重力式垂直升船机简介

重力式垂直升船机简介升船机的种类很多，有电力式、水力式、浮筒式、液压式、半水力式等等，我国已建的升船机工程一般比较习惯采用齿轮爬升螺旋锁定式(德国尼德芬诺式)和钢丝绳卷扬式升船机，这两种升船机均属电力式升船机。

2004年中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院经过长期的研究论证，建议云南景洪升船机采用中国长江三峡集团公司研发的水力浮动式转矩平衡重升船机（以下简称水力浮动式升船机）。

这种升船机比较适合在上游水位变化大，下游水位变化快的工况下工作，并能非常方便的实现与下游航道的入水式对接，运行十分安全可靠。

非常适合景洪升船机的运行条件。

目前该升船机已在穿越中、老、缅、泰四国的澜沧江—湄公河国际航道上建成通航。

水力浮动式升船机属于水力式升船机。

据德国人介绍，尼德芬诺升船机在运行时，常常采用这样一种节能方式：升船机上升时，让承船厢少装些水；升船机下降时，让承船厢多装些水，人为的制造承船厢侧与平衡重侧的不平衡（重量差），让不平衡力产生在有利于升船机运行的方向，从而减少升船机的电力消耗。

重力式垂直升船机（以下简称重力式升船机）就是将德国人这一节能经验发挥到极至，创造出的一种机构简单，既节能又环保的升船机。

它除了取消升船机的提升电机、大扭矩减速箱、在承船厢底部加装一重力水箱及在承船厢室顶部加装一充水装置外，保留了钢丝绳卷扬全平衡垂直升船机的全部机构。

由于取消了提升电机、大扭矩减速箱，在升船机的设计、制造、安装、维护方面带来许多方便。

由于它依靠重力提升，因而更加节能更加环保。

重力式升船机与水力浮动式升船机相比，最明显的优点是节约大量的操作用水，其升降一次消耗的操作用水量不足水力浮动式升船机的 1 %，即水力浮动式升船机升降一次所需的操作用水量，可供重力式升船机操作100次。

如果与同等规模的船闸相比（按提升高度45m计算），其节水量更为惊人，仅为同等规模船闸操作用水的 2 ‰左右。

即船闸升降一次消耗的操作用水，可供重力式升船机操作500次，而且运行时间大为缩短。

从工程投资方面看，重力式升船机也是最经济的。

重力式升船机的工作原理是：人为制造承船厢侧与平衡重侧的重量差，令该重量差略大于升船机的提升力，在该重量差的作用下，迫使升船机达到升降的目的。

具体措施是：一取消钢丝绳卷扬全平衡升船机必须设置的提升电机和大扭矩减速葙。

用连接轴、联轴节和换向齿轮将各相邻卷筒连接成一个封闭的机械同步系统。

（见重力式升船机同步提升系统图）重力式升船机同步提升系统平面图图中: 1滑轮组 2液压安全装置 3卷筒 4轴承座 5换向齿轮 6连接轴及联轴节。

同步提升系统中的联轴节可采用齿式联轴节或万向联轴节等。

二在承船厢的底部加设重力水箱。

（见重力式垂直升船机原理图）它是控制重力式升船机的关键构件，升船机上行、下行以及运行速度的调整均可通过它进行。

重力式垂直升船机原理图一重力水箱上设有进水管，进水管上装有进水阀，打开进水阀，上游航道的水经承船厢便可将重力水箱充满，使承船厢侧的重量大于平衡重侧。

当承船厢侧的重量比平衡重侧大一个提升力时，承船厢便开始下降。

（见重力式垂直升船机原理图一）重力水箱上还设有排水管，在排水管上设有排水阀，关闭进水阀，打开排水阀可将重力水箱中的水排空，使承船厢侧的重量小于平衡重侧。

当承船厢侧的重量比平衡重侧小一个提升力时，承船厢便开始上升。

重力水箱上还设有进、排气孔，在重力水箱充、排水时，起到补气或排气的作用。

重力水箱的容量应该能容纳大于相当2倍提升力重量的水。

三升船机的运行程序是这样的：1升船机上升（见重力式升船机原理图一、二、三）重力式垂直升船机原理图二A 下游准备上行的船舶已安全驶入承船厢，关闭承船厢下游侧卧倒门及下闸首工作门上的卧倒门；令承船厢夹紧装置、顶紧承装置。

承船厢下游侧U形对接密封框退出与下游对接的工作状态。

B 开启液压安全制动装置，给升船机松闸，进入准备上升的状态。

C 打开重力水箱排水阀排水。

减轻承船厢侧的重量，当承船厢开始上升时，立即关闭重力水箱排水阀。

升船机上行。

（此时重力水箱中的水已排空）D 当承船厢上升至接近上游对接位置时，负责减速的安全制动装置启动，向卷筒施加摩擦阻力，使升船机减速上升。

E 当承船厢减速上升至上游对接位置时，升船机的全部安全制动装置投入，闸住卷筒，升船机在上游对接位置停机。

F 承船厢夹紧装置、顶紧承装置、上游侧U形对接密封框启动，进入与上游航道对接的工作状态。

G 开启承船厢上游侧卧倒门及上闸首工作门上的卧倒门，使承船厢内的水体与上游航道的水体互通。

H 开启重力水箱进水阀向重力水箱充水，当重力水箱中的水充至一半时承船厢侧与平衡重侧重量相等，关闭重力水箱进水阀，停止充水。

I 上行船舶驶出承船厢，准备下行的船舶进入承船厢。

2 升船机下行（见重力式升船机原理图一、二、三及充水装置系统图）：A 上游准备下行的船舶已安全驶入承船厢。

关闭承船厢上游侧卧倒门及上闸首工作门上的卧倒门；令承船厢夹紧装置、顶紧承装置。

承船厢上游侧U 形对接密封框退出与上游对接的工作状态。

B 开启液压安全制动装置，给升船机松闸，进入准备下行的状态。

C 启动充水装置卷扬机 B（见充水装置系统图），使充水装置水箱C下降至适宜位置，开启充水装置排水阀d，向承船厢充水，同时打开重力水箱进水阀，使来自充水装置的水经由承船厢进入重力水箱。

当承船厢开始下降时，立即关闭重力水箱进水阀及充水装置排水阀d，升船机下降运行。

三重力式垂直升船机原理图D启动充水装置卷扬机，将充水装置水箱提升至初始位置。

开启来自上游高位水箱管道上的阀门A，向充水装置水箱C补水。

以便下次使用。

充水装置系统图E 当承船厢下降至接近下游对接位置时，负责减速的盘型安全制动装置启动，对卷筒上的制动盘施加摩擦力，使升船机开始减速下降，当承船厢减速下降至与下游航道对接位置时，盘型安全制动装置全部投入，闸住卷筒，升船机在与下游对接位置停机。

F 承船厢夹紧装置、顶紧承装置、下游侧U形对接密封框启动，进入与下游航道对接的工作状态。

G 开启承船厢下游侧卧倒门及下闸首工作门上的卧倒门，使承船厢水体与下游航道水体互通。

H 开启重力水箱排水阀排水，当重力水箱中的水排放一半时立即关闭重力水箱排水阀。

I 下行船舶驶出承船厢。

四重力水箱容积的确定：1升船机提升卷筒的摩擦转矩：T=F Q . d2π2 μ式中：T——摩擦转矩（吨米）F Q ——升船机运动部件的载荷承船厢、平衡重、钢丝绳、平衡链、卷筒、滑轮等部件的总重量（吨）d——卷筒轴径（米）μ——摩擦系数2升船机的提升力：F t=T dD式中：F t——升船机的提升力（吨）T——摩擦转矩（吨米）D——卷筒钢丝绳槽直径（米）d——卷筒轴径（米）3 重力水箱容积应该能容下略大于相当于2 F t（吨）重量的水。

五重力式升船机的平衡重重力式升船机的平衡重由重力平衡重和转矩平衡重两部分组成。

重力平衡重的钢丝绳绕经滑轮后与承船厢连接；转矩平衡重的钢丝绳绕经卷筒后经液压均衡装置与承船厢连接。

转矩平衡重的钢丝绳与卷筒可采用缠绕式连接，也可采用摩擦式连接。

摩擦式连接较经济，耗费的钢丝绳较少：缠绕式连接耗费的钢丝绳虽然较多，但比较可靠。

在转矩平衡重下部设置平衡链，用以平衡升船机运行时钢丝绳从承船厢侧转移至平衡重侧，或由平衡重侧转移至承船厢侧造成的重量转移。

升船机的重力平衡重由钢筋混凝土制成；令：重力平衡重的总重量 = 转矩平衡重的总重量。

令：平衡重的总重量 = 承船厢载有正常水深水时的重量 + 一倍提升力F t也就是说将重力水箱中的水排空，升船机将上升；向重力水箱中充入2F t的水，升船机将下降。

六重力式升船机的安全制动装置重力式升船机的提升机构设置若干个卷筒，每个卷筒上都配置若干液压盘型安全制动装置。

这些液压盘型安全制动装置全部投入可闸住卷筒，使升船机立即停机，部分投入可使升船机减速运行。

（见重力式升船机同步提升系统平面图）七充水装置重力式升船机的充水装置是在升船机下降时，给承船厢加水（重力水箱），以便增加承船厢侧重量的装置。

由充水装置水箱、充水装置卷扬机、高位水池、充水管道组成。

（见充水装置系统图）充水装置卷扬机可以操作充水装置水箱升降，以便贴近承船厢充水。

高位水池设在上闸首附近，其高程应该满足向充水装置水箱充水的要求。

八在升船机安装或检修时，必须对重力水箱中的升船机开始上升水位及开始下降水位进行验证。

验证过程应在承船厢中的水处于标准水深时进行。

重力水箱中的水位处于升船机开始上升水位或开始下降水位之间的任何位置时，即使升船机松闸，承船厢也保持静止不动。

升船机准备下行，重力水箱中的水充至升船机下行水位时，承船厢刚刚有所动作，必须立即关闭重力水箱进水阀，如果延时关闭，将会增加升船机下行的加速度，延时越长加速度越大；升船机准备上行，重力水箱中的水排至升船机上行水位时，承船厢刚刚有所动作，必须立即关闭重力水箱排水阀，如果延时关闭，将会增加升船机上行的加速度，延时越长加速度越大；重力式升船机升降时，要求严格控制承船厢中的水保持正常水深，其偏差不得超出允许值。

保持正常水深的方法是在承船厢上、下游侧设可逆式水泵。

当承船厢水位超出允许值时启动可逆式水泵，使承船厢水位保持在允许范围。

承船厢在允许范围内的超载或欠载，由重力水箱调节。

譬如：（1）升船机下行如承船厢欠载，重力水箱中的水即使充至升船机下行水位，依然不会有下行动作，必须继续充水，待将欠载水量充至承船厢后，才开始有下行动作。

此时立即关闭重力水箱进水阀。

如承船厢超载，重力水箱中的水尚未充至升船机下行水位，承船厢便开始有下行动作，必须立即关闭充水装置排水阀及重力水箱进水阀停止向承船厢及重力水箱充水。

（见充水装置系统图）（2）升船机上行如承船厢欠载，重力水箱中的水尚未排至升船机上行水位，承船厢便会有上行动作，此时必须立即关闭重力水箱排水阀停止排水。

如承船厢超载，重力水箱中的水排至升船机上行水位，承船厢依然不会有上行动作，必须开启重力水箱进水阀，使承船厢中的超载水排至重力水箱经由重力水箱排水阀排出，当承船厢开始有上升动作时，立即关闭重力水箱进水阀及重力水箱排水阀。

九经计算过船吨位300t左右的重力式升船机，以加速度0.01m/s2 启动，待其速度升至0.5m/s时，升船机的驱动力与空气阻力开始平衡，升船机将以0.5m/s的速度匀速运行。

重力式升船机的运行速度可比钢丝绳卷扬升船机的高1～2倍。

郑大迪 2020/7/20。