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水力浮動式快速垂直升船機(jī)
水力浮動式快速垂直升船機(jī)是在水力浮動式轉(zhuǎn)矩平衡重升船機(jī)（專利號ZL99 116476.8）的基礎(chǔ)上研發(fā)出的一種安全、高速、節(jié)水型垂直升船機(jī)，它與水力浮動式轉(zhuǎn)矩平衡重升船機(jī)相比，可節(jié)約大量的操作用水；與鋼絲繩卷揚(yáng)垂直升船機(jī)相比，運(yùn)行更加安全可靠；與目前國內(nèi)外各類垂直升船機(jī)相比，這種升船機(jī)的升降速度有較大幅度的提高（可達(dá)0.5m/s以上）；如果與同等規(guī)模的船閘相比，其操作用水僅相當(dāng)船閘操作用水的 3% 左右，也就是說同等規(guī)模的船閘升降一次的操作用水，可供水力浮動式快速升船機(jī)升降30次。
水力浮動式快速升船機(jī)的動作原理是：以平衡筒的總重量平衡承船廂的總重量，通過操作進(jìn)水閥或排水閥，使提升豎井充水或排水，達(dá)到改變提升平衡筒的重量，克服摩阻力，促使承船廂升降的目的。
1水力浮動式快速升船機(jī)的平衡裝置
水力浮動式轉(zhuǎn)矩平衡重升船機(jī)的的平衡筒，既具有提升功能又具有平衡功能。水力浮動式快速垂直升船機(jī)的平衡筒則不然，它將平衡筒的提升功能與平衡功能分離，令一部分平衡筒負(fù)責(zé)平衡，另一部分平衡筒負(fù)責(zé)提升。負(fù)責(zé)平衡的平衡筒（15），安裝在平衡豎井（13）中，其重量和體積由承船廂廂體及廂內(nèi)水體的重量和體積以及升船機(jī)的最大提升力確定。平衡豎井（13）與提升豎井（19）互不相通。在平衡豎井的底部，設(shè)有事故排水通道（12）與承船廂室相通。（見水力浮動式快速垂直升船機(jī)原理圖）
平衡筒為鋼制水筒，筒內(nèi)裝有水，為方便安裝、檢修，在頂部設(shè)有進(jìn)人孔。每個平衡筒上裝有兩組動滑輪（14），繞經(jīng)其中一組動滑輪的鋼絲繩纏繞在卷筒（2）的左旋繩槽中，繞經(jīng)另一組動滑輪的鋼絲繩纏繞在卷筒（2）的右旋繩槽中，這樣就可以保證平衡筒在升降時，始終沿著豎井中軸線做鉛錘運(yùn)動而不左右移動。鋼絲繩的一端經(jīng)杠桿式拉力均衡裝置與塔柱頂部的支架連接，鋼絲繩的另一端經(jīng)拉力均衡裝置（6）與承船廂 (8)相連接。杠桿式拉力均衡裝置機(jī)構(gòu)簡單，可以使纏繞在同一卷筒上的各鋼絲繩受力均衡。
平衡筒內(nèi)裝有水位傳感器，用以監(jiān)控筒內(nèi)水位，保證各平衡筒的重量相等。平衡筒下部裝有安全閥(16)，安全閥是常閉的，當(dāng)承船廂（8）發(fā)生嚴(yán)重漏水事故，廂內(nèi)水位降至預(yù)定的事故水位時，承船廂上的水位傳感器發(fā)出訊號，安全閥（16）才開啟排水，減輕平衡筒的重量，使之與漏水的承船廂保持動態(tài)平衡。平衡筒的排水，經(jīng)由平衡豎井底部設(shè)置的事故排水通道排至承船廂室底部與承船廂的漏水一起匯至集水井由水泵排往下游。
平衡豎井對稱布置在承船廂室兩側(cè)，為保護(hù)平衡筒及平衡豎井在運(yùn)行時不受損傷，在平衡筒上裝有導(dǎo)向輪，在豎井內(nèi)壁設(shè)鋼襯板。正常情況下導(dǎo)向輪與平衡豎井內(nèi)壁上的鋼襯板保持1～2cm的間隙，只有在平衡筒的運(yùn)動方向與豎井中軸線產(chǎn)生偏差時，導(dǎo)向輪才與鋼襯板相接觸。為制作、安裝方便平衡筒直徑應(yīng)與提升平衡筒保持一致，平衡豎井的直徑可比提升豎井適當(dāng)大一些。
在我國鋼絲繩卷揚(yáng)垂直升船機(jī)應(yīng)用比較普遍，但它的平衡重是固態(tài)的，當(dāng)發(fā)生承船廂水體全部漏空這樣的極端事故時，安全裝置將無法應(yīng)對。水力浮動式快速升船機(jī)承船廂發(fā)生漏水事故時，平衡筒的重量可以與承船廂漏水進(jìn)行互動并保持平衡，有效地杜絕了因承船廂漏水引發(fā)的惡性事故，升船機(jī)的運(yùn)行安全有了可靠保證。
2水力浮動式快速升船機(jī)的提升裝置
快速升船機(jī)的提升裝置與水力浮動式轉(zhuǎn)矩平衡重升船機(jī)的提升裝置基本相同，它利用水的浮力促使承船廂升降，不需要設(shè)置提升電機(jī)及大扭矩減速箱，避開了大型升船機(jī)設(shè)計、制造、安裝、維護(hù)方面的難題。
負(fù)責(zé)提升的平衡筒(18)，安裝在提升豎井(19)內(nèi)，它的直徑與高度由升船機(jī)運(yùn)行時可能發(fā)生的最大提升力、上游最低通航水位、下游最高通航水位及最大升程確定。
提升豎井（19）底部與等慣性連通管(17)連接。等慣性連通管的進(jìn)水管(26)與上游水庫相通，排水管(27)通往下游。進(jìn)水閥(11)與排水閥(10)分別安裝在進(jìn)、排水管上。升船機(jī)運(yùn)行時，通過操作進(jìn)水閥或排水閥使提升豎井充、泄水，用以改變提升平衡筒的重量，達(dá)到克服摩阻力使升船機(jī)升降的目的。
提升平衡筒亦為鋼制水筒，筒內(nèi)裝有水。在提升平衡筒的上部裝有兩組動滑輪，繞經(jīng)其中一組動滑輪的鋼絲繩纏繞在卷筒的左旋繩槽中，繞經(jīng)另一組動滑輪的鋼絲繩纏繞在卷筒的右旋繩槽中。鋼絲繩的一端經(jīng)杠桿式拉力均衡裝置（20）與塔拄頂部的固定支架連接；另一端經(jīng)拉力均衡裝置（6）與承船廂（8）相連接。提升平衡筒上也裝有導(dǎo)向輪，正常時導(dǎo)向輪與提升豎井內(nèi)壁之間保持1～2cm的間隙。平衡筒的頂部有進(jìn)人孔，供安裝檢修時向平衡筒充、排水用。
由于承船廂的重量已被平衡筒平衡，提升豎井中的提升平衡筒只克服摩阻力就可使升船機(jī)升降。因此，所需的操作用水很少，進(jìn)水管、排水管、進(jìn)水閥、排水閥的通流面積均比較小，為提高升船機(jī)的升降速度創(chuàng)造了非常有利的空間。
提升豎井對稱布置在承船廂室的兩側(cè)。為保證升船機(jī)的運(yùn)行不受上、下游水位變動的影響，令豎井最高水位等于上游最低通航水位， 豎井最低水位等于下游最高通航水位，提升平衡筒在此區(qū)間內(nèi)運(yùn)動，牽動承船廂與上、下游任何通航水位實行對接。由于承受水壓力，提升豎井內(nèi)壁須設(shè)鋼里襯。
3水力浮動式快速升船機(jī)的等慣性輸水系統(tǒng)
等慣性輸水系統(tǒng)是快速升船機(jī)的動力輸送系統(tǒng)及軟同步系統(tǒng)。它由進(jìn)水口欄污柵、檢修閘門、進(jìn)水管（26）、進(jìn)水閥（11）、等慣性豎井連通管（17）、提升豎井(19)、排水閥(10)、排水管(27)、檢修閘門等組成。（見水力浮動式快速升船機(jī)原理圖及等慣性輸水系統(tǒng)示意圖）
若想提高鋼絲繩卷揚(yáng)垂直升船機(jī)及齒輪爬升螺旋鎖定垂直升船機(jī)的升降速度，必須增大提升電機(jī)的功率及減速箱的輸出扭矩，對水力浮動式快速升船機(jī)而言，提升豎井的直徑與升船機(jī)的最大升程一經(jīng)確定，耗水量就是恒定的，升船機(jī)的升降速度僅與進(jìn)、排水管的流量有關(guān)，選用較大直徑的進(jìn)、排水閥及相應(yīng)的進(jìn)水管、排水管，便可提高升降速度。水力浮動式快速升船機(jī)的升降速度可以達(dá)到 0.5m/s 以上,比傳統(tǒng)升船機(jī)的升降速度提高一倍多。
為了保證升船機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)，水在進(jìn)水管及排水管中的最大流速應(yīng)控制在 Vmax ≤ 8m/s為宜。等慣性連通管與提升豎井交界處的流速，應(yīng)控制在V≤2m/s為宜。
4進(jìn)水閥和排水閥
快速升船機(jī)的開、停、升、降是通過對進(jìn)水閥（11）和排水閥（10）的操作實現(xiàn)的，它是升船機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備。由于錐閥的調(diào)節(jié)性能較好，快速升船機(jī)的進(jìn)水閥和排水閥最好選用錐閥，其次是球閥。為方便檢修和維護(hù)，進(jìn)水閥和排水閥可選用同一規(guī)格型號的閥門。進(jìn)水閥與排水閥采用液壓操作系統(tǒng)。
5升船機(jī)的硬同步系統(tǒng)
水力浮動式快速升船機(jī)采用封閉的同步系統(tǒng)，它由提升卷筒（2）、軸承座（3）、齒式聯(lián)軸器（1）、連接軸（28）、及換向傘齒輪（4）等組成。它是快速升船機(jī)的硬同步系統(tǒng)。
來自平衡筒(15)及提升平衡筒(18)的鋼絲繩分別纏繞在與其相對應(yīng)的卷筒外園按左、右旋車制的繩槽內(nèi)，為了防止鋼絲繩與卷筒之間產(chǎn)生相對位移和蠕動，每根鋼絲繩在卷筒上纏繞的圈數(shù) n ≥ 3.5,纏繞的長度不應(yīng)小于升船機(jī)的最大升程。鋼絲繩在卷筒上的纏繞走向，見機(jī)械同步系統(tǒng)示意圖。
通過操作進(jìn)水閥或排水閥向豎井充、泄水，改變水對提升平衡筒的淹沒深度，使卷筒兩側(cè)（平衡筒側(cè)或承船廂側(cè)）的重量發(fā)生變化，在重力作用下，卷筒向重的一側(cè)旋轉(zhuǎn)，升船機(jī)便開始升降。
在機(jī)械同步系統(tǒng)上裝有軸角編碼器，并通過PLC可編程控制器對升船機(jī)的升程、速度、加速度進(jìn)行監(jiān)控。
6水力浮動式快速升船機(jī)的安全裝置及安全保障措施
水力浮動式快速升船機(jī)的安全裝置由兩部分組成：
a裝在提升卷筒上的液壓盤型安全制動裝置
安全制動裝置在升船機(jī)停機(jī)時自動投入，其制動力可按2～3倍的最大提升力配置。控制系統(tǒng)保證只有在安全制動裝置解除制動狀態(tài)后，升船機(jī)才能啟動。
b裝在平衡筒上的安全閥
當(dāng)承船廂發(fā)生嚴(yán)重漏水事故水位降至預(yù)定的事故水位時，水位傳感器發(fā)出訊號，進(jìn)水閥（11）或排水閥（10）在保證承船廂減速度不超過0.04m/s2的基礎(chǔ)上迅速關(guān)閉，升船機(jī)停機(jī)，安全制動裝置自動加閘。此時各平衡筒上的安全閥（16）全部開啟泄水，減輕平衡筒側(cè)的重量，使之與漏水的承船廂保持平衡。當(dāng)平衡筒側(cè)泄掉相當(dāng)于1.5×2（由于動滑輪的原因）倍提升力重的水時，各安全閥便自動關(guān)閉停止泄水。因平衡筒的泄水速度比承船廂的漏水速度快，此時平衡筒側(cè)已比承船廂側(cè)輕。
然而承船廂漏水是連續(xù)的，每漏掉相當(dāng)于一倍的提升力重的水時，便再次發(fā)出訊號令安全閥開啟泄水,安全閥每泄掉相當(dāng)于2倍（動滑輪的原因）提升力重的水，便自動關(guān)閉。這樣平衡筒側(cè)與承船廂側(cè)的不平衡力就始終被控制在1倍的提升力范圍之內(nèi)，保證了升船機(jī)的安全。各安全閥與承船廂漏水進(jìn)行互動的全過程，由PLC可編程控制器控制。
由于設(shè)置了安全閥，即便在承船廂嚴(yán)重漏水事故時，也不可能產(chǎn)生足以使承船廂動作的不平衡力。
7水力浮動式快速升船機(jī)的承船廂、承船廂室、上閘首工作門、下閘首工作門等結(jié)構(gòu)形式與鋼絲繩卷揚(yáng)全平衡垂直升船機(jī)基本相同，因為它們都是不入水型的升船機(jī)。
8升船機(jī)的運(yùn)行速度圖
由于承船廂不與下游入水對接，整個升降過程都在空氣中進(jìn)行，快速垂直升船機(jī)的運(yùn)行速度圖要比水力浮動式轉(zhuǎn)矩平衡重升船機(jī)的簡單。進(jìn)水閥（11）和排水閥（10）的開啟和關(guān)閉過程也相對簡單。
提升平衡筒（18），安裝在提升豎井（19）內(nèi)。在上游最低通航水位至下游最高通航水位區(qū)間內(nèi)運(yùn)動。
提升平衡筒（18），安裝在提升豎井（19）內(nèi)。在上游最低通航水位至下游最高通航水位區(qū)間內(nèi)運(yùn)動。
o-
a 段為已經(jīng)開啟進(jìn)水閥或排水閥向提升豎井充水或排泄豎井中的水，使提升平衡筒的重量開始減輕或增加，但增加值或減輕值尚不足以克服摩阻力，承船廂尚未動作。
a-b 段為進(jìn)水閥或排水閥繼續(xù)開啟，提升平衡筒的重量增加或減小足以克服摩阻力，承船廂開始升降。升降過程承船廂的加速度必須控制在a≤0.01m/s2 。
b-c 進(jìn)水閥或排水閥已全開，由于操作水頭的逐漸減小，承船廂的升降速度隨之逐漸降低。
c-d 為了平穩(wěn)準(zhǔn)確的對接，須將進(jìn)水閥或排水閥逐漸關(guān)小，使承船廂速度逐漸降低至預(yù)定的對接速度。同時必須使減速度a≤0.01m/s2。
d-e 進(jìn)水閥或排水閥保持較小的開度，承船廂按預(yù)定的對接速度運(yùn)行。
e-f 承船廂運(yùn)行至對接點(diǎn)，迅速關(guān)閉進(jìn)水閥或排水閥。承船廂與上下游水位實現(xiàn)準(zhǔn)確對接。
9用水力浮動式快速垂直升船機(jī)取代多級船閘將獲取巨大的效益：
a 可節(jié)約大量的操作用水，同等規(guī)模船閘升降一次的操作用水，可供水力浮動式快速升船機(jī)操作30次。
b 提升速度快，船舶過垻可節(jié)省大量的時間。
C 避開了人字門復(fù)雜的制作安裝工藝及閘室復(fù)雜的輸、排水系統(tǒng)施工，節(jié)約大量工程。
d 檢修、維護(hù)工作量小,費(fèi)用低。
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