三峽升船機(jī)船廂補(bǔ)排水系統(tǒng)對接裝置設(shè)計

湯偉畢，謝啟龍，韓 偉，王 洋

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽升船機(jī)船廂補(bǔ)排水系統(tǒng)布置在上閘首右側(cè)的下游端，位于閘首與塔柱邊墻之間，沿閘墻高度布置。船廂補(bǔ)排水系統(tǒng)對船廂的運行過程中的補(bǔ)水和檢修過程中的排水有重要作用：當(dāng)船廂在升降過程中出現(xiàn)漏水而失去平衡時須用補(bǔ)排水系統(tǒng)對船廂進(jìn)行任意高程的緊急補(bǔ)水操作；當(dāng)對船廂進(jìn)行檢修時須用補(bǔ)排水系統(tǒng)對船廂水進(jìn)行排干操作[1-2]。目前對船廂進(jìn)行補(bǔ)排水操作是人工進(jìn)行的，首先需要根據(jù)船廂所停的高程選擇不同長度的對接軟管；其次須把軟管接頭與補(bǔ)排水系統(tǒng)管接頭進(jìn)行法蘭連接；最后須手動打開相應(yīng)的閥門實現(xiàn)船廂補(bǔ)排水操作。運用補(bǔ)排水系統(tǒng)對船廂進(jìn)行補(bǔ)排水操作時存在以下不足：1)現(xiàn)場操作平臺空間十分狹小，進(jìn)行補(bǔ)排水操作時不方便，該操作屬于懸邊高空作業(yè)，存在安全隱患；2)船廂進(jìn)行補(bǔ)排水操作時須根據(jù)船廂停機(jī)位置的不同選擇不同長度的軟管，而由于船廂位置的局限性，通常在船廂上只放置一種規(guī)格的軟管，遇到船廂失水時不能很好地滿足快速補(bǔ)水要求；3)連接軟管的彎頭和法蘭都比較笨重，須多人同時操作才能進(jìn)行軟管與補(bǔ)排水系統(tǒng)的對接，該操作方式費時費力且對接精度不高、對接效率低下。

因此，有必要設(shè)計一套補(bǔ)排水系統(tǒng)對接裝置，同時研究裝置的安裝布置方案，提出提高三峽升船機(jī)船廂補(bǔ)排水效率的方法。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

針對三峽升船機(jī)現(xiàn)有補(bǔ)排水系統(tǒng)操作存在的不便捷性，設(shè)計一套與船廂補(bǔ)排水系統(tǒng)對接的裝置[3-6]，該裝置主要由3個模塊組成(圖1)：豎直方向行程調(diào)節(jié)模塊、水平方向行程調(diào)節(jié)模塊、角度及行程偏差補(bǔ)償模塊。裝置通過手動操作，實現(xiàn)船廂停在允許范圍內(nèi)補(bǔ)排水裝置與船廂補(bǔ)排水系統(tǒng)的快速準(zhǔn)確地對接。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)

工作原理：首先手動快速搖動位于豎直方向行程調(diào)節(jié)模塊裝置上的手輪實現(xiàn)補(bǔ)排水裝置豎直方向上行程的粗調(diào)，同理手動快速搖動位于水平方向行程調(diào)節(jié)模塊裝置上的手輪實現(xiàn)補(bǔ)排水裝置水平方向上行程的粗調(diào)；其次是手動緩慢交替搖動豎直和水平向行程調(diào)節(jié)模塊裝置上的手輪實現(xiàn)水平和豎直方向上的行程微調(diào)，在微調(diào)過程中，位于角度及行程偏差補(bǔ)償模塊外端法蘭上安裝的定位導(dǎo)向銷會與船廂連接補(bǔ)排水系統(tǒng)管道連接法蘭的孔進(jìn)行裝配，起到定位與導(dǎo)向作用，從而保證兩邊法蘭孔的同軸度；最后用螺栓將兩法蘭進(jìn)行緊固連接。

豎直方向行程調(diào)節(jié)模塊裝置(圖2)為水平絲桿傳動的剪叉結(jié)構(gòu)式升降平臺，升降臺工作時，手工搖動手輪旋轉(zhuǎn)帶動絲桿轉(zhuǎn)動，使剪叉結(jié)構(gòu)的連桿動作，保證升降臺上下平穩(wěn)移動。當(dāng)手輪停止轉(zhuǎn)動時，利用螺紋傳動結(jié)構(gòu)的自鎖性使升降臺鎖定在指定位置。

圖2 裝置平面圖

水平方向行程調(diào)節(jié)模塊裝置(圖2)為絲桿傳動的雙導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)，該裝置由底板組件、絲桿傳動組件、導(dǎo)向組件、支撐板組件、管頭固定座組件、手輪以及軸承、螺栓連接件零部件組成。底板組件由兩底板和兩側(cè)板固定連接而成，底板組件整體與豎直方向行程調(diào)節(jié)模塊裝置的升降臺進(jìn)行連接固定；導(dǎo)桿組件由兩導(dǎo)向桿組成，導(dǎo)向桿對稱裝配在底板組件的兩側(cè)板上，形成兩平行的滑軌；絲桿傳動組件由絲桿和螺母件組成，其中底板組件的兩側(cè)板上中心孔裝配有軸承，絲桿兩端與軸承進(jìn)行配合，保證絲桿可沿其軸向自由轉(zhuǎn)動，手輪安裝在絲桿的一端；支撐板組件由水平板和兩塊縱支撐板組成，其中縱支撐板上裝配有直線軸承和絲桿傳動組件中的螺母件，直線軸承與導(dǎo)向桿進(jìn)行裝配、螺母件與絲桿進(jìn)行裝配；管頭固定座組件有兩組，垂直布置在支撐板組件的水平板上，管頭固定座組件由上固定座和下固定座組成，補(bǔ)排水管頭通過管頭固定座組件固定。

水平方向行程調(diào)節(jié)模塊裝置工作時，須人工搖動手輪，通過手輪的轉(zhuǎn)動帶動絲桿轉(zhuǎn)動，絲桿使螺母件以及支撐板組件、管頭固定座和補(bǔ)排水管頭整體向前或向后移動，同時導(dǎo)向組件起導(dǎo)向作用。裝置停止工作時，由于手輪停止轉(zhuǎn)動，利用螺紋傳動結(jié)構(gòu)的自鎖性使其鎖定在指定位置。

角度及行程偏差補(bǔ)償模塊裝置由避震接頭和定位銷組成，其功能是實現(xiàn)補(bǔ)排水裝置與船廂補(bǔ)排水系統(tǒng)對接時角度和行程偏差在允許范圍內(nèi)的補(bǔ)償，并實現(xiàn)裝置對接時的導(dǎo)向與定位。

2 裝置的受力分析

裝置的設(shè)計須考慮動水對裝置的作用力[7-9]。由于管接頭處有90°的拐彎，則進(jìn)行船廂補(bǔ)排水時管道最大動水壓強(qiáng)對管壁的反作用力為：

(1)

式中：F為彎管總受力；p1、ω1和v1分別為彎頭進(jìn)水口處的壓強(qiáng)、端面面積和平均流速；p2、ω2和v2分別為彎頭出水口處的壓強(qiáng)、端面面積和平均流速；Q為管道平均流量；Rx和Ry分別為彎管所受反作用力R沿x和y方向的分力；α為R與水平x方向之間的夾角；β1和β2為動量修正系數(shù)；ρ為水密度。

在對接裝置進(jìn)行補(bǔ)排水過程中，須考慮裝置承受的水錘作用力，根據(jù)水流的運動方程和連續(xù)方程為：

(2)

式中：H為水頭壓力；v為管道中的流速；a為水錘播傳播速度；g為重力加速度；

根據(jù)式(2)求解得出裝置所受的直接水錘力(式(3))和間接水錘力(式(4))。

(3)

(4)

式中：H0和v0為初始水頭和流速；ρ為水的密度；τn為閥門的相對開度；τ0為閥門的初始相對開度；ξi為第i相位末承受的水錘力。

根據(jù)式(1)～(4)得出裝置的受力情況，指導(dǎo)裝置設(shè)計與校核。

3 裝置的安裝布局

裝置安裝在船廂上廂頭右側(cè)，有兩種布置方案，均與船廂補(bǔ)排水系統(tǒng)對應(yīng)(圖3)，保證補(bǔ)排水系統(tǒng)管道軸線與裝置對接管頭軸線在同一平面上，補(bǔ)排水系統(tǒng)中電控閥3為總進(jìn)水閥，閥1為總排水閥，有若干個閥4均布在閥1和閥3之間。方案1中裝置安裝在船廂零層甲板處的突出平臺上，方案2中裝置安裝在船廂側(cè)壁上，裝置底部有加強(qiáng)筋板支撐。

圖3 裝置的安裝布局

方案1中(圖4)管接頭處與水泵之間連接有軟管，保證裝置豎直方向調(diào)整位移時軟管可適應(yīng)位移變化。水泵與閥2之間布置金屬管。

圖4 方案1布置(單位：mm)

方案2中(圖5)管接頭處與閥2之間連接有軟管，保證裝置豎直方向調(diào)整位移時軟管可適應(yīng)位移變化。

方案1中人員操作只須在零層甲板上進(jìn)行，安全可靠；而方案2中人員操作須進(jìn)入船廂側(cè)壁平臺上，操作相對困難。方案2管道結(jié)構(gòu)布局較方案1簡單。

圖5 方案2布置(單位：mm)

4 補(bǔ)排水工藝流程

兩種裝置布置方案進(jìn)行補(bǔ)排水操作時對接裝置操作已完成，對應(yīng)的補(bǔ)排水工藝流程有所區(qū)別。

4.1 方案1補(bǔ)水工藝

1)電控閥1、2、3和4均處于關(guān)閉狀態(tài)。

2)裝置與電控閥4法蘭完成對接。

3)依次開啟電控閥3、2、4，實現(xiàn)船廂補(bǔ)水。

4)需要停止船廂補(bǔ)水時，依次關(guān)閉電控閥3、4、2，開啟電控閥1。

4.2 方案1排水工藝

1)電控閥1、2、3和4均處于關(guān)閉狀態(tài)。

2)裝置與電控閥4法蘭完成對接。

3)依次開啟電控閥1、4、2，開啟水泵，實現(xiàn)船廂排水。

4)需要停止船廂排水時，依次關(guān)閉水泵、電控閥2、4、1。

4.3 方案2補(bǔ)水工藝

1)電控閥1、2、3和4均處于關(guān)閉狀態(tài)。

2)裝置與電控閥4法蘭完成對接。

3)開啟電控閥3，待補(bǔ)排水系統(tǒng)管道水充滿后，依次開啟電控閥4、2。

4)需要停止船廂補(bǔ)水時，依次關(guān)閉電控閥2、4、3，最后開啟電控閥1，待補(bǔ)排水系統(tǒng)管道水泄完后關(guān)閉電控閥1。

4.4 方案2排水工藝

1)電控閥1,2、3和4均處于關(guān)閉狀態(tài)。

2)裝置與電控閥4法蘭完成對接。

3)依次開啟電控閥1、4和2，實現(xiàn)船廂排水。

4)需要停止船廂排水時，依次關(guān)閉電控閥2、4，待補(bǔ)排水系統(tǒng)管道水泄完后關(guān)閉電控閥1。

5 結(jié)語

1)針對現(xiàn)有補(bǔ)排水系統(tǒng)存在的不足完成了船廂補(bǔ)排水系統(tǒng)對接裝置設(shè)計，并對裝置的受力進(jìn)行分析。

2)提出了兩種補(bǔ)排水裝置的安裝布置方案，并分析對比其優(yōu)缺點。

3)針對兩種安裝布置方案分別提出了對應(yīng)的補(bǔ)排水工藝優(yōu)化流程。