基于自動化裝卸的斜面式升船機多船運輸系統?

楊曉霞 蔡顯赫

（華北水利水電大學水利學院 鄭州 450046）

1 引言

隨著水利工程建設的快速發展，我國已經成為在大、中型水利樞紐上修建升船機最多的國家［1～2］。特別是近30年以來，升船機技術的發展進入一個新的階段，型式也越來越新穎［3］。已建成的斜面升船機的型式，主要有縱向鋼絲繩卷揚機牽引式、橫向鋼絲繩卷揚機牽引式及縱向自爬升式三種［4］。相對于垂直升船機，斜面式升船機具有節約運輸成本、減少工程投資、避免高空建筑產生的復雜技術難題及設計和運轉方面也沒有太大問題等優點［5］。承船廂隨機械提升或平移，使船舶能夠安全、快速過壩［6］。然而，當承船廂沿斜面運動時，會經歷斜面變速、廂體出入水、以及與緩沖擋板碰撞減速的過程，而且在運行過程中會引發廂內水體晃動，導致廂內船體上下顛簸，甚至傾覆，增加了安全隱患［7］，因此提高其安全性和穩定性成為一個亟待解決的問題。

雖然國內外已建成的大中型斜面升船機的數量較少，但承載能力卻已達到千噸級別［8～11］，如表1所示。目前我國通航建筑物絕大多數都集中在大中型水利樞紐上，關于中小型的斜面式升船機的研究較少［12～14］，而且已建成的斜面升船機還存在過壩效率低，安全性能不穩定等缺陷。本文針對斜面式升船機存在的不足提出了一種新型承船廂斜面運輸系統，可以實現自動化裝卸船舶，同時可以承載多條船只，提高運輸效率，并設置PLC安全監測控制器系統實時監控船舶的位置，提高安全系數。

表1 國內外大中型斜面式升船機主要參數

2 新型斜面式升船機的工作原理

在上游和下游之間修建斜面并平鋪設斜面軌道，斜面軌道上安置承船廂，設置有驅動承船廂沿斜面運動的驅動機構和傳動機構，承船廂底部向下連接載廂架，載廂架的底面為斜面，并與運輸區斜面保持一致，載廂架底部安裝的軌道輪與斜面軌道配合裝配，載廂架的頂面為平面，與承船廂底部連接，見圖1。

圖1 新型斜面升船機運動簡圖

承船廂上側的四個頂角位置豎向都固定立柱，立柱上端都固定安裝旋轉起吊裝置，見圖2。旋轉起吊裝置包括回轉機構，回轉機構上設置伸縮吊臂、吊繩及吊鉤，位于承船廂前端的一對旋轉起吊裝置的吊鉤同時吊裝船舶的兩側吊裝位，將船舶從上游水位移至承船廂內，位于承船廂后端的一對旋轉起吊裝置的吊鉤同時吊裝船舶的兩側吊裝位，將船舶從承船廂移至下游水位。

圖2 承船廂起吊裝置示意圖

3 船舶入廂運動系統

當船舶從上閘首駛入承船廂時，首先操控承船廂前端的旋轉起吊裝置延伸至船舶對應的起吊位上方，控制吊繩的長度，見圖3，然后根據所需同時運輸船舶（見圖5）的數量，選擇PLC控制面板上的相對應的模式（見圖4），再選擇控制面板上的裝船啟動，PLC控制器同步控制旋轉起吊裝置上的回轉機構收集吊繩，使船舶穩定上升至安全高度，此后船舶會沿運輸中心線水平縱向向乘船廂中部上方移動。

圖3 船舶進入承船廂示意圖

圖4 PLC控制器面板

圖5 多船運輸船槽

船舶移動到位置B時，此時液壓伸縮吊臂全部停止收縮運動并開始延伸運動，此時船舶繼續水平縱向向承船廂中部上方移動，當船舶移動到位置C后，PLC控制器停止對旋轉起吊裝置的回轉機構和液壓伸縮吊臂的控制，轉為同步控制其滑輪機構，使船舶穩定下降至乘船廂中部的停放區域。

船舶吊放完成后，啟動斜面軌道頂部的卷揚機，載廂架按卷揚機的放繩速度沿斜面軌道向下閘首移動。

4 安全監測系統

4.1 工作原理

旋轉吊臂將船舶調入承船廂底部的船槽時，因為人工或機械引起的系統誤差使船舶與凹槽的位置存在相對偏差，使船舶不能順利放入凹槽中，從而發生安全隱患。為此，提出了偏移量監測監控系統，它包括承船廂左右兩側壁的內置滑軌、水平滑桿，水平滑桿升降機構、監控船舶側面距離的傳感器等，見圖6。

承船廂左右兩側的內壁上都設有承船監控裝置，包括豎向的滑軌組和橫向的水平滑桿，滑軌組包括間隔固定在承船廂內壁上的兩條滑軌，水平滑桿的左右兩端中部都設有電動滑塊，電動滑塊對應嵌套在滑軌內并可沿滑軌上下同步滑動，水平滑桿上均布置用于監控船舶側面距離的傳感器。滑軌的上下兩端都對稱，并設有限位塊，為了防止電動滑塊滑出滑軌并與乘船廂底部發生碰撞使得水平滑桿上的傳感器損壞，設計了兩個參數防止事故的發生，設限位塊的高度為a，水平滑桿的高度為b，其中滿足：

承船廂四角的旋轉起吊裝置之間的廂底設有停放區域，水平滑桿的長度與停放區域的長度相同，使水平滑桿上傳感器監控范圍覆蓋整個停放區域，實現高精度監控，同時停放區域可均勻劃分為多個停船位，提高運輸效率。

圖6 偏移量監控結構示意圖

4.2 固定裝置系統

當船舶放入承船廂底部的凹槽后，為了保證其能夠在斜面上安全運輸，還需要設計船舶固定系統，見圖7。其包括升降槽的固定柱、固定柱上端的擋環、通過支撐彈簧固定連接在一起的升降柱與升降槽、擋環與升降柱之間的密封圈、貫穿支撐殼與升降柱圓周側面的L形抽氣通道，支撐殼內密封固定套裝的吸盤、貫通升降槽的抽氣孔以及抽氣孔通過抽氣管連接的抽氣泵。始終確保固定系統中的升降槽內處于負壓狀態。

吸盤固定裝置豎向固定于凹槽底部，吸盤固定裝置上端的支撐殼和吸盤凸出凹槽，設吸盤上端面凸出凹槽的長度為c，吸盤固定裝置在未擠壓狀態下升降柱圓周側面的抽氣通道口與固定柱上的抽氣孔之間的垂直距離為d，其中有：

當旋轉起吊裝置將船舶停放在停船位后，船舶底部會將凸出凹槽的吸盤固定裝置擠壓進凹槽，此時吸盤與船舶底部緊密接觸，升降柱圓周測的抽氣通道口被擠壓進升降槽內，此時吸盤通過抽氣通道與升降槽貫通，通過抽氣泵的持續抽氣使吸盤與船體底部之間達到負壓，讓吸盤固定在船舶底部，由此通過停船位上的吸盤固定裝置吸附在船舶底部，增加船舶在運輸過程的穩定性。

圖7 固定裝置結構示意圖

5 結語

目前關于中小型斜面式升船機在中小型河道中的應用研究較少，而且還存在運輸效率較低、安全隱患較大等缺點。為了解決以上問題，本文提出一種斜面式升船機承船廂多船運輸系統，其有如下優勢：

1）承船廂底部可布設多船位的船槽，實現多船同時運輸的目的，提高運輸效率；

2）船槽內安裝的固定裝置增強了船舶在承船廂內的穩定性，提高了安全系數；

3）通過特定的安全監測系統，可以實時監控船舶的停放位置，預防和調整船舶運轉過程中發生偏移等不穩定情況，同時精確糾正船舶與船槽的偏移問題。