向家壩升船機(jī)船廂防撞裝置介紹及其桁架改造分析

王海軍 陳偉

摘 要：船廂防撞裝置是升船機(jī)的重要安全設(shè)備，能有效防止船舶進(jìn)出船廂時(shí)失速撞擊船廂門事故的發(fā)生。本文對(duì)向家壩升船機(jī)船廂防撞裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及動(dòng)作流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，對(duì)防撞裝置桁架進(jìn)行了帶人行通道的改造設(shè)計(jì)，通過有限元技術(shù)分析了改造部分桁架在帶鋼絲繩剛提升和人員通行兩種狀態(tài)下的受力和變形情況，結(jié)果表明，其強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求。新桁架經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用，功能正常，證明了該改造設(shè)計(jì)方法的可行性。

關(guān)鍵詞：向家壩升船機(jī);船廂防撞裝置;桁架改造;有限元分析

中圖分類號(hào)：U642? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）09-0070-03

向家壩升船機(jī)是向家壩電站唯一通航設(shè)施，采用全平衡齒輪齒條爬升螺母柱保安式一級(jí)垂直升降方式，由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道組成，全長(zhǎng)約1530米，按Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。升船機(jī)最大提升高度114.2米，船廂總重約8150噸，船廂有效水域116.0m×12.0m×3.0m（長(zhǎng)×寬×水深）[1-3]。

船廂防撞裝置是升船機(jī)船廂的重要設(shè)備，船舶進(jìn)出船廂時(shí)存在失速撞擊船廂門的風(fēng)險(xiǎn)，船廂防撞裝置能有效避免這一風(fēng)險(xiǎn)，防止嚴(yán)重事故的發(fā)生。

1 船廂防撞裝置介紹

1.1? 船廂防撞裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

向家壩升船機(jī)船廂防撞裝置共2套，呈反對(duì)稱形式布置在船廂上下游船廂門內(nèi)側(cè)，采用“鋼絲繩+緩沖油缸”的防撞方式，由鋼絲繩及組件、緩沖油缸、桁架、桁架啟閉及鎖定裝置、鎖閂裝置及導(dǎo)向架、限載導(dǎo)向裝置、制動(dòng)裝置等組成[4]，如圖1所示。

鋼絲繩用于攔截失速船舶，其一端與鎖閂裝置鎖定塊固定，另一端經(jīng)過導(dǎo)向滑輪從制動(dòng)裝置中間圓孔無接觸穿過與限載導(dǎo)向裝置固定。緩沖油缸用于船舶撞擊鋼絲繩時(shí)油缸做功消耗撞擊能量。鎖閂裝置可使鋼絲繩與桁架連接或者分離。限載導(dǎo)向裝置在鋼絲繩受力超過設(shè)定值時(shí)斷開，以保護(hù)緩沖油缸。制動(dòng)裝置用于限載裝置斷開后摩擦制動(dòng)，消耗船舶撞擊能量。桁架可繞支鉸在豎直平面內(nèi)90°轉(zhuǎn)動(dòng)。桁架鎖定裝置用于桁架提升到位后固定桁架，防止桁架晃動(dòng)或傾倒。

1.2? 船廂防撞裝置動(dòng)作流程

船廂防撞裝置正常工作時(shí)有三種狀態(tài)：

（1）準(zhǔn)備狀態(tài)：鎖閂裝置解鎖、鋼絲繩預(yù)緊、桁架落下、桁架鎖定裝置解鎖，如圖2所示;

（2）生效狀態(tài)：鎖閂裝置解鎖、鋼絲繩預(yù)緊、桁架提升、桁架鎖定裝置鎖定，如圖3所示;

（3）失效狀態(tài)：鎖閂裝置鎖定、鋼絲繩松弛、桁架提升、桁架鎖定裝置鎖定，如圖4所示。

船舶上行過機(jī)時(shí)防撞裝置動(dòng)作流程如下：①船舶過機(jī)前防撞裝置初始均處于準(zhǔn)備狀態(tài);②在船廂下游對(duì)接船舶進(jìn)廂前，上游防撞裝置由準(zhǔn)備狀態(tài)動(dòng)作至生效狀態(tài)，下游防撞裝置由準(zhǔn)備狀態(tài)動(dòng)作至失效狀態(tài);③船廂下游解除對(duì)接上行前，上游防撞裝置由生效狀態(tài)動(dòng)作至準(zhǔn)備狀態(tài)，下游防撞裝置由失效狀態(tài)動(dòng)作至準(zhǔn)備狀態(tài);④船廂上行期間，船廂上下游防撞裝置均處于準(zhǔn)備狀態(tài);⑤船廂上游對(duì)接船舶出廂前，上游防撞裝置由準(zhǔn)備狀態(tài)動(dòng)作至失效狀態(tài)，下游防撞裝置由準(zhǔn)備狀態(tài)動(dòng)作至生效狀態(tài)。

船廂防撞裝置狀態(tài)如表1所示。

2 桁架結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)與分析

2.1 船廂防撞裝置桁架改造設(shè)計(jì)

船廂防撞裝置原桁架不帶無人行通道，人員往返船廂左右岸側(cè)極為不便。新桁架采用將替換原桁架中間部分、保留兩端與其他設(shè)備安裝配合方式的設(shè)計(jì)方案。新桁架改造部分由4根矩形鋼管構(gòu)成主體框架，矩形鋼管之間設(shè)置三角斜撐方形鋼管，以提高新桁架的整體強(qiáng)度與剛度。新桁架設(shè)有欄桿和人行通道鋼網(wǎng)格柵，整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2 改造部分桁架有限元分析

為保證安全生產(chǎn)，需對(duì)改造部分桁架進(jìn)行必要的分析，以驗(yàn)證其性能是否滿足使用要求。改造部分桁架材料選用Q235A鋼材，其屈服強(qiáng)度S=235MPa，取安全系數(shù)S=1.34，則桁架強(qiáng)度應(yīng)滿足：max≤[]=S/S=175MPa;剛度方面，根據(jù)使用情況可參考：max≤[]=2L/250=102.64mm。

本文以Solidworks為軟件平臺(tái)，利用其三維建模技術(shù)以及有限元分析功能對(duì)改造部分桁架進(jìn)行分析。為提高計(jì)算效率、突出重點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化：（1）欄桿、人行通道網(wǎng)板等零部件采用等效載荷代替;（2）由于改造部分桁架為長(zhǎng)細(xì)比大于10的薄壁鋼管，故采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行分析，可在保證精度的前提下提高計(jì)算效率。

桁架受力分析主要考察兩種工況，一種是人員通行工況，當(dāng)設(shè)計(jì)限載的2名人員位于桁架中部時(shí)為桁架在此工況下的最大受力狀態(tài)。另一種為桁架帶鋼絲繩提升工況，當(dāng)桁架帶鋼絲繩剛提升時(shí)為此種工況最大受力狀態(tài)，兩種狀態(tài)分析如下。

通過對(duì)桁架定義材料屬性、施加載荷與約束、劃分網(wǎng)格并求解，得到改造部分桁架兩種狀態(tài)的分析結(jié)果[5-6]，如圖6-9所示。

由圖6-9可知，桁架在人員通行時(shí)最大應(yīng)力為30.2MPa，最大變形為2.87mm，帶鋼絲繩剛提升時(shí)最大應(yīng)力為155.7MPa，最大變形為83.50mm。綜合可知，改造部分桁架工作時(shí)最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，最大變形也小于最大允許變形值，強(qiáng)度與剛度均滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

3 結(jié)語

本文對(duì)向家壩升船機(jī)船廂防撞裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)及其船舶過機(jī)時(shí)的動(dòng)作流程進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

對(duì)船廂防撞裝置原桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，并利用Solidworks軟件對(duì)改造部分桁架帶鋼絲繩剛提升和人員通行的兩種狀態(tài)進(jìn)行了有限元分析，得到了相應(yīng)的應(yīng)力和變形數(shù)據(jù)。分析結(jié)果表明，強(qiáng)度和剛度均滿足工作使用要求。目前新桁架已投入現(xiàn)場(chǎng)使用，功能正常。

參考文獻(xiàn)：

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