抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统及其设置方法

技术领域

本发明涉及一种抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统及该系统 的设置方法，属于通航建筑领域。

背景技术

水力式升船机是一种新型升船机，其是在容纳承船厢的船闸室两侧分别设 置多个与船闸室分隔且相互间连通的可充、放水的竖井，每个竖井中设置浮筒， 多个平衡重——即浮筒，每一个浮筒通过对应的钢绳、卷筒、滑轮与承船厢多 个部位相连(即在承船厢上形成多个吊点)，当向竖井内充水时浮筒上升、承船 厢下降，反之承船厢上升，从而完成水力驱动式升船或降船。水力式升船机承 船厢每个吊点都有水力驱动，所有吊点的水力驱动源均通过一个阀门控制，不 会出现某个吊点水力驱动失效的情况，即使个别水力驱动源失效，由于整个水 力提升系统驱动源较多，需要机械同步轴克服的不平衡荷载也不是很大，因此， 可以在各卷筒之间通过同步轴进行连接，这样可大大简化了主动抗倾覆机械同 步系统的设计。

水力式升船机同步轴直接与卷筒连接，其同步轴扭转变形和同步轴之间的 间隙通过卷筒直接传递到承船厢，同步轴之间的间隙或扭转变形大小直接影响 承船厢的倾斜量大小；承船厢受到的倾斜力矩和不平衡荷载直接通过卷筒传递 到同步轴，相同承船厢倾斜荷载作用下，水力式升船机同步轴的扭矩比电机驱 动的传统升船机大。因此，水力驱动的升船机对同步轴刚度、强度和间隙等方 面的要求比电机驱动的传统升船机具有较高的要求。

由于水力式升船机的机械升降系统与传统升船机差异较大，且其对提高水 力式升船机承船厢整体抗倾覆能力的影响十分重大，其安全可靠直接关系升船 机的运行安全，所以升船机主动抗倾覆机械同步系统及设置方法，特别是具有 抗倾覆能力的升船机承船厢主动抗倾覆机械同步系统及设置方法尤为重要。

发明内容

本发明通过对水力式升船机主动抗倾覆机械同步系统受力特点的深入研 究，结合水力式升船机基本原理，针对水力式升船机承船厢带水倾斜问题，提 出了一种具有抗倾覆能力的水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统以及该主 动抗倾覆机械同步系统的设置方法。以解决水力式升船机承船厢带水倾斜，不 能正常升降运行的问题。

本发明通过下列技术方案完成：一种抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机 械同步系统，包括与承船厢两侧的多个部位相连的多根钢绳，多根钢绳的另一 端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒以及设置在竖井中浮筒上的滑轮固定在竖 井的顶部，多个卷筒之间通过同步轴及联轴器相连。

所述多个卷筒及联轴器和同步轴与承船厢两侧的钢绳相对应地设置成两 排，两排之间通过伞齿对及联轴器连接有横向同步轴，构成矩形框连接，且每 一卷筒上均设有常规制动器，以便在承船厢受到不平衡荷载作用下出现倾斜时， 能通过主动抗倾覆机械同步系统中的同步轴的微量变形产生主动抗倾覆力矩， 以控制承船厢倾斜量、降低同步轴扭矩，并在船厢倾斜量或同步传动扭矩达到 设计值时，通过制动器锁定对应卷筒，保障升船机整体安全。

所述抗倾覆水力式升船机包括设置在船闸室中的承船厢，与承船厢相连的 稳定均衡水力驱动系统、主动抗倾覆机械同步系统和自反馈稳定系统，其中：

所述稳定均衡水力驱动系统包括竖井、设置在竖井中的浮筒、带输水阀的 输水主管，下端与输水主管相连的多根分支水管，多根分支水管由下部的直管、 中部的转角管和/或分叉管以及上部的直管构成，且上部的直管出水端置于对应 的竖井底部，并在直管出水端设置有消能工，各个竖井之间通过水位平衡廊道 相连；且在分支水管转角处设有第一阻力均衡件，在分叉管处设有第二阻力均 衡件，在输水主管输水阀阀前设有环向强迫通气机构、阀后设有稳压减振箱； 所述浮筒底部设为120°的锥体，且竖井与浮筒之间的间隙比保持在0.095～ 0.061之间，以提高稳定均衡水力驱动系统的水动力特性变化及水动力输出的稳 定性；

所述自反馈稳定系统包括对称设置在船闸室侧壁上的导轨，对称设置在承 船厢两侧对应上、下部的，与船闸室侧壁上的导轨相配接的多个导轮，每一个 导轮均通过支撑机构固定在承船厢上；

所述自反馈稳定系统的每一个导轮通过支撑机构固定在承船厢上，所述支 撑机构包括与承船厢相连的底座，铰接在底座上的支架，固定在支架与底座之 间的柔性件，设置在柔性件外侧的限位挡件，设置在支架上并沿导轨滚动的导 轮；

通过上述主动抗倾覆机械同步系统、稳定均衡水力驱动系统、承船厢自反 馈稳定系统联合共同作用，解决水力式升船机承船厢载水倾斜，无法正常升降 运行的问题，提高了水力式升船机的总体抗倾覆能力，保障水力式升船机安全、 稳定、可靠运行。

所述自反馈稳定系统中的支撑机构的支架为两块相对设置的三角板，该三 角板的直角处通过铰轴固定在底座内侧的凸块上，水平外端与底座之间设置柔 性件，具体为弹簧，直角上端通过轮轴将导轮固定在两块三角板之间，以便导 轮沿导轨滚动的过程中，遇到不平整的导轨时，通过柔性件使支架绕铰轴摆动 而缓解导轨不平整带来的颠簸，同时通过导轨与导轮的配接，自动提供抗倾覆 扭矩，以对承船厢进行主动纠偏，防止承船厢倾斜。

所述自反馈稳定系统的导轨沿船闸室两侧内壁分别设置二根，共四根，每 一根导轨的左右两侧壁与承船厢上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构， 共四个支撑机构相配接，当承船厢受到不平衡荷载而导致承船厢出现倾斜后， 通过导轨与导轮的配接，自动提供抗倾覆扭矩，以对承船厢进行主动纠偏，防 止承船厢倾斜，并对产生的倾斜进行限位，防止承船厢倾斜量继续增大，使水 力式升船机稳定安全可靠运行。

所述自反馈稳定系统的导轨的左右两侧壁上对应地设置水平板或直角板， 该水平板或直角板的侧板与承船厢上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构， 共四个支撑机构相配接，以提高导轨的平整度。

所述稳定均衡水力驱动系统的：

消能工包括间隔地在竖井底部并沿直管出水端端口周边设置的立杆，设置 在立杆上端的水平档板，以便向上冲的水在水平挡板作用下只能向下再经立杆 之间的空隙进入竖井中，从而降低出水水流速度，消除水能量，减缓水流冲击 力，改善浮筒底部水流条件，避免水流直接冲击浮筒底部而引起浮筒晃动；

第一阻力均衡件为直角弯管，且在直角弯管直角处下方设置向下延伸且封 闭的管头，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证 各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；

第二阻力均衡件为上大下小的实心或空心圆锥体，该圆锥体的上端固定在 分叉管的水平管壁上，下端向下延伸至分叉管的竖直管中，以保证在狭窄垂直 空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管进入竖井流量一致， 满足等阻力设置要求；

环向强迫通气机构包括：固定在输水主管外部的通气环管，通气环管的内 侧壁上设有第一通孔，第一通孔与设置在输水主管壁上的第二通孔连通，通气 环管的外侧壁上设有第三通孔，第三通孔与供气管相连，供气管与气源相连， 以便将压力空气经供气管送入通气环管中，再经第一、第二通孔送入输水主管 中，即向水中参气，以解决稳定均衡水力驱动系统因高水头非恒定作用下的输 水阀门空化及振动问题，减小压力脉动，使阀门相对空化数由1.0降低到0.5， 使阀门的大开度开启时间提前，输水效率提高60％以上；所述通气环管上的第一 通孔、第三通孔间隔设置多个，且每一个第三通孔均通过对应的供气分管与供 气总管相连，供气总管与气源相连，以通过供气分管分多路、多点向通气环管、 输水主管均匀供气；

稳压减振箱包括带空腔的箱体，箱体一侧设有入水口、另一侧设有出水口； 入水口设三个，分别通过对应的输水阀与输水主管相连，其中位于中间的输水 阀为主阀，两侧的输水阀为辅阀，且一个主阀和两个辅阀的阀前输水主管上均 设置有环向强迫通气机构，以便通过输水流量较小且抗空化能力较优的辅阀控 制承船厢低速运行(对接时)，又通过输水流量较大的主阀提高承船厢正常升降 阶段的运行速度，消除水力稳定均衡系统产生的非恒定流对承船厢运行速度稳 定性带来的影响。

本发明提供的主动抗倾覆机械同步系统按下列方法进行设计：

主动抗倾覆机械同步系统同时具备承船厢抗倾覆和传递均衡承船厢不均匀 荷载双重功能，该系统通过同步轴的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩， 并在承船厢倾斜量或同步系统扭矩达到设计值时，通过设置在卷筒上的安全装 置锁定卷筒，保障升船机整体安全；所述安全装置为制动器；

设主动抗倾覆机械同步系统中的两排卷筒及联轴器和同步轴，以及伞齿对、 联轴器和横向同步轴完全对称、承船厢充分调平、各卷筒、钢丝绳受力和摩擦 完全相同，忽略承船厢和钢丝绳刚度影响，则主动抗倾覆机械同步系统刚度、 强度按下列方法设置，具体为：

一、刚度设置方法

所述承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP按下 式计算：

$\Delta P=\frac{(\Delta h+{\mathrm{\Delta h}}_0)L_c{B}_c\rho g}{24}+\frac{M_b+M_p}{2L_c}---\left(1\right)$

式中：

Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起的承船 厢倾斜量，单位为m；

Δh₀为承船厢升降运行卷筒、钢绳等加工安装误差引起的承船厢倾斜量，单 位为m；

L_c为承船厢长度，单位为m；

B_c为承船厢宽度，单位为m；

ρ为密度，单位为kg/m³；

g为重力加速度，单位为m/s^-2；

M_b为承船厢水面波动引起的倾覆力矩，单位为kN·m；

M_p为承船厢偏心荷载引起的倾覆力矩，单位为kN·m；

因同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起承船厢发 生倾斜量Δh后，主动抗倾覆机械同步系统又通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力 ΔF根据下式计算：

$\Delta F=\frac{\Delta h-{\theta }_{2}R+4M_{f}R\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}{R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}---\left(2\right)$

式中：ΔF为作用于承船厢的抗倾覆力，单位为kN；

Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起的承船厢 倾斜量，单位为m；

θ₂为同步轴之间的总间隙，单位为弧度；

R为卷筒半径，单位为m；

M_f为单个卷筒摩擦力产生的扭矩，单位为kN·m；

G为剪切弹性模量，单位为kPa；

L_i为第i根同步轴长度，单位为m；

I_pi为第i根同步轴截面极惯性矩，其中：

$I_p=\frac{{\mathrm{\pi D}}^4}{32}(1-a^4)$

式中：D--同步轴外径；

a--空心同步轴，内径/外径；实心同步轴相当于内径为0，即a＝0；

因此，在不考虑同步轴强度破坏条件下，得知：

(1)ΔF>ΔP,同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起承船厢 倾斜Δh时，通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF大于承船厢倾斜后作用在主动 抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢倾斜量Δh将减小；

(2)ΔF<ΔP,承船厢倾斜量Δh继续增加，同步轴需要发生更大的扭转变 形，产生更大的抵抗力，这样才能保证承船厢平衡；

(3)ΔF＝ΔP,承船厢倾斜量Δh等于其作用在主动抗倾覆机械同步系统的 最大倾斜荷载ΔP时，承船厢稳定，则记

$\beta =\frac{L_c{B}_c\rho g}{24},\delta =R\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}$

根据承船厢稳定时的条件即ΔF＝ΔP可知，承船厢稳定时应满足以下条件：

$\Delta h=\frac{{\theta }_{2}R}{1-\beta \delta R}+\frac{{\mathrm{\Delta h}}_0\beta \delta R}{1-\beta \delta R}+\frac{\delta R(M_b+M_p)}{2L_c(1-\beta \delta R)}-\frac{4{\mathrm{\delta M}}_f}{1-\beta \delta R}---\left(3\right)$

由于Δh≥0，定义主动抗倾覆机械同步系统整体刚度公式(4) 成立的必要条件是：1>βδR，即主动抗倾覆机械同步系统能维持承船厢稳定的 必要条件为：

$K>\frac{L_c{B}_c{\mathrm{\rho gR}}^2}{24}---\left(4\right)$

承船厢升降运行过程中，承船厢允许发生的最大倾斜量为Δh_max，则主动抗 倾覆机械同步系统刚度还应满足：

γ₁(θ₂R+Δh₀)+γ₂(M_b+M_p)-γ₃M_f≤Δh_max(5)

式中：

(1)γ₁(θ₂R+Δh₀)为制造误差产生的倾斜量，即主动抗倾覆机械同步系统间 隙、钢绳走线误差等引起的承船厢倾斜量，定义：为制造误差倾斜系 数，定义γ₁为与承船厢尺度和同步轴刚度相关的系数，结合公式(5)可知 γ₁∈[1,+∞)，根据系数γ₁定义可知γ₁为大于或等于1的数值；同步轴刚度越大， γ₁值越小，但不会小于1；当同步轴刚度无穷大时γ₁＝1，此时制造误差引起的承 船厢最大倾斜量为θ₂R+Δh₀；因此γ₁会对制造误差产生的承船厢倾斜量起到放大 作用，同步轴的刚度越小，对制造误差产生的承船厢倾斜量放大作用越大；同 步轴的刚度越大，对制造误差产生的船厢倾斜量放大作用越小；

(2)γ₂(M_b+M_p)为倾覆力矩引起的承船厢倾斜量ΔH₂，即承船厢在水面波 动、承船厢偏心荷载等倾覆力矩作用下发生的倾斜量，定义为波 动倾斜量系数，刚度无穷大时，γ₂→0，此时水面波动倾覆力矩对承船厢产生倾 斜量影响越小；

(3)-γ₃M_f为系统摩擦力产生的承船厢倾斜量抵抗量，定义为 摩擦力倾斜量抵抗系数，系统越大，对降低承船厢倾斜量越有利；

因此，主动抗倾覆机械同步系统要具备抗倾覆能力，其同步轴刚度应同时 满足公式(4)和公式(5)；

二、强度设置方法

承船厢运行过程中同步轴最大扭矩T_N表示为:

式中,为倾覆力矩系数,

M_Q为承船厢倾覆力矩，单位为kN·m；

为制造误差系数；

θ₂R+Δh₀为主动抗倾覆机械同步系统制造误差；

体现了承船厢水面波动、承船厢偏心荷载等产生的承船厢倾覆力矩M_Q对同步轴扭矩的影响；

体现了承船厢加水后，主动抗倾覆机械同步系统制造误差θ₂R+Δh₀对同步轴扭矩的影响；

体现了承船厢内水体对同步轴扭矩荷载的影响；

反映了系统摩擦力对同步轴扭矩的抵抗作用；

M_k反映了由于安装误差等在同步轴转动时产生的同步轴内部扭矩变化；

M_g反映了承船厢初始调平时，相邻卷筒、钢绳受力不均对同步轴产生的初 始扭矩；

无水承船厢升降运行时，这两项影响可忽略，因此无水承船 厢升降运行时，同步轴扭矩可表示为：

三、间隙及制造误差控制条件

对于主动抗倾覆机械同步系统间隙θ₂R、制造误差倾斜量Δh₀，应按以 下条件进行控制：

$({\theta }_{2}R+{\mathrm{\Delta h}}_0)\le \frac{{\mathrm{\Delta h}}_{max}+{\gamma }_3{M}_f-{\gamma }_2(M_b+M_p)}{{\gamma }_1}---\left(6\right)$

式中：Δh_max为承船厢允许发生的最大倾斜量，单位为m；

M_max为主动抗倾覆机械同步系统允许的最大扭矩，单位为kN·m；其余符 号意义同前；所述主动抗倾覆机械同步系统的其它设置按常规进行。

本发明具有下列优点和效果：通过对主动抗倾覆机械同步系统同步轴刚度、 强度设置及间隙、制造误差控制，在承船厢受到不平衡荷载作用下出现倾斜时， 能通过主动抗倾覆机械同步系统的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩，达 到控制承船厢倾斜量和降低同步轴扭矩的目的，并在船厢倾斜量或同步系统扭 矩达到设计值时，通过主动抗倾覆机械同步系统的制动器锁定卷筒转动，保障 升船机整体安全，有利于确保水力式升船机安全、可靠运行。

附图说明

图1为升船机侧视结构图；

图2为图1的A-A断面图；

图3为图1中的稳定均衡水力驱动系统结构图；

图4为主动抗倾覆机械同步系统结构图；

图5为自反馈稳定系统结构图；

图6为图5的俯视图；

图7为图5的C部放大图；

图8为图6的D部放大图；

图9为图3中的B部放大图；

图10为图3中的环向强迫通气机构结构图；

图11为图10中的E-E视图；

图12为图3中的稳压减振箱结构图；

图13为承船厢上行纵向倾斜量沿程变化图；

图14为承船厢纵倾力矩、主动抗倾覆机械同步系统抗倾力矩、承船厢自反 馈稳定系统抗倾力矩沿程变化图；

图15为承船厢纵倾力矩与抗倾力矩沿程变化图；

图16为现有技术与本发明在承船厢水面波动时对倾斜量影响的对比图；

图17为现有技术与本发明在承船厢水面波动时对同步轴扭矩影响的对比 图；

图18为输水阀相同开启度下现有技术阀后测点的压力脉动均方根图；

图19为输水阀相同开启度下本发明阀后测点的压力脉动均方根图；

图20为现有技术的输水阀相同开启度下的噪声强度图；

图21为本发明输水阀相同开启度下的噪声强度图；

图22为掺气前后输水管振动加速度对比图。

图中，1为船闸室，11为承船厢，12为船舶，14为船闸室侧壁的导轨；

2为主动抗倾覆机械同步系统，21为钢绳，22为滑轮，24为卷筒，25为 同步轴，26为联轴器，27为制动器，28为伞齿轮对，29为横向同步轴；

3为稳定均衡水力驱动系统，31为竖井，311为浮筒，32为输水主管，327 为第二通孔，321为分支水管下端的直管，324为分支水管上端的直管，323为 分支水管的转角管，322为分支水管的分叉管，325为消能工，326为水位平衡 廊道，33为输水阀，34为环向强迫通气机构，341为通气环管，342为第一通 孔，343为供气分管，344为第三通孔，345为供气总管，35为稳压减振箱，351 为壳体，352为入水口，36为第一阻力均衡件，37为第二阻力均衡件，

4为承船厢自反馈稳定系统，41为导轮机构的底座，42为限位挡件，43为 柔性件，44为支架，45为导轮，46为金属水平板。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。

本发明提供的抗倾覆水力式升船机包括设置在船闸室1中的承船厢11，与 承船厢11相连的稳定均衡水力驱动系统3、主动抗倾覆机械同步系统2和自反 馈稳定系统4，其中：

所述主动抗倾覆机械同步系统2包括：与船闸室1中的承船厢11两侧的多 个部位相连的多根钢绳21，多根钢绳21的另一端分别绕过对应的设置在顶部的 卷筒24以及设置在竖井31中浮筒311上的滑轮22固定在竖井31的顶部，如 图1、图2，多个卷筒24之间通过同步轴25及联轴器26相连；多个卷筒24及 联轴器26和同步轴25与承船厢11两侧的钢绳21相对应地设置成两排，两排 之间通过伞齿对28及联轴器26连接有横向同步轴29，构成矩形框连接，且每 一卷筒24上均设有常规制动器27，如图1、图2、图4，以便在承船厢11受到 不平衡荷载作用下出现倾斜时，能通过主动抗倾覆机械同步系统2中的同步轴 25的微量变形产生主动抗倾覆力矩，以控制承船厢11倾斜量、降低同步轴25 扭矩，并在承船厢11倾斜量或同步传动扭矩达到设计值时，通过制动器27锁 定对应卷筒24，保障升船机整体安全。

所述稳定均衡水力驱动系统3包括竖井31、设置在竖井31中的浮筒311、 带输水阀33的输水主管32，下端与输水主管32相连的多根分支水管，多根分 支水管由下部的直管321、中部的转角管323和分叉管322以及上部的直管324 构成，且下部的直管321、中部的转角管323和分叉管322以及上部的直管324 设为上、下两级，下级的下端直管321与输水主管32相连，上级的上端直管324 出水端置于对应的竖井31底部，并在上端直管324出水端设置消能工325，各 个竖井31之间通过水位平衡廊道326连通；所述稳定均衡水力驱动系统3还包 括设置在分支水管的转角管323转角处的第一阻力均衡件36和分叉管322处的 第二阻力均衡件37、分别设置在输水主管32输水阀33阀前的环向强迫通气机 构34和阀后的稳压减振箱35，如图1、图2、图3，浮筒311底部设为120°的 锥体，且竖井31与浮筒311之间的间隙比保持在0.095～0.061之间，以提高 稳定均衡水力驱动系统的水动力特性变化及水动力输出的稳定性，其中：

消能工325包括间隔地在竖井底部并沿直管324出水端端口周边设置的立 杆，设置在立杆上端的水平档板，以便通过水平挡板降低出水水流速度，消除 水能量，减缓水流冲击力，改善浮筒底部水流条件，避免水流直接冲击浮筒底 部而引起浮筒晃动；

第一阻力均衡件36为直角弯管，且在直角弯管直角处下方设置向下延伸且 封闭的管头，如图9，以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程 度地保证各分支水管进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；

第二阻力均衡件37为上大下小的实心或空心圆锥体，该圆锥体的上端固定 在分叉管322的水平管壁上，下端向下延伸至分叉管322的竖直管中，如图9， 以保证在狭窄垂直空间内各分支水管的流量相等，最大程度地保证各分支水管 进入竖井流量一致，满足等阻力设置要求；

环向强迫通气机构34包括：固定在输水主管32外部的通气环管341，通气 环管341的内侧壁上设有第一通孔342，第一通孔342与设置在输水主管32壁 上的第二通孔327连通，通气环管341的外侧壁上设有第三通孔344，第三通孔 344与供气管相连，供气管与气源相连，以便将压力空气经供气管送入通气环管 341中，再经第一、第二通孔342、327送入输水主管32中，即向水中掺气，以 解决稳定均衡水力驱动系统因高水头非恒定作用下的输水阀33空化及振动问 题，减小压力脉动，使阀门相对空化数由1.0降低到0.5，使阀门的大开度开启 时间提前，输水效率提高60％以上；所述通气环管341上的第一通孔342、第三 通孔344间隔并对称设置四个，且每一个第三通孔344均通过对应的供气分管 343与供气总管345相连，供气总管345与气源——即空气压缩机相连，如图 10、图11，以通过供气分管343分多路、多点向通气环管341、输水主管32均 匀掺气；

稳压减振箱35包括带空腔的箱体351，箱体351一侧设有入水口352、另 一侧设有出水口；入水口352设三个，分别通过对应的输水阀33与输水主管32 相连，如图3、图12，其中位于中间的输水阀为主阀，两侧的输水阀为辅阀， 且一个主阀和两个辅阀的阀前输水主管32上均设置有环向强迫通气机构34，以 便通过输水流量较小且抗空化能力较优的辅阀控制承船厢低速运行(对接时)， 又通过输水流量较大的主阀提高承船厢正常升降阶段的运行速度，消除水力稳 定均衡系统产生的非恒定流对承船厢运行速度稳定性带来的影响。

所述自反馈稳定系统4包括对称设置在船闸室1侧壁上的导轨14，对称设 置在承船厢11对应上、下部的，与船闸室1侧壁上的导轨14相配接的多个导 轮，每一个导轮均通过支撑机构固定在承船厢11上；所述导轨14沿船闸室1 两侧内壁分别设置两根，共四根，如图6，每一根导轨14的左右两侧壁与承船 厢11上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构，共四个支撑机构相配接，如 图5；所述导轨14的左右两侧壁上对应地设置金属水平板46，如图8，该金属 水平板46与承船厢11上部的两个支撑机构、下部的两个支撑机构，共四个支 撑机构相配接，以提高导轨14的平整度；所述支撑机构包括与承船厢11相连 的底座41，铰接在底座41上的支架44，固定在支架44与底座41之间的柔性 件43，设置在柔性件43外侧的限位挡件42，设置在支架44上并沿导轨14滚 动的导轮45；所述支架44由两块相对设置的三角板构成，两块三角板的直角处 通过铰轴固定在底座41内侧的凸块上，水平外端与底座41外侧之间设置柔性 件43，该柔性件43为弹簧，直角上端通过轮轴将导轮45固定在两块三角板之 间，如图7，以便导轮45沿导轨14滚动的过程中，遇到不平整的导轨时，通过 柔性件使支架绕铰轴摆动而缓解导轨不平整带来的颠簸，同时通过导轨与导轮 的配接，自动提供抗倾覆扭矩，以对承船厢进行主动纠偏，防止承船厢倾斜。

本发明提供的主动抗倾覆机械同步系统按下列方法进行设计：

主动抗倾覆机械同步系统同时具备承船厢抗倾覆和传递均衡承船厢不均匀 荷载双重功能，该系统通过同步轴的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩， 并在承船厢倾斜量或同步系统扭矩达到设计值时，通过设置在卷筒上的制动器 锁定卷筒，保障升船机整体安全；

设主动抗倾覆机械同步系统中的两排卷筒及联轴器和同步轴，以及伞齿对、 联轴器和横向同步轴完全对称、承船厢充分调平、各卷筒、钢丝绳受力和摩擦 完全相同，忽略承船厢和钢丝绳刚度影响，则主动抗倾覆机械同步系统刚度、 强度按下列方法设置，具体为：

一、刚度设置方法

所述承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP按下 式计算：

$\Delta P=\frac{(\Delta h+{\mathrm{\Delta h}}_0)L_c{B}_c\rho g}{24}+\frac{M_b+M_p}{2L_c}---\left(1\right)$

式中：

Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起的承船 厢倾斜量，单位为m；

Δh₀为承船厢升降运行卷筒、钢绳等加工安装误差引起的承船厢倾斜量，单 位为m；

L_c为承船厢长度，单位为m；

B_c为承船厢宽度，单位为m；

ρ为密度，单位为kg/m³；

g为重力加速度，单位为m/s^-2；

M_b为承船厢水面波动引起的倾覆力矩，单位为kN·m；

M_p为承船厢偏心荷载引起的倾覆力矩，单位为kN·m；

因同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起承船厢发 生倾斜量Δh后，主动抗倾覆机械同步系统又通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力 ΔF根据下式计算：

$\Delta F=\frac{\Delta h-{\theta }_{2}R+4M_{f}R\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}{R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}---\left(2\right)$

式中：ΔF为作用于承船厢的抗倾覆力，单位为kN；

Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起的承船厢 倾斜量，单位为m；

θ₂为同步轴之间的总间隙，单位为弧度；

R为卷筒半径，单位为m；

M_f为单个卷筒摩擦力产生的扭矩，单位为kN·m；

G为剪切弹性模量，单位为kPa；

L_i为第i根同步轴长度，单位为m；

I_pi为第i根同步轴截面极惯性矩，其中：

$I_p=\frac{{\mathrm{\pi D}}^4}{32}(1-a^4)$

式中：D--同步轴外径；

a--空心同步轴，内径/外径；实心同步轴相当于内径为0，即a＝0；

因此，在不考虑同步轴强度破坏条件下，得知：

(1)ΔF>ΔP,同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起承船厢 倾斜Δh时，通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF大于承船厢倾斜后作用在主动 抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢倾斜量Δh将减小；

(2)ΔF<ΔP,承船厢倾斜量Δh继续增加，同步轴需要发生更大的扭转变 形，产生更大的抵抗力，这样才能保证承船厢平衡；

(3)ΔF＝ΔP,承船厢倾斜量Δh等于其作用在主动抗倾覆机械同步系统的 最大倾斜荷载ΔP时，承船厢稳定，则记

$\beta =\frac{L_c{B}_c\rho g}{24},\delta =R\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}$

根据承船厢稳定时的条件即ΔF＝ΔP可知，承船厢稳定时应满足以下条件：

$\Delta h=\frac{{\theta }_{2}R}{1-\beta \delta R}+\frac{{\mathrm{\Delta h}}_0\beta \delta R}{1-\beta \delta R}+\frac{\delta R(M_b+M_p)}{2L_c(1-\beta \delta R)}-\frac{4{\mathrm{\delta M}}_f}{1-\beta \delta R}---\left(3\right)$

由于Δh≥0，定义主动抗倾覆机械同步系统整体刚度公式(4) 成立的必要条件是：1>βδR，即主动抗倾覆机械同步系统能维持承船厢稳定的 必要条件为：

$K>\frac{L_c{B}_c{\mathrm{\rho gR}}^2}{24}---\left(4\right)$

承船厢升降运行过程中，承船厢允许发生的最大倾斜量为Δh_max，则主动抗 倾覆机械同步系统刚度还应满足：

γ₁(θ₂R+Δh₀)+γ₂(M_b+M_p)-γ₃M_f≤Δh_max(5)

式中：

(1)γ₁(θ₂R+Δh₀)为制造误差产生的倾斜量，即主动抗倾覆机械同步系统间 隙、钢绳走线误差等引起的承船厢倾斜量，定义：为制造误差倾斜系 数，定义γ₁为与承船厢尺度和同步轴刚度相关的系数，结合公式(5)可知 γ₁∈[1,+∞)，根据系数γ₁定义可知γ₁为大于或等于1的数值；同步轴刚度越大， γ₁值越小，但不会小于1；当同步轴刚度无穷大时γ₁＝1，此时制造误差引起的承 船厢最大倾斜量为θ₂R+Δh₀；因此γ₁会对制造误差产生的承船厢倾斜量起到放大 作用，同步轴的刚度越小，对制造误差产生的承船厢倾斜量放大作用越大；同 步轴的刚度越大，对制造误差产生的船厢倾斜量放大作用越小；

(2)γ₂(M_b+M_p)为倾覆力矩引起的承船厢倾斜量ΔH₂，即承船厢在水面波 动、承船厢偏心荷载等倾覆力矩作用下发生的倾斜量，定义为波 动倾斜量系数，刚度无穷大时，γ₂→0，此时水面波动倾覆力矩对承船厢产生倾 斜量影响越小；

(3)-γ₃M_f为系统摩擦力产生的承船厢倾斜量抵抗量，定义为 摩擦力倾斜量抵抗系数，系统越大，对降低承船厢倾斜量越有利；

因此，主动抗倾覆机械同步系统要具备抗倾覆能力，其同步轴刚度应同时 满足公式(4)和公式(5)；

二、强度设置方法

承船厢运行过程中同步轴最大扭矩T_N表示为：

式中,为倾覆力矩系数,

M_Q为承船厢倾覆力矩，单位为kN·m；

为制造误差系数；

θ₂R+Δh₀为主动抗倾覆机械同步系统制造误差；

体现了承船厢水面波动、承船厢偏心荷载等产生的承船厢倾覆力矩M_Q对同步轴扭矩的影响；

体现了承船厢加水后，主动抗倾覆机械同步系统制造误差θ₂R+Δh₀对同步轴扭矩的影响；

体现了承船厢内水体对同步轴扭矩荷载的影响；

反映了系统摩擦力对同步轴扭矩的抵抗作用；

M_k反映了由于安装误差等在同步轴转动时产生的同步轴内部扭矩变化；

M_g反映了承船厢初始调平时，相邻卷筒、钢绳受力不均对同步轴产生的初 始扭矩；

无水承船厢升降运行时，这两项影响可忽略，因此无水承船 厢升降运行时，同步轴扭矩可表示为：

三、间隙及制造误差控制条件

对于主动抗倾覆机械同步系统间隙θ₂R、制造误差倾斜量Δh₀，应按以 下条件进行控制：

$({\theta }_{2}R+{\mathrm{\Delta h}}_0)\le \frac{{\mathrm{\Delta h}}_{max}+{\gamma }_3{M}_f-{\gamma }_2(M_b+M_p)}{{\gamma }_1}---\left(6\right)$

式中：Δh_max为承船厢允许发生的最大倾斜量，单位为m；

M_max为主动抗倾覆机械同步系统允许的最大扭矩，单位为kN·m；其余符 号意义同前；所述主动抗倾覆机械同步系统的其它设置按常规进行。

通过上述设置与现有技术相比得知：本发明升船机承船厢倾斜量远小于现 有技术，当水面波动倾斜力矩为20×10³kN·m时，现有技术实测承船厢发生 15.6cm左右倾斜，而本发明仅发生3.0cm的倾斜，见图16，并且本发明设置具 有抗倾覆能力的主动抗倾覆机械同步系统后，由承船厢水面波动产生的最大扭 矩也可显著降低，水面波动倾覆力矩20×10³kN·m时，现有技术的同步轴最大 扭矩为554kN·m，而本发明仅为338.6kN·m，见图17。

在1：10的承船厢动态运行试验中，按本发明的抗倾覆功能的主动抗倾覆 机械同步系统能保证水力式升船机是一个收敛稳定的系统，承船厢倾斜量及承 船厢水面波动不会增大发散，承船厢有水升降运行过程中，承船厢纵向倾斜量 仅增加3.5cm，同步轴的最大扭矩变化幅值为192.6kN·m，整个运行过程中承 船厢没有发生失稳现象。

本发明通过输水阀阀前设置的环向强迫通气机构及阀后设置的稳压减振 箱，解决输水阀的空化及振动问题，减小压力脉动，使输水阀的大开度开启时 间提前，提高输水效率，避免水力空化对输水阀及输水管路的破坏。经观测结 果表明：阀前环向强迫通气机构及阀后稳压减振箱两种措施结合使用，能够有 效抑制输水阀的空化、空蚀，减小振动加速度，提高输水效率，即：

a)稳压减振箱与现有技术相比，在相同开度输水阀作用水头普遍提高5m 的条件下，最大流量由14.3m³/s增大到21.0m³/s；输水时间由3213min缩短至 15.4min；同时，稳压减振箱大大改善了现有技术不利的水流条件，相同开启方 式下，压力脉动均方根最大值由2.7m水柱(见图18)下降到0.09m水柱(见 图19)；输水阀相对空化数提高30～40％，抗空化作用突出；此外，稳压减振箱 各测点振动最大加速度均方根值平均下降36％，其自振频率高，超过1kHz，不 会与水流脉动荷载发生共振，结构设计、安装满足抗振设计要求。

b)采用环向强迫通气机构及稳压减振箱联合使用后，使压力脉动进一步降 低，普遍下降20％左右；通过环向强迫通气机构掺气后，输水阀空气声级平均降 低5dB，在没有混响声的范围内，水流噪声平稳，没有异常响声；几乎未检测到 空化脉冲信号(见图21)，图20是现有技术，其噪声强度大；空化噪声声压级 下降20～30dB，掺气保证了无空化运行状态，输水管振动加速度平均减小80％～ 90％，见图22，表明掺气减振效果显著，60％气体能排出，40％气体进入竖井31， 未形成气囊，不影响竖井31水面的平稳性，掺气后竖井31水面波动幅值小于 ±0.05m；

c)环向强迫通气机构及稳压减振箱这两种措施结合使用后，大大提高了输 水主阀对应开度作用水头，减少输水时间，经过合理优化后的开启方式，能保 证输水时间在15min以内。

通过本发明水力式升船机原型观测可知，采用本发明的水力稳定平衡系统 进行优化改造后，在流量超过20m³/s、输水时间15min以内条件下，竖井水面 最大波动仅为±5cm，相邻竖井水位差小于3cm，阀门运行过程无空化现象，振 动加速度大大减小。

通过对自反馈稳定系统的设置，在承船厢水平稳定的基础上，带水上行、 下行全过程运行，其中承船厢上行纵向倾斜量沿程变化如图13所示，承船厢纵 倾覆力矩与抗倾覆力矩沿程变化如图14、15所示，可以看出，承船厢纵倾覆表 现为稳定的波动过程，波动幅度较小，每次倾斜后均能够恢复，上行过程中最 大纵倾覆约50mm，最大导轮压力小于20t，承船厢自反馈稳定系统与主动抗倾 覆机械同步系统共同承担承船厢纵倾覆力矩，二者抗倾覆力矩之和与纵倾覆力 矩基本吻合，承船厢始终处于稳定收敛状态，解决了沿程没有设置承船厢自反 馈稳定系统情况下，承船厢严重倾斜超过300mm并逐渐扩大的问题，可见，沿 程的承船厢自反馈稳定系统抗倾覆效果十分显著，使水力式升船机机械提升系 统的不稳定发散特性发生根本性转变，变成稳定收敛的系统。

通过上述实施方案表明，稳定均衡水力驱动系统实现了同步、平稳、快速、 高效的水力条件，为升船机稳定高效运行奠定了基础；主动抗倾覆机械同步系 统减小了承船厢的倾斜量和同步轴扭矩，为升船机安全、平稳运行提供条件； 承船厢自反馈稳定系统能够灵活适应导轨的不平整度，保证承船厢水平且稳定 升降，在小范围内的波动下，倾斜量和受力进一步减小。因此，上述多个系统 联合工作共同组成一种具有抗倾覆能力的水力式升船机，并保证水力式升船机 能够稳定高效运行。