一种水力驱动式升船机系统摩擦力测量方法与流程

本发明涉及一种水力驱动式升船机系统摩擦力测量方法，具体是一种水力驱动式升船机系统摩擦力的直接测量方法，属于航道工程监测领域。

背景技术：

升船机是一种能够克服较大水头差、为船舶提供快捷过坝的通道，与船闸并列为两种主要通航建筑物型式，尤其适用于高坝通航。德国、比利时等欧洲国家大型升船机建设技术水平较高，我国大型升船机起步较晚，但近年来发展迅猛，一批代表性的大型升船机陆续建成，并创造了多项世界之最。规模最大的长江三峡齿轮齿条爬升式升船机已于2016年9月试通航，最大提升重量15500t，最大提升高度113m，船厢有效水域尺寸120m×18m×3.5m(长×宽×水深)，可通过3000t大型船舶；单级提升高度最大的乌江构皮滩钢丝绳卷扬式升船机，最大提升高度127m，可通过500t船舶，目前正在安装调试；我国原创的景洪水力驱动式升船机于2016年8月试通航，可通过500t船舶，也是目前我国建成的最大的船厢下水式升船机。上述三座升船机是目前大型垂直升船机三种主要型式的代表。

升船机系统摩擦力大小一直是设计单位和运行部门较为关注的。系统摩擦力对升船机设计和运行影响主要体现在如下几个方面：设计过程中提升机构的选取，摩擦力对机械系统磨损，摩擦力叠加其他荷载对升船机安全性影响等，对于水力驱动式升船机，浮筒大小和配水也受摩擦力制约。

摩擦力测量方法有很多，最简单的摩擦力测量方法为初中物理课本介绍的，采用弹簧秤拉动木块做匀速直线运动的摩擦力测量方法。在相关摩擦力测量方法中，气缸摩擦力测量文献较多。其测量方法大致分为两种，其一为采用气压驱动，实时测量活塞两端进气腔和排气腔的压力，根据摩擦力和活塞上气压力的平衡方程来间接计算出静、动摩擦力，可称为气缸摩擦力的间接测量法；其二为采用外部牵引驱动，外部驱动元件与气缸之间通过力传感器连接，采集力传感器的输出，结合运动方程获得气缸的静、动摩擦力，可将该方法称为直测法。

水力驱动式升船机是我国自主研发的新式升船机，其相关的机械性能需要通过直接监测获得。现有技术的主要缺陷在于：

(1)水力驱动式升船机是一种新的升船机型式，其摩擦力主要包含了卷筒与卷筒支座、同步轴与轴承支座、船厢导轮与升船机导轨之间的摩擦力，均为滚动摩擦力。摩擦力组成项目多，影响因素复杂，没有合适的方法进行测量。

(2)传统的测量方法都是针对卷扬式升船机的，直接在钢丝绳上设置拉力计来测量，技术复杂并且对船闸正常运行有较大的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种水力驱动式升船机系统摩擦力测量方法，以获得水力驱动式升船机的系统摩擦力大小。

本发明达到上述目的的技术方案是：一种水力驱动式升船机系统摩擦力测量方法，从升船机整个系统考虑升船机摩擦力，在竖井底部布置水位传感器和竖井顶部布置激光位移传感器，通监测升船机匀速上行与下行或换向过程中竖井水位和浮筒位置数据，计算出浮筒浮力变化，进而转换为升船机系统摩擦力。

一种水力驱动式升船机系统摩擦力测量方法，实现系统摩擦力测量的原理是：

(1)在船厢匀速上行和下行及换向过程中，由于系统摩擦力对相对运行的阻碍作用，导致浮筒浮力发生变化；

(2)监控竖井水面和浮筒位置，可以得到浮筒浮力变化；

(3)将按时间序列变化的浮筒浮力转化为按船厢高程变化的浮筒浮力，并通过同一船厢高程上行和下行浮筒浮力之差得到同一高程浮力变化值；

(4)船厢上、下行及换向过程同一高程浮筒浮力变化值为系统摩擦力4倍，即可得到船厢初步全行程系统摩擦力。

(5)为了解决上下行过程中阀门开启过程船厢加速运行不满足匀速条件，考虑到阀门开启时间较短，加速度影响对船厢运行距离作用较短，将上行及下行计算出的初步系统摩擦力按高程每5m进行平均，得到该高程处的系统摩擦力。

本发明一种水力驱动式升船机系统摩擦力测量方法，包括以下步骤：

(1)安装传感器；具体包括在竖井底部安装水位传感器，竖井顶部安装激光位移传感器；竖井底部的水位传感器用来测量竖井的水位，竖井顶部激光位移传感器用来测量浮筒顶部到激光位移传感器布置位置之间的距离；

(2)测量和计算船厢上行浮力及浮力过程；船厢起动上行，水位传感器以1hz-100hz频率采集竖井水面高程，得到采集井水位时间变化曲线；激光位移传感器以1hz-100hz频率采集浮筒顶部到激光位移传感器的距离，得到浮筒到激光位移传感器距离-时间变化曲线；

浮筒顶高程减去竖井水面高程得浮筒出水高度，将浮筒总高减去浮筒出水高度可以得到浮筒入水深度，据此可以计算浮筒浮力；

fu＝ρ(h1-(h2u-h3u)·s)·g+fv(a)

其中fu船厢上行时为浮筒所受浮力，h1为浮筒圆筒段高度，h2为船厢上行期间浮筒高程，h3为船厢上行期间竖井水面高程，s为浮筒圆筒段截面积，g为重力加速度，ρ是水体密度；浮筒fv为浮筒非圆筒段浮力，并且此段一直处于水下。将上行浮力fu与船厢运行位置建立关系，形成上行浮力fu随船厢上行位置变化曲线；

(3)测量和计算船厢下行浮力及浮力过程；船厢起动下行，水位传感器以1hz-100hz频率采集竖井水面高程，得到采集井水位时间变化曲线；激光位移传感器以1hz-100hz频率采集浮筒顶部到激光位移传感器的距离，得到浮筒到激光位移传感器距离-时间变化曲线；

浮筒顶高程减去竖井水面高程得浮筒出水高度，将浮筒总高减去浮筒出水高度可以得到浮筒入水深度，据此可以计算浮筒浮力；

fd＝ρ(h1-(h2d-h3d)·s)·g+fv(b)

其中fd为船厢下行期间浮筒浮力，h1为浮筒圆筒段高度，h2d为船厢下行期间浮筒高程，h3d为船厢下行期间竖井水面高程，s为浮筒圆筒段截面积浮筒，g为重力加速度；由此得到船厢下行时浮筒浮力fd；ρ是水体密度，fv为浮筒非圆筒段浮力，并且此段一直处于水下。

将下行浮力fd与船厢运行位置建立关系，形成下行浮力fd随船厢位置变化曲线；

(4)计算船厢在同一高程处的摩擦力为：

其中t为船厢侧钢丝绳拉力，m为浮筒质量，g为重力加速度，fd为船厢下行期间浮筒浮力，fu船厢上行时为浮筒所受浮力浮筒，f为系统摩擦力；

(5)将初步摩擦力按每5m高程进行平均以消除阀门开启过程加速度的影响，则得到上下行过程中某高程处系统摩擦力；

(6)换向过程中由于浮筒位置不变，仅为竖井水位变化，升船机系统摩擦力变现为静摩擦力，故其无需考虑加速度影响。

本发明具有以下优点：

(1)本发明提供了一种全新的利用浮力方法极其简单地测量水力式升船机系统摩擦力的方法；

(2)测量元件少，仅需在卷筒一侧布置传感器；

(3)可得到了全行程升船机的系统摩擦力，对水力驱动式升船机运行全程系统摩擦力有了深入认识，并对升船机设计和运行方式起到了理论指导作用。

附图说明

图1本发明方法水力驱动式升船机原理示意图；

图2本发明方法水力驱动式升船机竖井水位-时间过程线；

图3本发明方法水力驱动式升船机浮筒高程-时间过程线；

图4本发明方法水力驱动式升船机船厢高程-时间过程线；

图5本发明方法水力驱动式升船机浮筒浮力-船厢高程关系线；

图6本发明方法水力驱动式升船机系统摩擦力-船厢高程关系线。

具体实施方式

下面结合附图给出实施例并对本发明进行具体描述。

实施例一

附图1为水力驱动式升船机示意图，附图2为水力驱动式升船机下行受力示意图，附图3为水力驱动式升船机上行受力示意图。1为卷筒，2竖井，3为浮筒，4为船厢，5竖井水面，6为钢丝绳，7为动滑轮，13水位传感器，14激光位移传感器。

水力驱动式升船机下行过程为向竖井2充水，竖井水位5上升驱动浮筒3上升，船厢4和浮筒3通过钢丝绳6绕过卷筒1连接，浮筒3上升，驱动船厢4下降，该过程即为升船机下行过程，上行过程与之相反。

本发明一种水力驱动式升船机系统摩擦力测量方法，步骤如下

(1)安装传感器；在竖井2底部布置水位传感器13，竖井2顶部安装激光位移传感器14，见附图1，竖井2底部的水位传感器13用来测量竖井2的水位，竖井2顶部激光位移传感器14用来测量浮筒3顶部到激光位移传感器14布置位置之间的距离；

(2)测量和计算船厢4上行浮力及浮力过程；船厢4起动上行，水位传感器13以1hz-100hz频率采集竖井2水面高程，得到采集井水位时间变化曲线；激光位移传感器14以1hz-100hz频率采集浮筒3顶部到激光位移传感器14的距离，得到浮筒3到激光位移传感器14距离-时间变化曲线；

浮筒3顶高程减去竖井2水面高程得浮筒3出水高度，将浮筒3总高减去浮筒3出水高度可以得到浮筒3入水深度，据此可以计算浮筒浮力；

fu＝ρ(h1-(h2u-h3u)·s)·g+fv(a)

其中fu船厢上行时为浮筒所受浮力，h1为浮筒圆筒段高度，h2u为船厢上行期间浮筒高程，h3u为船厢上行期间竖井水面高程，s为浮筒圆筒段截面积，g为重力加速度，ρ是水体密度；fv为浮筒非圆筒段浮力，并且此段一直处于水下。

(3)测量和计算船厢4下行浮力及浮力过程；船厢4起动下行，水位传感器以1hz-100hz频率采集竖井2水面高程，得到竖井水位时间变化曲线如图4；激光位移传感器14以1hz-100hz频率采集浮筒3顶部到激光位移传感器14的距离，得到浮筒3到激光位移传感器14距离-时间变化曲线；

浮筒3顶高程减去竖井2水面高程得浮筒3出水高度，将浮筒3总高减去浮筒3出水高度可以得到浮筒3入水深度，据此可以计算浮筒浮力；

fd＝ρ(h1-(h2d-h3d)·s)·g+fv(b)

其中fd为船厢下行期间浮筒浮力，h1为平衡重圆筒段高度，h2d为船厢下行期间浮筒高程，h3d为船厢下行期间竖井水面高程，s为浮筒圆筒段截面积，g为重力加速度；由此得到船厢下行时浮筒浮力fd；ρ是水体密度，fv为浮筒非圆筒段浮力，并且此段一直处于水下。

(4)计算船厢在同一高程处的摩擦力为：

其中t为船厢侧钢丝绳拉力，m为浮筒质量，g为重力加速度，fd为船厢下行期间浮筒浮力，fu船厢上行时为浮筒所受浮力，f为系统摩擦力；

(5)将初步摩擦力按每5m高程进行平均以消除阀门开启过程加速度的影响，则得到上下行过程中某高程处系统摩擦力；

(6)换向过程中由于浮筒位置不变，仅为竖井2水位变化，升船机系统摩擦力变现为静摩擦力，故其无需考虑加速度影响。

实施例二

以某水力驱动式升船机为例，升船机浮筒高16.8m，竖井与浮筒之间的环状间隙面积为30.19m，浮筒底部锥形体体积为18m³，共16个浮筒，水力驱动式升船机系统摩擦力测量步骤如下：

(1)安装传感器；具体包括在竖井底部安装水位传感器，竖井顶部安装激光位移传感器；竖井底部的水位传感器用来测量竖井的水位，竖井顶部激光位移传感器用来测量浮筒顶部到激光位移传感器布置位置之间的距离；

(2)测量和计算船厢上行浮力及浮力过程；船厢起动上行，水位传感器以100hz频率采集竖井水面高程，得到采集井水位时间变化曲线，见附图4；激光位移传感器以100hz频率采集浮筒顶部到激光位移传感器的距离，得到浮筒高程-时间变化曲线，见图3，同时，由于钢丝绳将浮筒与船厢连接，根据钢丝绳长度，可以将浮筒高程-时间变化曲线转换为船厢高程-时间变化曲线，见图4；

浮筒顶高程减去竖井水面高程得浮筒出水高度，将浮筒总高减去浮筒出水高度可以得到浮筒入水深度，据此可以计算浮筒浮力；

fu＝ρ(h1-(h2u-h3u)·s)·g+fv(a)

其中fu船厢上行时为浮筒所受浮力，h1为浮筒圆筒段高度，h2u为船厢上行期间浮筒高程，h3u为船厢上行期间竖井水面高程，s为浮筒圆筒段截面积，g为重力加速度，ρ是水体密度；fv为浮筒非圆筒段浮力，并且此段一直处于水下；将上行浮力fu与船厢运行位置建立关系，形成上行浮力fu随船厢高程变化曲线，见图5；

(3)测量和计算船厢下行浮力及浮力过程；船厢起动下行，水位传感器以100hz频率采集竖井水面高程，得到采集井水位时间变化曲线；激光位移传感器以100hz频率采集浮筒顶部到激光位移传感器的距离，得到浮筒到激光位移传感器距离-时间变化曲线；

浮筒顶高程减去竖井水面高程得浮筒出水高度，将浮筒总高减去浮筒出水高度可以得到浮筒入水深度，据此可以计算浮筒浮力；

fd＝ρ(h1-(h2d-h3d)·s)·g+fv(b)

其中fd为船厢下行期间浮筒浮力，h1为平衡重圆筒段高度，h2d为船厢下行期间浮筒高程，h3d为船厢下行期间竖井水面高程，s为浮筒圆筒段截面积，g为重力加速度；由此得到船厢下行时浮筒浮力fd；ρ是水体密度，fv为浮筒非圆筒段浮力，并且此段一直处于水下；将下行浮力fd与船厢运行位置建立关系，形成下行浮力fd随船厢高程变化曲线，见图5；

(4)计算船厢在同一高程处的摩擦力为：

其中t为船厢侧钢丝绳拉力，m为浮筒质量，g为重力加速度，fd为船厢下行期间浮筒浮力，fu船厢上行时为浮筒所受浮力，f为系统摩擦力；

(5)将初步摩擦力按每5m高程进行平均以消除阀门开启过程加速度的影响，则得到上下行过程中某高程处系统摩擦力，见图6；

(6)换向过程中由于浮筒位置不变，仅为竖井水位变化，升船机系统摩擦力变现为静摩擦力，故其无需考虑加速度影响，整个水力驱动式升船机摩擦力-船厢高程位置关系线见图6。