一种升船机升降式双钢梁防撞系统及其冗余拦防方法
技术领域
本发明涉及到水利水电工程领域升船机工程，更加具体来说是一种在升船机在船厢对接过程中发生船舶失速事故时实施安全拦防,以保护船厢门免受失速船舶撞击的机械装置。
背景技术
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。目前在我国水电站应用的垂直升船机为平衡重式垂直升船机对船舶失速事故的设防保护是平衡重式升船机安全保障体系设计的重要内容之一。特别是当船厢处于与上游对接状态时，船舶由上游水域驶向船厢水域，如果船厢不设置拦防装置，一旦船舶失速时撞击船厢门，轻则造成船厢门和船舶损伤，重则造成船厢大量漏水甚至灾难性事故。因此，对于船舶失速撞击船厢门的事故设防的安全可靠性，对于保证升船机设备和过机船舶的安全是非常重要的。
较早建成的隔河岩升船机即采用钢丝绳拦防、缓冲油缸吸能的方案，其防撞吸能设备包括钢丝绳、缓冲油缸、导向滑轮、防撞支架等部件，均装设在船厢门顶部。由于隔河岩升船机船厢门所采用的下沉式平板门存在门槽被水中杂物或船舶坠物卡塞的风险，在其后兴建的钢丝绳卷扬式垂直升船机中船厢门多采用卧倒门，船厢门的防撞系统多采用防塑性钢梁吸能方案。该方案采用单根钢梁拦防失速船舶，当船舶撞击钢梁时，钢梁发生塑性变形，通过结构的塑性变形能吸收船舶动能。防撞钢梁由装设在船厢主纵梁内的油缸驱动竖直升降，根据升船机船厢对接流程的要求在拦防位置或存放位置就位。该形式的拦防防撞装置结构简单紧凑，撞击行程较小，节省船厢布置空间，因而在目前所有平衡重式钢丝绳卷扬垂直升船机中应用。不过，该拦防防撞装置也存在不足之处，即由于防撞梁在塑性阶段工作，一旦撞击受损，为安全起见防撞梁必须立即更换，导致升船机停航；由于撞击过程钢梁塑性吸能物理过程的复杂性、材料性能的随机性以及船舶超速碰撞的可能性，为保证钢梁不发生断裂而失去拦防能力，防撞梁断面尺寸一般偏安全确定，使钢梁塑性应变处于较低水平，这导致钢梁的刚度依然偏大，从而使撞击力偏大，这一方面有可能对船舶造成损伤，也增大了船厢结构的撞击载荷，增加局部结构设计的难度。
在近几年建成投入运行的三峡水利枢纽3000吨级全平衡齿轮齿条爬升式垂直升船机和向家坝水电站1000吨级全平衡齿轮齿条爬升式垂直升船机设计中，船厢防撞装置采用了钢丝绳拦防-缓冲油缸吸能技术方案。该防撞装置装设在船厢结构上，不受闸门启闭的影响，闸门与钢丝绳的碰撞也不会造成闸门结构的损伤。另一方面，通过钢丝绳拦防和液压缓冲吸能的技术组合，使船舶失速的拦防过程为柔性碰撞吸能过程，其所产生的最大碰撞力可以通过液压油缸控制系统所配置的溢流阀控制，并可以通过简单的能量转换关系进行设计计算。这种碰撞过程的可控性和技术上的确定性使得该船厢失速拦防技术具有更高的安全可靠性。但该方案也存在不足。该防撞系统不能适应带球鼻艏船舶的拦防需要。此外，对于船艏倾斜过大的船舶，其撞击行程过大,有可能使船舶撞击船厢门。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种可有效降低船舶与塑性梁的碰撞力，降低船舶撞击防撞梁的撞击载荷对船厢结构的不利影响且有较大的安全冗余，同时也满足带球鼻艏船舶的拦防需要的防撞双塑性钢梁。
本发明采用的技术方案是：
一种升船机升降式双钢梁防撞系统，包括双拦防钢梁组件、支承构件组件、升降驱动装置、换向装置、升降连接组件及支承结构；所述升降驱动装置布置于承船厢结构的侧边的船厢主纵梁结构内部，升降驱动装置通过换向装置及升降连接组件与双拦防钢梁组件连接，双拦防钢梁组件在升降驱动装置的驱动下可上下移动；所述双拦防钢梁组件包括撞击梁、安全梁及中间连接装置，撞击梁及安全梁的端部通过中间连接装置以可拆卸的方式固定连接，支承结构固定在安全梁内侧的船厢结构上。
进一步的，所述撞击梁包括撞击梁体、橡胶板，橡胶板通过螺栓与撞击梁体面对船舶的翼缘板相连。
进一步的，所述撞击梁体采用箱形钢梁结构。
进一步的，所述安全梁包括安全梁体、摩擦块及卡槽，所述摩擦块镶嵌在安全梁体两端厚板中,并通过螺钉固定,从而当船舶撞击防撞梁时,摩擦块与焊接于船厢主纵梁内腹板的支承构件接触,通过接触面的摩擦力传递碰撞力的竖直分量；所述卡槽为三个钢质构件组成的“凹”字型结构；
所述中间连接装置包括金属橡胶垫片、剪力销及连接螺栓；
安全梁既是该防撞系统的冗余保护构件，也是撞击梁的支承构件，即安全梁的端部结构延伸至撞击梁端部支承区域，使撞击梁端部得以支承在安全梁端部结构上，撞击梁端部底端搁放在安全梁端部，并通过金属橡胶弹簧卡放在安全梁端部的卡槽内，从而形成碰撞力由撞击梁经安全梁和支承结构传至船厢结构的连续传力结构,并通过连接螺栓将撞击梁与安全梁的端部结构连接,从而对撞击梁形成水平轴向位移约束；用定位销将撞击梁和安全梁连结，用以将撞击梁在水中所受到的浮力传递至安全梁。
进一步的，所述安全梁体采用箱形钢梁结构。
进一步的，所述升降连接组件左右各布置一个，每个升降连接组件包括钢丝绳、锥套及吊耳，每个吊耳与钢丝绳组件的锥套通过销轴连接；与四个钢丝绳组件相对应，在船厢主纵梁顶部装设了四套滑轮，每根钢丝绳一端通过锥套和吊耳与安全梁连接，另一端绕过滑轮，固定并缠绕在升降装置的卷筒上。
进一步的，升降驱动装置包括集电动机、减速器和制动器一体的三合一传动装置、卷筒组、联轴器及机架；升降装置通过钢丝绳在卷筒组上的收放，驱动双拦防钢梁组件的升降运动，使其根据升船机运行的要求到达拦防位置或沉放位置。
本发明的有益效果和特点是：
(1)采用两级防撞梁前后布置的方式，形成对于失速船舶的两级拦防。防撞梁采用塑性设计钢梁，利用钢梁的塑性变形能吸收失速船舶的动能。每一级防撞梁均具有单独吸收船舶全部动能的能力；与单塑性钢梁比较，由于采用双塑性梁方案产生了较大的安全冗余，因此可降低单根梁的截面尺寸，从而有效降低船舶与塑性梁的碰撞力，降低船舶撞击防撞梁的撞击载荷对船厢结构的不利影响。
(2)两级防撞梁之间采用可拆卸式连接结构，当船舶与撞击梁发生撞击后，便于更换撞击受损的撞击梁,且在撞击不严重时可暂时不更换撞击梁，系统可继续工作，并选择适当时间更换撞击梁，不影响通航。
(3)可适应带球鼻艏船舶的拦防需要；占用空间相对较少，基本不影响船厢有效水域尺寸。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的俯视结构示意图(仅画出左侧构件，右侧构件对称，故省略)；
图2为图1虚线处放大的结构示意图；
图3为图2中A-A剖面的结构示意图(撞击梁轮廓用细线表示)；
图4为本发明较佳实施例的正视结构示意图(仅画出左侧构件，右侧构件对称，故省略)；
图5为本发明较佳实施例的侧视结构示意图；
图6为图5中虚线处放大的结构示意图；
图7为本发明较佳实施例在卧倒门中的应用结构示意图；
图8为本发明较佳实施例的防撞梁力学模型简图；
图9为Q345的应力应变关系试验曲线和幂率本构关系曲线；
图10为防撞梁箱形断面示意图；
图11为梁截面应力分布图；
图12为卡槽的结构示意图应力分布图；
图中标号分别表示：1-双拦防钢梁组件、11-撞击梁、111-撞击梁体、112-橡胶板、12-安全梁、121-安全梁体、122-摩擦块、123-卡槽、13-中间连接装置、131-金属橡胶垫片、132-剪力销、133-连接螺栓、134-定位销、2-支承构件组件、3-升降驱动装置、31-三合一传动装置、32-卷筒组、33-联轴器、34-机架、4-换向装置、5-升降连接组件、51-钢丝绳、52-锥套、53-吊耳、6-支承结构、7-船厢门、8-承船厢结构、81-船厢结构、9-球鼻艏、10-船厢底铺。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
本发明适用于水利枢纽垂直升船机在船舶失速事故条件下对船厢门的保护，免于船厢门在船舶失速事故情况下遭受船舶撞击而受损进而导致船厢大量漏水事故。该系统主要通过两级塑性钢梁对失速船舶的拦阻，形成对船厢门的冗余安全保护，从而保证船厢门的安全。
请参考图1～图2，一种升船机升降式双钢梁防撞系统，包括双拦防钢梁组件1、支承构件组件2、升降驱动装置3、换向装置4、升降连接组件5及支承结构6；所述升降驱动装置3布置于承船厢结构的侧边的船厢主纵梁结构内部，升降驱动装置3通过换向装置4及升降连接组件5与双拦防钢梁组件1连接，双拦防钢梁组件1在升降驱动装置3的驱动下可上下移动；所述双拦防钢梁组件1包括撞击梁11、安全梁12及中间连接装置13，撞击梁11及安全梁12的端部通过中间连接装置13以可拆卸的方式固定连接，支承结构6固定在安全梁12内侧的船厢结构上。
所述中间连接装置13包括金属橡胶垫片131、剪力销132、橡胶块133及定位销134。
所述撞击梁11包括撞击梁体111及橡胶板112，橡胶板112通过螺栓与撞击梁体面对船舶的翼缘板相连，撞击梁体是系统主要吸能构件，其碰撞产生的塑性变形能可吸收船舶失速的总动能；橡胶板的作用为通过橡胶材料的缓冲降低船舶与撞击梁相撞冲击载荷，值得说明的是，系统吸能主要是依靠结构的塑形变形，橡胶吸收的能量很少。橡胶的作用是降低冲击的峰值载荷，起到缓冲作用，因为钢质材料较硬，相互冲击接触时会产生很大的冲击接触力。
所述安全梁12包括安全梁体121、摩擦块122，所述摩擦块122镶嵌在安全梁体121两端厚板中,并通过螺钉固定(摩擦块122采用铜基粉末冶金材料制作，为高比压高摩擦材料，主要目的是通过摩擦力传递竖向载荷；因为很多船首是有倾角的，撞击过程会产生向下的分量，通过高摩擦材料将竖直载荷分量传递给支承结构),从而当船舶撞击防撞梁时,摩擦块122与焊接于船厢主纵梁内腹板的支承构件接触,通过接触面的摩擦力传递碰撞力的竖直分量，所述卡槽123为三个钢质构件组成的“凹”字型结构(如图12)；
所述中间连接装置13包括金属橡胶垫片131、剪力销132、连接螺栓133；安全梁12既是该防撞系统的冗余保护构件，也是撞击梁11的支承构件，即安全梁的端部结构延伸至撞击梁11端部支承区域，使撞击梁11端部得以支承在安全梁12端部结构上，撞击梁端部底端搁放在安全梁12端部，并通过金属橡胶垫片131卡放在安全梁12端部的卡槽123内，从而形成碰撞力由撞击梁经安全梁12和支承结构传至船厢结构81的连续传力结构,并通过连接螺栓133将撞击梁11与安全梁的端部结构连接,从而对撞击梁形成水平轴向位移约束；以避免撞击梁撞击后由于大挠度弯曲导致两端向中间收缩，从而减少端部支承长度；将撞击梁在水中所受到的力传递至安全梁，从而可实现双梁系统的整体升降运动；
当船舶与撞击梁发生撞击后，更换撞击受损的撞击梁；由于撞击梁和安全梁连接结构可拆卸，便于更换；更换撞击梁的操作工艺相对简单，将撞击梁端部的剪切销和端部连接螺栓拆卸，取出金属橡胶垫片131，通过临时起吊设备移走受损的撞击梁；将备用的撞击梁通过临时起吊设备安装就位，将金属橡胶垫块填充撞击梁与安全梁的端部安装间隙，然后插入剪切销，将撞击梁与安全梁端部的连接螺栓安装预紧即可。
请参考图3，所述撞击梁体111及安全梁体121均采用箱形钢梁结构。
请参考图4-图7，所述升降连接组件5左右各布置一个，每个升降连接组件包括钢丝绳51、锥套52及吊耳53，吊耳53有四个，布置在安全梁端部结构的四角，每个吊耳与钢丝绳组件的锥套通过销轴连接；与四个钢丝绳组件相对应，在船厢主纵梁顶部装设了四套换向装置(例如滑轮)，每根钢丝绳一端通过锥套和吊耳与安全梁连接，另一端绕过换向装置，和升降驱动装置3相连。
升降驱动装置3包括集电动机、减速器和制动器一体的三合一传动装置31、卷筒组32、联轴器33及机架34；升降装置通过钢丝绳在卷筒组32上的收放，驱动双拦防钢梁组件1的升降运动，使其根据升船机运行的要求到达拦防位置或沉放位置。
所述的升船机升降式双钢梁防撞系统的冗余拦防方法，包括：
当船舶从上游或下游水域进入承船厢时以及船厢升降过程中，对于不带球鼻艏的船舶，使双塑性钢梁组件1升至水面以上；形成对行进船舶的拦截状态；当船舶失速时，与撞击梁11碰撞，从而使撞击梁11产生塑性变形；安全梁12则形成船厢门保护的安全冗余，即使撞击梁被失速船舶撞断失去拦截功能，安全梁12仍然以同样的能力通过塑性变形继续吸收剩余的船舶动能，使船厢门7免于失速船舶的冲击；
对于带球鼻艏9的船舶，通过待过机船舶球鼻艏高度位置信息，由升船机集控系统向防撞系统驱动装置电气控制系统发出提升距离设定指令，使撞击梁中心线与艏鼻尖基本齐平，其高程差不超过100mm，以便形成对带球鼻艏有效拦截；船舶球鼻艏相对于水面的位置(或双梁组的拦防位置)，由船主在提交过机申请时填写；同时设置相关检测装置对信息进行核实。当球鼻艏位置超过双梁组拦防适应范围，则不允许通过升船机过坝。
当发生船舶与撞击梁事故时,检查撞击梁的受损程度。如果撞击梁受损轻微，则可暂不更换撞击梁，待升船机进入检修期时更换；如果撞击梁受损较为严重(如发生明显的可见裂纹，且梁的整体挠度超过额定载荷下计算挠度的1/5)；且升船机运行不繁忙，即可考虑更换,更换撞击受损的撞击梁只需拔出连接撞击梁和安全梁的剪力销，卸下金属橡胶垫片311，即可由临时起吊设备移走。新的撞击梁装配也是由临时起吊设备吊装到位，将金属橡胶垫块填充撞击梁与安全梁的端部安装间隙，然后插入剪切销即可；
如果由于通航运行繁忙不能停航，可由受损的撞击梁与安全梁共同组成拦防系统继续工作，直至繁忙运行期结束，升船机进入检修期，更换损伤的撞击梁11；如果升船机运行过于繁忙不能中断运行，也可由受损的撞击梁11与安全梁12共同组成拦防系统，使升船机不因船舶撞击事故中断运行；
对于船厢弧形门，船厢启闭运行轨迹对于支承构件沿高度上的布置影响较小，因而较为容易实现支承构件在一定高度范围的布置，而不加大船厢总长度(见图1～图7)；但对于卧倒门，为了适应球鼻艏船舶的撞击拦防，支承构件沿高度上的布置，需避开卧倒门启闭过程外轮廓的运行轨迹，以避免干涉，这样会增加双梁构件与船厢门之间的距离，在船厢有效尺寸一定的情况下，会增加船厢总长度，影响升船机的经济性能；因此，如果升船机过机船舶包含带球鼻艏的船舶，则不宜采用卧倒门与双梁防撞系统的组合，而是采用弧形门与双梁防撞系统的组合。对于无球鼻艏的船舶过坝的升船机，当船厢门7采用卧倒门时，则可采用固定高度拦防的形式(目前所有升船机均采用该拦防方式)，拦防结构则可采用双钢梁防撞系统,从而不增加船厢的总长度；
在非拦截状态(即船厢门开启状态)，双拦防钢梁组件1下沉至门龛位置(如图5中A处)，从而形成船舶进入船厢的航行通道。
该升船机升降式双钢梁防撞系统，所述撞击梁体111和安全梁体121的箱形截面梁的设计方法包括：
最大塑性应变条件
式中，与材料Q345钢相关的参数为n＝0.21，A＝873.7N/mm2；[ε]为最大允许发生塑性应变，可取0.02；Tmax为失速船舶的动能；ξ＝h/H为箱形梁腹板高度h与梁高H之比；L为撞击梁和安全梁的支承跨度；Sd为箱形截面的折算面积，按下式计算：
其中，t为腹板厚度，h为腹板宽度，δ为翼缘板厚度，b为翼缘板宽度，见图10；
最大挠度条件为：
式中，lb为撞击梁和安全梁的间距；
最大碰撞力条件
其中[P]为支承构件和船厢结构的局部强度计算所允许的碰撞力。
塑性防撞梁设计公式的计算过程
1.基本力学模型与应力分布
三峡升船机防撞梁和安全梁采用箱形断面(截面如图10所示)。两根梁的主体断面相同，仅在端部结构上有所区别，因此为叙述方便，此处仅以防撞梁为例进行说明。为便于分析，请参考图8，防撞梁的计算模型假定为两端简支，在中间断面承受船舶撞击力P。由于考虑利用钢梁的塑性变形吸收船舶动能，因此钢梁材料应力应变关系采用幂函数本构关系。
幂函数弹塑性本构关系的形式为：
σ＝Aεn (1)
式中，ζ为应力，ε为应变，A、n为表征材料性质的常数，其值可通过所采用材料实际应力应变曲线的某些特征点来确定。图9为钢材Q345D的材料应力应变关系曲线。虚线为Q345钢实测应力应变曲线。根据实测曲线提取的两组数据，当ε1＝1.1375％时，ζ1＝341.1N/mm2；当ε2＝6％时，ζ2＝484N/mm2；可求得Q345的幂律本构关系参数为：n＝0.21；A＝873.7N/mm2。因此其对应的幂律本构关系见图9，其本构关系曲线如图9中的点划线曲线。
σ＝873.7ε0.21 (2)
由于防撞梁的挠度相对于梁跨度较小,为便于分析，假定防撞梁满足小变形假设，此时，中心性轴长度不发生改变。假定防撞梁在x处曲率半径为R(x)，在该出取微段dx，可以求得处在距中性轴y处的梁纤维的应变为：
式(3)中，κ(x)＝1/R(x)为梁的中性轴曲率，θ为微段dx与曲率所对应的转角。
将式(3)代入式(1)，得
σ＝Aκ(x)nzn (4)
应力沿梁高度的分布如图11所示
2.塑性钢梁的截面弯矩
截面弯矩为
根据泰勒展开公式，当h<<x时，
上式中，Rn为余项。将上式中的f(x)以(x/2)n+2代之，可得
将式(6)代入式(5)，可得
M(x)＝Dκ(x)n (7)
上式中
令
则
Sd为箱形梁的折算面积。
3.钢梁的塑性应变能
对于塑性防撞梁，由于是按设计船型的载重量来确定撞击质量的，而设计船型的宽度只是略小于船厢有效宽度。因此可合理地假定撞击力作用在的中间断面。由于防撞梁为两端简支，因此，当x≤L/2，其截面弯矩亦为
上式中，P为船舶与防撞梁之间的撞击力。将式(7)代入式(11)，可求得
将上式代入式(3)，得
防撞梁的塑性应变能为应变能密度在梁整个体积V内的积分:
W＝∫VσεdV (14)
考虑结构的对称性，防撞梁的塑性应变能为
假设设计船舶(最大排水量)以设计允许的最大速度撞击防撞梁，则防撞梁与防撞梁之间产生最大撞击力Pmax，在其中断面(x＝L/2)的最外侧(z＝H/2)产生最大应力或最大应变。假设该应变为εmax，则根据式(13)，最大应变为
根据式(16)可求出最大撞击力为
将式(17)表示的Pmax值取代式(15)中的撞击力P，则求得防撞梁的最大应变能为
根据式(10)
ξ＝h/H为箱形梁腹板高度与梁高之比。
将式(19)代入式(18)，得
4.钢梁横断面尺寸的设计控制条件
在撞击过程中，假定船舶失速的动能全部转化为防撞梁弹塑性应变能，即：T＝Wmax,则根据式(20)
则防撞梁最大应变为
设计控制条件为：εmax≤[ε] (23)
式(23)中，[ε]为最大允许发生塑性应变。从现有技术文献中给出的Q345钢工程应力应变全范围曲线中可以看出，该钢材在断裂时的塑性应变达到60％。为保证钢梁不发生断裂破坏，最大允许发生塑性应变应远小于钢材强度极限所对应的塑性应变,推荐最大允许发生塑性应变不超过2％。
式(17)碰撞力可作如下改变
5.防撞梁的最大挠度
根据防撞梁的小变形假设，由式(12)
上式对x积分，可求得
防撞梁为受对称载荷简支梁，其边界条件为中部转角为零和端部挠度为零。根据中部转角为零条件，求得
根据端部挠度为零条件，求得
C2＝0 (29)
将式(28)和式(29)代入式(27)，求得
梁的最大挠度发生在中部(x＝L/2),将x＝L/2，P＝Pmax代入式(30)，求得撞击梁最大挠度为：
根据式(24)
将式(32)代入(式(31)，得
三峡升船机双塑性钢梁组拦防具体实例方案设计计算
1.基本设计条件
三峡升船机设计船型最大排水量为3000t，船舶在船厢行驶速度为0.5m/s。根据《升船机设计规范》式(6.7.7-1)，船舶失速时的计算动能为
上式中m为船舶及其附连水体总质量。其中附连水质量是考虑船舶撞击过程中由于船舶附连水体所产生的对船舶的水动压力从而使船舶动能增加的等效质量。根据现有技术中试验研究结果，升船机防撞设备所做的功接近按船舶总质量(不考虑附连水体)计算所具有的动能，这其中的原因既有设备变形、机械摩擦的因素，同时也说明船舶碰撞过程中由于水体边界条件(船厢门距离船舶前方较近)所产生的水雍压力与附连水体惯性所产生的水压力抵消的影响。但总体结果表明水体压力对于船舶行驶动能增加的贡献不大。但出于安全考虑，式(34)中船舶及其附连水体总质量取2倍的船舶总质量(含装载物质量)。据此，根据(34)计算船舶的计算动能为750kNm。
2.主要参数计算
防撞梁支承间距为L＝18m，钢梁断面尺寸H＝660mm，h＝560mm，t＝40mm，δ＝50mm，b＝760mm。由于采用Q345材料，A＝873.7N/mm2，n＝0.21。
根据式(9)
根据式(22)
最大应变
根据式(24)，最大碰撞载荷
根据式(33)
根据单根钢梁独立吸收全部船舶动能的原则，两根钢梁之间的间距为0.39m。
支承构件焊缝计算
考虑两个钢板四条焊缝承受单边支承载荷1×106N，焊缝高度24mm，焊缝长度400mm，焊缝剪应力为
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
