機(jī)械牽引協(xié)助船舶進(jìn)出船閘技術(shù)論證

齊俊麟

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

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機(jī)械牽引協(xié)助船舶進(jìn)出船閘技術(shù)論證

齊俊麟

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

針對(duì)三峽船閘現(xiàn)行每天運(yùn)行閘次數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)水平的問題，提出采用機(jī)械牽引方式協(xié)助船舶成組快速進(jìn)出閘，將此技術(shù)應(yīng)用于三峽工程水運(yùn)新通道建設(shè)，論證其可行性。

機(jī)械牽引；船舶；通過；船閘

現(xiàn)有三峽雙線五級(jí)船閘設(shè)計(jì)水平年為2030年，設(shè)計(jì)通過能力為1億t，是由6種船型組成的標(biāo)準(zhǔn)船隊(duì)一次進(jìn)閘，按單線運(yùn)行22 h，通過22.1個(gè)閘次[1]，1年工作335 d計(jì)算建造的。從2003年6月三峽船閘投入運(yùn)行以來，到目前基本是以單船為主的方式通過船閘。在船舶大型化的趨勢下，2011年提前19年三峽船閘達(dá)到1億t的設(shè)計(jì)通過能力[2]，這其中的每線每天閘次數(shù)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)水平年的22閘次數(shù)，主要原因是單船自航依次進(jìn)閘、移泊所用的時(shí)間遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)采用船隊(duì)進(jìn)閘、移泊的時(shí)間。目前每線船閘每天24 h不間斷運(yùn)行，每閘次3～6艘單船進(jìn)出閘，每天每線僅能通過15～16閘次[3]。船舶牽引進(jìn)出閘技術(shù)在通航建筑物已有應(yīng)用(如巴拿馬船閘)，尤其是國內(nèi)大型船塢中船舶進(jìn)出船塢牽引技術(shù)的應(yīng)用已非常成熟[4]。如果將單船在船閘上下游引航道、導(dǎo)航墻段進(jìn)行編組成隊(duì)，采用牽引方式實(shí)現(xiàn)船隊(duì)快速進(jìn)出閘，將有可能將每線每天運(yùn)行閘次數(shù)由目前的15～16閘次提高至22閘次。為此，提出機(jī)械牽引協(xié)助船舶進(jìn)出船閘應(yīng)用技術(shù)。

1 機(jī)械牽引的基本工作方式

1.1 船舶過閘機(jī)械牽引系統(tǒng)組成

參照大型浮船塢中船舶牽引方式，船舶過閘機(jī)械牽引系統(tǒng)主要由引船小車、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、牽引繩、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、軌道等部件組成。牽引系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備布置在船閘閘墻內(nèi)或閘面的機(jī)房中，軌道固定安裝于閘墻頂部的閘面上，牽引繩由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)引至導(dǎo)軌上方并與引船小車首、尾相連，見圖1。

引船小車由拖鉤、車架、導(dǎo)向車輪、前后拖拽耳板等組成。拖鉤與車架采用鉸接方式連接，能夠水平轉(zhuǎn)動(dòng)約150°，以適應(yīng)不同牽引角度；鉤頭可繞鉸點(diǎn)向下跌落或向上翻起，松開銷緊裝置，鉤頭可繞鉸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)纜繩快速脫鉤；車架通過若干組導(dǎo)向車輪導(dǎo)向，沿軌道水平直線運(yùn)動(dòng)，通過上、下導(dǎo)向車輪向軌道傳遞豎向受力，通過水平導(dǎo)向車輪向軌道傳遞橫向受力；引船小車通過前后拖拽耳板連接牽引繩，由牽引繩提供引船小車水平運(yùn)動(dòng)的正、反向的縱向牽引力，見圖2。

1.2 機(jī)械牽引系統(tǒng)工作原理

牽引繩由驅(qū)動(dòng)設(shè)備的前滾筒引出通過導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)，連接到引船小車的一端，牽引繩同時(shí)連接引船小車的另一端，通過導(dǎo)向輪機(jī)構(gòu)接回驅(qū)動(dòng)設(shè)備的后滾筒上。驅(qū)動(dòng)設(shè)備通過電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使前后滾筒同向旋轉(zhuǎn)，依靠繩槽與牽引繩之間的摩擦力完成牽引力的加載，其中一滾筒放繩、另一滾筒收繩，使得布置在閘面上的引船小車可跟隨牽引繩沿軌道正、反向移動(dòng)行進(jìn)，見圖3。

引船小車移動(dòng)行進(jìn)完全靠牽引繩傳遞牽引力，牽引小車與被牽引船舶通過拖船纜繩連接，小車通過拖鉤及拖船纜繩帶動(dòng)被牽引船舶移動(dòng)，完成船舶牽引動(dòng)作。

2 機(jī)械牽引應(yīng)用分析

2.1 降低船舶碰撞船閘設(shè)備設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)

圖1 牽引系統(tǒng)布置示意

圖2 引船小車結(jié)構(gòu)示意

圖3 牽引系統(tǒng)原理

1)可代替安裝船閘船舶防撞裝置。船閘防撞裝置的設(shè)置旨在對(duì)事故船舶的位移與速度進(jìn)行限制，由此把事故船舶的制動(dòng)控制到安全距離，以免事故船舶與下閘首人字門相撞，確保船閘的運(yùn)行安全。為防止進(jìn)閘船舶因意外情況撞擊到船閘人字門等重要設(shè)備設(shè)施，在三峽船閘南、北兩線二、三閘首段分別設(shè)置了防撞警戒裝置，其余閘首段沒有安裝。從實(shí)際運(yùn)用效果分析，現(xiàn)有防撞警戒裝置主要是對(duì)船舶進(jìn)出閘時(shí)起到警示作用，作為船舶制動(dòng)防撞的作用不佳，只能起到防撞警示作用，目前三峽南、北兩線船閘其余閘首段和葛洲壩一、三號(hào)船閘也沒有全部安裝安全防撞裝置，仍存在一定的安全隱患。

2)船舶大型化增加了船舶碰撞設(shè)備設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)。過閘船舶日益大型化[5]，增大了單船進(jìn)閘操作駕駛難度，過閘過程中船舶碰撞設(shè)備設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)增加，目前已經(jīng)多次出現(xiàn)船舶觸碰人字門、導(dǎo)航墻等設(shè)備設(shè)施的情況，撞損嚴(yán)重時(shí)船閘需應(yīng)急停航檢修。如2008年1月23日，葛洲壩1#船閘發(fā)生閘門碰撞事故，使關(guān)閉的船閘人字門中上部門體及人行橋受損，停航搶修2天后恢復(fù)運(yùn)行，經(jīng)濟(jì)損失多達(dá)20萬元。2008年4月4日，長洲水利樞紐1#船閘發(fā)生閘門碰撞事故，導(dǎo)致上閘首右邊人字門數(shù)根背拉桿變形，人字門鋼護(hù)弦凹陷，1#船閘被迫退出運(yùn)行，停航搶修41 d后恢復(fù)運(yùn)行。

3)機(jī)械牽引過閘有利于安全可靠制動(dòng)。鑒于牽引系統(tǒng)可提供正、反向的牽引力，理論上通過引船小車在過閘牽引過程的末端，采取反向牽引措施為被牽引船舶提供制動(dòng)力是可行的。采取船舶在導(dǎo)航墻編組成隊(duì)，通過一套動(dòng)力驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)船舶進(jìn)出閘機(jī)械牽引。在進(jìn)閘、移泊和出閘過程中由系統(tǒng)自動(dòng)判斷船舶位置，自動(dòng)判斷船舶減速時(shí)機(jī)，制動(dòng)過閘船舶，規(guī)范船舶進(jìn)出閘方式，可有效降低船舶碰撞船閘人字門等重要設(shè)備設(shè)施的安全風(fēng)險(xiǎn)，從而避免通航建筑物設(shè)備設(shè)施受損，保障通航建筑物運(yùn)行安全。

2.2 能有效提高船舶進(jìn)出船閘的運(yùn)行效率

船舶通過三峽船閘過程包含4個(gè)開關(guān)門過程、2個(gè)沖泄水過程、1個(gè)船舶進(jìn)閘過程和1個(gè)出閘(移泊)過程。閘次間隔時(shí)間由船閘人字門啟閉、輸水時(shí)間、船舶進(jìn)閘時(shí)間以及移泊時(shí)間構(gòu)成[6]。

近年來，三峽通航管理部門通過采取多種措施改善船閘運(yùn)行條件，使得人字門啟閉時(shí)間、輸水時(shí)間總體達(dá)到設(shè)計(jì)水平(每閘次合計(jì)約為40 min)。而在船舶用時(shí)上，船閘設(shè)計(jì)船型采用船隊(duì)，每隊(duì)船舶作為一個(gè)單元進(jìn)閘，船舶進(jìn)閘時(shí)間和移泊時(shí)間分別為10.8 min和8.9 min。實(shí)際運(yùn)行中，2011年以來過閘船舶以單船居多，船隊(duì)占比例不到1%，每閘次一般通過4～5個(gè)船舶單元，多艘船舶依次進(jìn)閘、移泊和系解纜，導(dǎo)致了船舶的進(jìn)閘時(shí)間和移泊時(shí)間均高于船隊(duì)。目前船舶進(jìn)閘時(shí)間約30～40 min，移泊時(shí)間約20 min，每運(yùn)行一閘次耗時(shí)約90 min，高出設(shè)計(jì)指標(biāo)約30多分鐘。目前三峽船閘每天24 h不間斷運(yùn)行，折算為每天運(yùn)行24×60/90=16閘次。現(xiàn)有運(yùn)行工藝條件下, 依靠現(xiàn)行的單船自航進(jìn)出閘方式，進(jìn)一步縮短船閘運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)十分困難。

通過實(shí)行整體牽引方式進(jìn)閘，可以達(dá)到縮短船舶進(jìn)閘時(shí)間、提高船閘運(yùn)行效率的目的。以三峽船閘為例，通過船舶成組編隊(duì)，采取牽引過閘的方式，如果整體牽引進(jìn)閘平均速度達(dá)到1 m/s，整體移泊平均速度達(dá)到0.6 m/s，則有望實(shí)現(xiàn)日運(yùn)行22.1閘次。

2.3 能有效減少碳排放，實(shí)現(xiàn)船舶以綠色環(huán)保的方式通過水運(yùn)新通道

2015年通過三峽、葛洲壩船閘15～16閘次，船舶總功率為4 278.5萬kW，船舶通過三峽船閘全過程超過3 h，通過葛洲壩時(shí)間約為1 h，經(jīng)測算約需1.4萬t柴油。實(shí)施牽引過閘，船舶在過閘過程中關(guān)閉主機(jī)，則2壩船閘全年約可減少柴油1.4萬t的燃油消耗，減少燃燒的污染物排放量(二氧化碳排放約4.2萬t、二氧化硫排放約564 t、氮氧化物排放約752 t)。

3 多級(jí)船閘連續(xù)牽引船舶進(jìn)出閘

3.1 單級(jí)船閘機(jī)械牽引系統(tǒng)布置

單級(jí)船閘牽引系統(tǒng)布置見圖4，在閘室2側(cè)閘面上布置牽引系統(tǒng)，將在導(dǎo)航墻處的成組船舶牽引移泊至閘室內(nèi)部。

圖4 船舶過閘牽引系統(tǒng)布置

3.2 單級(jí)船閘機(jī)械牽引運(yùn)行工藝

過閘船舶在導(dǎo)航墻處按照排擋計(jì)劃進(jìn)行捆綁成組或在其他位置成組后移泊至導(dǎo)航墻，將成組船舶中的首船通過拖船纜繩與左右側(cè)閘墻上的引船小車拖鉤相連。由引船小車帶動(dòng)成組船舶按照設(shè)定速度牽引進(jìn)入閘室內(nèi)部，成組船舶到達(dá)要求停靠位置后引船小車停止運(yùn)行，完成船舶進(jìn)閘見圖5。

圖5 船舶進(jìn)閘牽引示意

成組船舶進(jìn)閘完畢后，船舶與閘室內(nèi)浮式系船柱系緊，解開拖船纜繩；人字門完全開啟后，各船舶在閘室內(nèi)解組并直接駛出閘室，完成過閘,見圖6。

圖6 船舶出閘牽引示意

3.3 多級(jí)連續(xù)船閘機(jī)械牽引運(yùn)行工藝

多級(jí)連續(xù)船閘采用機(jī)械牽引布置，可在單級(jí)船閘牽引基礎(chǔ)上通過分級(jí)布置實(shí)現(xiàn)連續(xù)牽引。現(xiàn)有三峽船閘布置機(jī)械牽引布置由于水工結(jié)構(gòu)已建設(shè)完成，軌道布置十分困難，難以在現(xiàn)有船閘閘面加裝牽引裝置。

如果建設(shè)三峽、葛洲壩水運(yùn)新通道[7]，從利于通航管理和過閘運(yùn)量留有富余等方面考慮，可在土建施工時(shí)增加船舶進(jìn)出閘的牽引裝置，預(yù)埋和安裝相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備，在上下游引航道、導(dǎo)航墻段對(duì)船舶實(shí)施捆綁成組后，由機(jī)械牽引船舶進(jìn)閘、移泊和出閘,見圖7。

圖7 多級(jí)連續(xù)船閘機(jī)械牽引布置示意

4 結(jié)論

1)由機(jī)械牽引船舶進(jìn)出船塢和機(jī)械船舶進(jìn)出船閘(廂)其布置應(yīng)用基本相同，由安裝在每一船塢(閘、廂)邊側(cè)的電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力，通過變速齒輪廂帶動(dòng)的鋼絲繩和定滑輪變向，再由安裝在船塢(閘、廂)邊側(cè)鋼導(dǎo)軌上的小車牽引船舶，船塢(閘、廂)2側(cè)的電機(jī)可通過電氣控制實(shí)現(xiàn)同步。

2)通過調(diào)查，目前國內(nèi)大型船塢采用機(jī)械牽引方式實(shí)現(xiàn)船舶進(jìn)出船塢應(yīng)用是成功的，將這種方式應(yīng)用到船舶進(jìn)出船閘(廂)上沒有大的區(qū)別和難以解決的問題。

3)在具體的工程應(yīng)用上建議做好牽引裝置布置、設(shè)備選型等方面的進(jìn)一步研究。

[1] 水利部長江水利委員會(huì).長江三峽水利樞紐永久船閘單項(xiàng)工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].武漢：水利部長江水利委員會(huì)，1994.

[2] 張義軍,楊利.三峽樞紐船閘年通過量億噸后通過能力提升思考[J].中國水運(yùn)，2016(10)：28-29.

[3] 丁益,程細(xì)得,齊俊麟,等.三峽船閘通過能力影響因素分析[J].船海工程，2013(6)：200-204.

[4] 連政忠,朱剛,鄧智勇,等.某船塢加裝引船防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)[J].船海工程，2013(3)：177-181.

[5] 張義軍,梅競艷.船舶大型化條件下的船閘管理對(duì)策[J].中國水運(yùn)，2015(7)：26-27.

[6] 交通部.船閘設(shè)計(jì)規(guī)范：JTJ305—2001[S].北京：人民交通出版社，2001.

[7] 張緒進(jìn),吳澎,王召兵,等.三峽新通道研究進(jìn)展及主要技術(shù)問題[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，35(增刊1):33-40.

Application Analysis of Mechanical Traction Technology Assisting Ship in and out of the Lock

QI Jun-lin

(The Administrative Bureau of Changjiang Three Gorges Navigation, Yichang Hubei 443002, China)

For the problem current number of lockage every day of the Three Gorges lock can’t meet it’s design level, the mechanical traction technology was put forth to assist the fast grouping for ship in and out of the ship-lock. The application feasibility of this technology in the new channel of Three Gorges project Dam waterway was demonstrated.

mechanical traction; ship; pass through; ship lock

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.04.049

2017-01-03

國務(wù)院三峽辦新通道研究項(xiàng)目(國三峽辦函計(jì)字〔2016〕91號(hào))

齊俊麟(1964—)，男，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師

研究方向：航道工程

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-7953(2017)04-0215-05

修回日期：2017-02-10