘閘門防撞裝置的最大特點是基于原有裝置的導槽進行設(shè)計，充分利用了現(xiàn)有條件，節(jié)約了成本。經(jīng)過多次計算，最終設(shè)計出重力消能裝置和攔阻裝置這兩套系統(tǒng)在固定空間的合理布局，解決了新型防撞裝置的最大難題，克服了原有防撞裝置升降機架在閘槽內(nèi)易卡阻、運行安全風險高的缺點。該裝置具有碰撞可消能、碰撞后自動恢復免維護、升降可靠、升降卡阻風險低、反恐防暴等特點，極大地降低了設(shè)備的損壞率和減少故障處理的維修時間，保障了船閘運行流暢和通航安全，進而提高了船閘過閘效率。

6結(jié)語

經(jīng)過實船碰撞試驗，驗證了新型重力消能式船閘閘門防撞裝置可有效攔截3 000噸級滿載船舶≤0.6 m/s船速的碰撞，驗證了新型重力消能式船閘閘門防撞裝置設(shè)計的可行性和結(jié)構(gòu)可靠性。防撞裝置在撞擊結(jié)束后可自動恢復到初始狀態(tài)，實現(xiàn)免維護繼續(xù)使用，可進行重復防撞攔阻。新型防撞裝置在原有船閘運行流程和集控程序的基礎(chǔ)上并行添加運行，未額外增加單次船舶過閘時間。攔阻鏈可有效順暢地下放至閘室底部，不影響過閘船舶正常進出閘，保證了通航凈空要求。對閘門防撞裝置的改造，為提高長洲船閘整體過閘效率提供了保障和條件。新型重力消能式船閘閘門防撞裝置的改造方案，可為其他船閘的防撞裝置改造提供參考。

參考文獻：

［1］殷猛，高巖.船閘防撞裝置應(yīng)用分析［J］.科技資訊，2013（23）：40.

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［3］張勤超，周掀，陳明華，等.船閘防撞裝置應(yīng)用淺析［J］.水利水電技術(shù)，2010，41（4）：29-31，35.

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［6］方曉敏，傅妮.清江隔河巖升船機防撞裝置設(shè)計與研究［J］.水利水電快報，2001（22）：23-24.

作者簡介：熊先華（1982—），高級工程師，主要從事船閘技術(shù)、科創(chuàng)和安全管理工作。