水力浮动式升船机及其同步系统侧向倾覆稳定性判别方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水力浮动式升船机及其同步系统侧向倾覆稳定性判别方法，属于稳定 性判别方法。
【背景技术】
[0002] 水力式升船机是我国自主研发的一种新型的升船机型式，具有机构简单、安全可 靠等优越性，在我国高坝通航中具有广阔的应用前景，但在国内外无运行实例，也无经验可 以借鉴。
[0003] 处于平衡状态的物体，由于外界某种微小的作用而偏离了平衡状态，可分为稳定 平衡、不稳定平衡和随遇平衡。对于水力浮动升船机系统，同步系统不可避免存在制作误 差，以及运行过程中承船厢受到扰动，使得承船厢倾斜，厢内倾斜的水体对承船厢产生倾覆 力矩，加剧承船厢的倾斜，承船厢继续倾斜又使该倾覆力矩继续增大，形成不利于升船机运 行的恶性循环。一旦水力式升船机承船厢失稳，又不及时采取制动措施，可能使得升船机不 能继续投入使用，损失惨重。
[0004]目前，针对水力浮动式升船机的抗倾问题，可以通过设置同步系统来减小承船厢 的纵向倾斜量，由于水力同步系统和机械同步系统有抵抗承船厢倾斜的作用，认为升船机 系统属于稳定平衡范畴。然而还未有一种定量化的方式来判定水力式升船机系统同步系统 这种稳定平衡性的性能，根据理论分析给出水力浮动式升船机同步系统侧向倾覆稳定性判 别方法，可进一步提高升船机抗倾斜处理方案的可靠性与可行性，促进水力式升船机的发 展。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述存在的问题，本发明公开了水力浮动式升船机及其同步系统侧向倾 覆稳定性判别方法，具体技术方案如下：
[0006] 水力浮动式升船机，包括承船厢、同步轴、卷筒、钢丝绳、若干个浮筒和两道平行的 竖井，
[0007] 所述两道平行的竖井之间形成船厢室，所述承船厢设置在船厢室内，
[0008] 所述每道竖井的上方均设置有若干个卷筒，每道竖井上方的卷筒均通过同步轴连 接，所述所有的浮筒均匀分布在两道竖井中，
[0009] 所述每个浮筒分别通过各自的钢丝绳与承船厢连接，所述所有的钢丝绳分别绕过 各自对应的卷筒，
[0010] 所述两道竖井的底部贯通，竖井内水位齐平，同步上升下降，船厢室中的水和大坝 下游水位平齐，所述承船厢中装有水，水面上漂浮有船。
[0011] 所述承船厢呈矩形体形状，所述竖井与承船厢长边平行。
[0012] 水力浮动式升船机及其同步系统侧向倾覆稳定性判别方法，包括如下步骤：
[0013] (1)建立水力式升船机系统，承船厢通过绕过卷筒的钢丝绳连接位于竖井中的浮 筒，钢丝绳拉承船厢悬空在船厢室上方，承船厢与水平线呈a角度倾斜时水力式升船机系 统达到平衡状态；
[0014] (2)采集承船厢的重量、几何尺寸及厢内水深等数据；
[0015] (3)根据静力平衡原理及几何协调条件，分别以承船厢、浮筒、同步轴为研宄对象， 建立水力式升船机系统的力学平衡方程；
[0016] (4)定义升船机倾覆稳定性判别条件，根据步骤⑵的平衡方程，建立水力浮动式 升船机侧向倾覆稳定性判别条件F( ?)，对于受外力平衡的升船机，若F( ?)多0,升船机系 统的平衡状态为不稳定平衡，升船机系统最终会发展到失稳破坏状态；若F( ?)〈0,升船机 系统的平衡状态为稳定平衡。
[0017] 所述步骤（3)建立水力式升船机的力学平衡方程如下：
[0018] 由平面力系力和力矩的平衡可知：
【主权项】
1. 水力浮动式升船机，其特征是包括承船厢、同步轴、卷筒、钢丝绳、若干个浮筒和两道 平行的竖井， 所述两道平行的竖井之间形成船厢室，所述承船厢设置在船厢室内， 所述每道竖井的上方均设置有若干个卷筒，每道竖井上方的卷筒均通过同步轴连接， 所述所有的浮筒均匀分布在两道竖井中， 所述每个浮筒分别通过各自的钢丝绳与承船厢连接，所述所有的钢丝绳分别绕过各自 对应的卷筒， 所述两道竖井的底部贯通，竖井内水位齐平，同步上升下降，船厢室中的水和大坝下游 水位平齐，所述承船厢中装有水，水面上漂浮有船。
2. 根据权利要求1所述的水力浮动式升船机，其特征是所述承船厢呈矩形体形状，所 述竖井与承船厢长边平行。
3. 根据权利要求2所述的水力浮动式升船机，其特征是所述承船厢与水平线倾斜。
4. 如权利要求1一3任一所述的水力浮动式升船机及其同步系统侧向倾覆稳定性判别 方法，其特征是包括如下步骤： (1) 建立水力式升船机系统，承船厢通过绕过卷筒的钢丝绳连接位于竖井中的浮筒，钢 丝绳拉承船厢悬空在船厢室上方，承船厢与水平线呈a角度倾斜时水力式升船机系统达 到平衡状态； (2) 采集承船厢的重量、几何尺寸及厢内水深等数据； (3) 根据静力平衡原理及几何协调条件，分别以承船厢、浮筒、同步轴为研宄对象，建立 水力式升船机系统的力学平衡方程； (4) 定义升船机倾覆稳定性判别条件，根据步骤（3)的平衡方程，建立水力浮动式升船 机侧向倾覆稳定性判别条件F( ?)，对于受外力平衡的升船机，若F( ?)多0,升船机系统的 平衡状态为不稳定平衡，升船机系统最终会发展到失稳破坏状态；若F( ?)〈0,升船机系统 的平衡状态为稳定平衡。
5. 根据权利要求4所述的水力浮动式升船机同步系统侧向倾覆稳定性判别方法，其特 征是所述步骤（3)建立水力式升船机的力学平衡方程如下： 由平面力系力和力矩的平衡可知：
由浮力公式及几何协调条件可知： F2' -F/ =AF' =pgSAh
由同步轴上矩的平衡可知： M1=f:R= (F^-F^R M2=f2R= (F2，-F2)R Mi+M2= 0 化简得平衡方程：
式中Fi、F2为两个钢丝绳拉承船厢的拉力，Wi为承船厢重，W2为厢内水重，xi_x3为承船 厢重心作用线与Fjt用线的距离，x2-x3为厢内水体重心作用线与F2作用线的距离，L为承 船厢长，B为承船厢宽，H为承船厢高，h为承船厢放平时的水深，a为承船厢倾斜角度，F/、 F2'为两根钢丝绳拉浮筒的拉力，P为水的密度，g为重力加速度，S为浮筒的底面积，Ah 为两侧浮筒入水深度差，9为卷筒相对扭转角，R为卷筒半径，GIp为同步轴刚度，Mi为第i 个卷筒上的扭矩。
6. 根据权利要求4所述的水力浮动式升船机同步系统侧向倾覆稳定性判别方法，其特 征是所述步骤（4)水力浮动式升船机侧向倾覆稳定性判别条件可定义为承船厢倾覆水体 产生的不平衡力与机械同步系统和浮筒承担的不平衡力之差，也即：
7. 根据权利要求6所述的水力浮动式升船机同步系统侧向倾覆稳定性判别方法，其特 征在是根据水力浮动式升船机侧向倾覆稳定性判别条件F(i)来判定系统的平衡状态，
若F( ?)为负数，值越小，则水力同步系统和机械同步系统提供的抗倾覆力矩越大，承 船厢系统越稳定；若F( ?)为正数，值越大，则水力同步系统和机械同步系统提供的抗倾覆 力矩越难抵抗水的倾覆力矩，承船厢系统偏离平衡状态越远。
【专利摘要】本发明涉及一种水力浮动式升船机同步系统及其侧向倾覆稳定性判别方法，该水力浮动式升船机同步系统为在船厢室设置承船厢，承船厢的水面上漂浮有船，承船厢两侧连接有若干根钢丝绳，每根钢丝绳分别绕过卷筒连接着位于竖井中的浮筒，位于承船厢同侧的卷筒通过同步轴连接。该稳定性判别方法包括如下步骤：建立水力式升船机系统；采集数据；建立水力式升船机系统的力学平衡方程；建立水力浮动式升船机侧向倾覆稳定性判别条件。本发明从理论上提供一种可量化的水力式升船机稳定性判别方法，用于水力式升船机的稳定性定量判别以及为设计升船机的同步系统合理参数的取值提供依据，提高水力式升船机工作的可靠性与可行性。
【IPC分类】E02C5-02
【公开号】CN104775411
【申请号】CN201510072907
【发明人】赵兰浩, 郭博文, 张伟, 李同春
【申请人】河海大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年2月11日