一种水力式升船机意外上闸事故的风险预测方法与流程

本发明属于通航水力学领域，涉及一种水力式升船机意外上闸事故工况的风险预测方法。

背景技术：

水力式升船机利用水能作为提升动力，通过输水系统向竖井充、泄水，驱动平衡重升降，经卷筒转向带动承船厢运行，能自动调整平衡重淹没深度以适应船厢出入水产生的重量变化，是我国自主研发的全新升船机型式，总体布置型式见图1。水力式升船机一般采用“2个辅阀+1个主阀”并联构成输水阀门系统，见图3。

水力式升船机顶部安装多组卷筒，通过同步轴形成封闭系统，每组卷筒均安装一套液压盘式制动器，制动器在升船机正常运行时不投入工作，制动盘处于松开状态，若制动器液压管路发生压力泄漏，制动器撑开压力不足以抵挡制动器预压弹簧的收缩力时，制动器会自动闭合造成意外上闸，此外，制动器驱动子站断电、人为误操作等也可能导致制动器的意外上闸。

制动器意外上闸除了会引起船厢加速度及钢丝绳拉力突变、船厢水面波动增大等问题，还可能对同步轴造成机械破坏——制动器一旦上闸、承船厢立即停止运行，此时一般采取关闭输水阀门、事故门的措施截断水流，但是阀门与事故门完全关闭需要耗费一定时间，在此过程中竖井水位将继续变化，平衡重所受浮力会因为竖井水位继续增大或减小而改变，导致卷筒两边出现不平衡力。若没有及时采取有效措施，产生的不平衡力过大，可能引起平衡重漂浮钢丝绳脱槽或制动力不足的现象，一旦制动力不足，制动盘打滑，相邻同步轴扭矩会迅速增大，甚至引起同步轴断裂等严重后果。水力式升船机上、下行过程中制动器意外上闸风险分析如下：

(1)竖井充水船厢下行意外上闸风险分析：输水系统向竖井充水时，若制动器意外上闸，船厢与平衡重立即停止运行，竖井水位继续上升，平衡重浮力增加，卷筒两侧受力不平衡：1)若船厢侧重力对卷筒的作用力矩小于制动器的设计制动力矩，则制动力在任何情况下满足制动要求，但可能会出现平衡重漂浮、钢丝绳松散脱槽的现象；2)若船厢侧重力对卷筒的作用力矩大于制动器的设计制动力矩，则卷筒的制动力为控制条件，在某些运行工况下会出现制动力不足船厢下滑的现象。

(2)竖井泄水船厢上行意外上闸风险分析：竖井经输水系统向下游泄水时，若制动器意外上闸，船厢与平衡重立即停止运行，竖井水位继续下降，平衡重浮力减小，卷筒两侧受力不平衡，则可能出现制动力不足船厢向上滑动的现象。

水力式升船机在运行过程中意外上闸属于极端事故工况，严重威胁升船机的安全，因此在升船机正式投入运行前进行制动器意外上闸风险评估非常必要。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对水力式升船机在运行过程中意外上闸的极端事故工况，提出一种风险评估的方法。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种水力式升船机意外上闸事故的风险预测方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：计算卷筒制动器制动力正好达到制动力设计值的竖井水体变化临界值V_1j；

步骤二：率定充、泄水阀门，上、下游事故门各开度下的局部阻力系数；

步骤三：根据步骤二得到的局部阻力系数计算输水系统的总阻力系数与流量系数；

步骤四：根据步骤三得到的输水系统流量系数及工作水头，通过有压管道流公式计算关门过程中输水系统各时刻的流量；

步骤五：根据步骤四得到的输水系统各时刻的流量，对关门过程整个时间段求积分，计算竖井水体的变化量V；

步骤六：将步骤五计算的竖井水体的变化量V与步骤一中计算的临界值V_1j比较，对升船机在运行过程中制动器意外上闸进行风险评估：若运行过程中任意时刻发生意外上闸事故均满足V≤V_1j，则升船机运行安全；若出现V>V_1j的情况，则升船机存在安全风险。

本发明的优点是：

本发明根据卷筒力矩平衡条件对水力式升船机意外上闸事故进行风险评估，根据卷筒所受力矩与竖井水体变化量之间的相互关系，将机械问题转化为水力学问题，应用有压管道流计算公式通过积分手段计算制动器意外上闸后竖井水体变化量，提出风险预测的方法。水力式升船机利用控制输水阀门开度控制船厢运行速度，该方法可根据阀门开启方式提前对水力式升船机制动器意外上闸这一极端事故工况进行有效的风险预测，防患于未然。这个预测结果反过来也可以验证阀门开启方式是否合理，若意外上闸风险预测不能满足制动力的安全要求，应调整阀门开启方式，从而有效预防风险，保障升船机的运行安全。

附图说明

图1是水力式升船机总体布置图。

图2是水力式升船机制动器意外上闸风险预测方法流程图。

图3是水力式升船机“一主两辅”输水阀门布置型式。

图4是竖井水位变化图(充)。

图5是竖井水面波动图(充)。

图6是充水流量变化图。

图7是竖井水位变化(泄)。

图8是竖井水面波动图(泄)。

图9是泄水流量变化图。

具体实施方式

实施例一

如图2所示，本发明的水力式升船机意外上闸事故的风险预测方法包括如下步骤：

步骤1：根据卷筒力矩平衡条件，结合卷筒制动器的制动力及卷筒、竖井、平衡重尺寸等参数计算制动力正好达到卷筒制动器制动力设计值的竖井水体变化临界值V_1j。制动力设计值即能够提供的最大制动力。

卷筒力矩平衡条件：制动器的制动力矩T_zR_z能够抵抗竖井水体变化量V引起的平衡重侧钢丝绳拉力矩的改变即一旦制动器的制动力T_z达到制动力设计值T_zmax，卷筒处于临界平衡条件，此时竖井水体变化达到临界值若竖井水体变化V继续增加，卷筒将发生转动，船厢失稳。

步骤2：通过物理模型试验或工程原型观测率定充、泄水阀门，上、下游事故门各开度下的局部阻力系数。阀门0～100％开度为全关到全开的过程，实际操作中不可能率定每个开度流量系数，一般率定10％、20％、30％……这样的特征开度，再用线性插值或拟合方法得到阀门各开度的阻力系数。阻力系数率定方法为现有技术，在此不进行赘述。

步骤3：利用充、泄水阀门，上、下游事故门各开度下的局部阻力系数计算各开度组合(n_z,n_f,n_g)下，充、泄水系统的总阻力系数，再利用公式计算输水系统流量系数。

如图3，水力式升船机一般采用“2个辅阀+1个主阀”并联构成输水阀门，输水阀门与事故门串联，输水系统总阻力系数计算公式如下：

步骤4：通过有压管道流公式得到关门过程中输水系统各时刻的流量。关门过程阀门开度在逐渐减小，导致每个时刻输水系统的总阻力系数ξ及流量系数μ不一样，所以不同时刻输水系统的流量Q不同。

步骤5：利用步骤4得到的输水系统各时刻的流量，积分计算在阀门及事故门关闭过程时间t₀内竖井水体的变化量

步骤6：将步骤5计算的竖井水体的变化量V与步骤1中计算的临界值V_1j比较，对升船机在运行过程中制动器意外上闸进行风险评估。若运行过程中任意时刻发生意外上闸事故均满足V≤V_1j，则升船机运行安全；若出现V>V_1j的情况，则升船机存在安全风险。

其中，γ为系数，水力式升船机平衡重系统安装动滑轮时γ＝2，否则γ＝1；卷筒上钢丝绳的缠绕半径为R，单位m；每个制动器的制动力为T_z，单位kN；每个制动器的最大制动力设计值为T_zmax，单位kN；制动盘制动半径为R_z，单位m；平衡重截面积为S_p，单位m²；平衡重与竖井间的环行间隙总截面积为S_i，单位m²；t₀为关门时间，即阀门及事故门的关闭总时长，单位s；μ为流量系数；ξ为输水系统总阻力系数；n_z,n_f,n_g分别为主、辅阀、事故门开度；ξ_z,ξ_f,ξ_g分别为主阀、辅阀、事故门开度为n_z,n_f,n_g时对应的局部阻力系数；S_k为阀门处管道截面积，单位m²；S_g为事故门处廊道面积，单位m²；A为输水主管截面积，单位m²；h为工作水头，单位m；ρ为流体密度，单位kg/m³；g为重力加速度，单位m/s²。

实施例二

本发明实施案例为景洪水力式升船机，利用本发明意外上闸事故工况风险预测方法所得出计算值，对比工程测得的实际值结果如下：

(1)竖井充水船厢下行意外上闸

在某充水下行工况，制动器突然抱闸，同时启动关阀、落门程序。竖井水位变化、竖井水面波动、流量分别见图4～图6，抱闸后竖井水位上升0.8m(557.9m～558.7m)，竖井实际增加的水体为38.24m³。

(2)竖井泄水船厢上行意外上闸

在某泄水上行工况，制动器突然抱闸，同时启动关阀、落门程序。竖井水位变化、竖井水面波动、流量分别见图7～图9，抱闸后竖井水位下降1.8m(561.1m～559.3m)，竖井实际减少的水体为86.04m³。

结论：根据计算值与实测值对比分析，误差小于10％，计算结果可靠，见表1。两组意外上闸工况计算所得的过流体积比实际值大，造成抱闸急停工况估算值偏大的原因是抱闸后平衡重固定相当于盖板，增加了系统阻力系数，所以计算过流体积比实际大，计算结果偏安全。

表1卷筒抱闸船厢急停过水体积计算误差

本发明还可以有其它实施方案，只要将卷筒受力的机械问题转化为水力学问题，应用有压管道流计算公式通过积分手段提出水力式升船机意外上闸事故工况进行风险预测的方法，均在本发明要求的保护范围内。