直立式岸電設(shè)施接電箱升降裝置設(shè)計

陳 軒，陳仲盛

(1.長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002；2.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430060)

岸電設(shè)施是指船舶停靠后，通過岸上供電系統(tǒng)獲取船舶所需的電力，用以取代燃油發(fā)電的設(shè)施[1-2]。隨著長江航運(yùn)的快速發(fā)展，特別是三峽船閘通過能力的飽和，長江三峽庫區(qū)錨地經(jīng)常停靠大量的待閘船舶，這些船舶停靠期間在消耗大量燃油的同時，也產(chǎn)生了大量污染物和噪聲，對生態(tài)環(huán)境和居民有較大影響，因此三峽庫區(qū)錨地岸電設(shè)施的建設(shè)十分必要，且符合“碳中和”“碳達(dá)峰”的國家發(fā)展戰(zhàn)略[3-4]。

在此背景下，長江岸電設(shè)施的建設(shè)發(fā)展迅速，沿線有吳淞國際郵輪碼頭、嘉興蘆花蕩水上服務(wù)區(qū)、銅陵市東苑碼頭、瑞昌市公用碼頭、岳陽城陵磯港口、宜昌秭歸縣秭歸港、朝天門港、瀘州港以及仙人橋錨地等先后建成了岸電設(shè)施，既減少了污染物排放，也取得了一定經(jīng)濟(jì)效果。

目前，長江上岸電設(shè)施建設(shè)大多是針對港口碼頭，三峽庫區(qū)錨地水位隨著季節(jié)性調(diào)度落差較大，位置較為偏僻，岸電設(shè)施建設(shè)較少，設(shè)計和管理難度大。已建三峽庫區(qū)仙人橋錨地岸電設(shè)施的電纜卷筒位于系靠船墩頂部，接電箱設(shè)置在可垂直移動的平臺上，通過電纜的收放實現(xiàn)平臺的升降，以適應(yīng)不同水位的接電需求，平臺重力由輸電電纜直接承擔(dān)。

JTS 155—2019《碼頭岸電設(shè)施建設(shè)技術(shù)規(guī)范》明確斜坡式岸電設(shè)施供電電纜不應(yīng)承受額外拉力，對于直立式岸電設(shè)施雖未有此規(guī)定，但為確保輸電安全，設(shè)計1套避免供電電纜承受額外載荷的接電箱升降裝置具有十分重要的意義。

1 工程概述

本工程位于宜昌市秭歸縣舊州河河口附近的三峽大壩庫區(qū)。受三峽庫區(qū)調(diào)度，該區(qū)域最大水位落差達(dá)30 m，其水位變化曲線見圖1。

圖1 三峽庫區(qū)水位變化

錨地共有8個錨位，單個錨泊點(diǎn)由2座直立式系靠船墩組成。1#～6#錨位為非易燃易爆危化品錨泊區(qū)，每個錨位并靠4艘5 000噸級危化品船。7#、8#錨位為易燃易爆危化品錨泊區(qū)，每個錨位并靠2艘5 000噸級危化品船。工程中需預(yù)留岸電設(shè)施，但由于目前國內(nèi)尚無危化品船供應(yīng)岸電的規(guī)定和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，故暫不考慮向其供應(yīng)電力；待國家或者行業(yè)出臺危化品船岸電相關(guān)規(guī)定和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)后，且電氣專業(yè)設(shè)計時已考慮防爆等安全方面的要求時，再考慮向其供應(yīng)電力。1#～6#錨位可同時停靠4艘5 000噸級普通貨船，為滿足遠(yuǎn)期普通貨船停靠時的用電需求，對錨位進(jìn)行了岸電設(shè)施的設(shè)計，船上受電系統(tǒng)相應(yīng)進(jìn)行設(shè)計和改造，錨地工程中僅考慮岸上供電系統(tǒng)的設(shè)計。錨位平面見圖2。

圖2 錨位平面

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，船舶受電采用400 V/50 Hz等級，單個錨位功率按照320 kW設(shè)計，可滿足4艘普通貨船岸電需求。

由于錨地最高與最低水位落差達(dá)30 m，因此設(shè)計的岸電設(shè)施需要能夠適應(yīng)大水位落差，且其輸電電纜需避免承受自重以外的載荷。

2 岸電系統(tǒng)的總體設(shè)計

針對工程需求，結(jié)合水工結(jié)構(gòu)設(shè)計的系靠船墩形式，設(shè)計了1套直立式岸電設(shè)施，見圖3。

圖3 岸電設(shè)施三維視圖

設(shè)計的岸電設(shè)施主要由電纜卷筒、提升絞車、接電箱、接電箱平臺、軌道等組成。電纜卷筒和提升絞車置于系靠船墩的頂部；軌道設(shè)置在系靠船墩側(cè)面，其截面為H形；接電箱位于接電箱平臺上方，可沿軌道上下運(yùn)行。非供電狀態(tài)時，接電箱平臺位于軌道最頂端；船舶用電前接電箱隨接電箱平臺下降至合適的高度以方便船舶接電；用電完成后，接電箱平臺再次上升至導(dǎo)軌最上方。

對于供電方，設(shè)計的岸電設(shè)施現(xiàn)場無人值守，后方一對多值守；受電方可通過手機(jī)終端程序進(jìn)行自助操作完成用電。為確保受電安全，船上受電電纜需預(yù)留一定長度，且在接電箱平臺底部設(shè)置雷達(dá)測距儀。當(dāng)水位上升時，若水位距離小于閾值，升降裝置將會自行上升一段距離；當(dāng)水位下降時，船上受電電纜可自動適應(yīng)水位變化。受電方還可根據(jù)實際情況申請下降接電箱平臺。

為保證供電安全，輸電電纜不宜承受自重以外的載荷，接電箱平臺的運(yùn)行需另設(shè)提升絞車驅(qū)動。電纜卷筒采用變頻控制，與提升絞車共同由岸電管理系統(tǒng)集中控制。升降運(yùn)行時，變頻式電纜卷筒提供的力矩與其輸出電纜長度的重力相對應(yīng)，提升絞車采用恒張力模式被動運(yùn)行；非運(yùn)行狀態(tài)時，提升絞車和電纜卷筒同步制動，確保載荷的分配。在該控制模式下，接電箱平臺的驅(qū)動及其結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計將是岸電設(shè)施設(shè)計中的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

3 接電箱升降裝置

3.1 總體設(shè)計

接電箱升降裝置主要由提升絞車、滑輪組和接電箱平臺組成，其中接電箱平臺是接電時直接使用的平臺，提升絞車和滑輪組組成接電箱平臺的提升機(jī)構(gòu)，見圖4a)。

3.2 接電箱平臺

3.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

接電箱平臺作為船舶接電時的直接使用平臺，需要根據(jù)實時水位和停靠的船型運(yùn)行至合適的高度位置。結(jié)合工程實際情況，接電箱平臺由面板、桁架結(jié)構(gòu)、運(yùn)轉(zhuǎn)件(滾輪1和滾輪2)、吊耳、欄桿、人梯等組成，見圖4b)、4c)。

圖4 接電箱升降平臺三維視圖

具體來說，人梯用于搭接船舶，方便人員進(jìn)入平臺接電；運(yùn)轉(zhuǎn)件起導(dǎo)向和限位作用，共有4處，每處均由滾輪1、2組成，工作時，均處于軌道H形鋼的凹槽內(nèi)，滾輪1用于限制接電箱平臺y向偏移，滾輪2限制其x向偏移；吊耳與接電箱提升機(jī)構(gòu)的滑輪組相連，由提升絞車驅(qū)動。

3.2.2接電箱平臺結(jié)構(gòu)驗算

Inventor是一款三維可視化BIM軟件[5-6]，其構(gòu)件生成器模塊可以快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)的三維建模，構(gòu)件解析器能夠方便快捷地實現(xiàn)桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。因此，本文以Inventor軟件為依托，對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗算。

接電箱平臺的主體受力結(jié)構(gòu)是桁架結(jié)構(gòu)。驗算時，對于欄桿、接電箱、面板等可視為載荷，因此只需對主體承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，見圖5。

圖5 接電箱平臺桁架結(jié)構(gòu)

桁架結(jié)構(gòu)除承受自重外，還將承受接電箱等附件重力。當(dāng)人員進(jìn)入平臺接電時，主體桁架還將承受人體重力載荷，此時其結(jié)構(gòu)受力最為嚴(yán)峻，對接電工況進(jìn)行以下校核驗算。

1)施加約束。對接電箱平臺的桁架結(jié)構(gòu)，根據(jù)其工作原理，在其運(yùn)轉(zhuǎn)件和吊耳處設(shè)置位移約束。在吊耳處節(jié)點(diǎn)約束z軸方向的位移，在4處運(yùn)轉(zhuǎn)件安裝節(jié)點(diǎn)均約束x、y軸方向的位移，見圖6。

圖6 約束和載荷

2)施加載荷。對于桁架結(jié)構(gòu)自重，在軟件中直接設(shè)置重力加速度即可；對于人員、接電箱等附加載荷，以連續(xù)均布載荷的形式施加，通過折算，綜合載荷取值為5 kPa，見圖6。

3)計算分析。對于構(gòu)件無需進(jìn)行網(wǎng)格劃分即可進(jìn)行分析計算。桁架應(yīng)力分布見圖7。最大應(yīng)力為29.17 MPa，該處桿件為鋼管，其尺寸為φ76×6-1 908 mm，按照壓桿穩(wěn)定性折算，其應(yīng)力值為52.55 MPa，桿件材料為Q235B，強(qiáng)度許用應(yīng)力值為150 MPa，設(shè)計的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

圖7 桁架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

3.3 接電箱平臺提升機(jī)構(gòu)

接電箱提升機(jī)構(gòu)由1臺提升絞車和1套滑輪組組成，滑輪組見圖8。

注：F為鋼絲繩牽引端拉力；FQ為接電箱平臺傳遞給滑輪組的載荷；α為分配系數(shù)，在0～1之間。

滑輪組由3個滑輪和鋼絲繩組成動滑輪組。滑輪1為定滑輪，起導(dǎo)向作用；滑輪2、3為動滑輪，其旋轉(zhuǎn)軸固定在接電箱平臺的吊耳處；鋼絲繩的牽引端與提升絞車相連，另一端固定。滑輪組傳動比為2:1，則有：

F=0.5ηFQ

(1)

式中：F為鋼絲繩牽引端拉力；FQ為接電箱平臺所需提升力；η為滑輪組效率，取值0.95。

以接電箱平臺上行為例，其主要承受的載荷見圖9。

注：G為重力載荷(含接電箱等附重，圖中以重心偏向于線l24為例繪制載荷受力分布)；Tzd為支承摩擦阻力f1、f2、f3、f4；Fx和Fy為x軸和y軸方向限位的支反力(圖中點(diǎn)1～4處)；a、b為平臺平面的邊長。

根據(jù)接電箱平臺運(yùn)轉(zhuǎn)件形式和工作條件分析，接電箱平臺所需提升力FQ為：

(2)

對于本結(jié)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)件滾輪，采用的是滑動軸承，其摩擦阻力為：

(3)

式中：P為作用在滑動軸承上的作用力；R為滾動輪半徑；fh為滑動摩擦系數(shù)，取值0.3；r為滾動軸半徑；f為滾動摩擦系數(shù)，取值1 mm。

對于作用力P，根據(jù)力和力矩平衡方程解得：

(4)

式中：xG和yG為接電箱平臺作用點(diǎn)在圖9所示坐標(biāo)系oxyz下的x和y坐標(biāo)。

將設(shè)計的參數(shù)代入上述公式，重力載荷G以其在x、y向各偏離幾何中心50%計算，可得提升絞車的牽引力F為7.5 kN。根據(jù)鋼絲繩使用要求，選擇的鋼絲繩安全系數(shù)不小于14，據(jù)此，選用10 kN牽引力的提升絞車，能夠滿足升降要求。

4 結(jié)論

1)調(diào)研和分析了三峽庫區(qū)舊州錨地岸電設(shè)施的使用狀況和建設(shè)條件，設(shè)計1種能夠滿足庫區(qū)大水位差的直立式岸電設(shè)施方案，且避免了輸電電纜承載。

2)應(yīng)用Inventor軟件對接電箱平臺進(jìn)行三維建模和力學(xué)分析，并進(jìn)行強(qiáng)度校核計算，確保了設(shè)計的安全性。

3)設(shè)計了一種動滑輪組和提升絞車結(jié)合的提升機(jī)構(gòu)，通過空間力學(xué)分析，計算接電箱平臺所需的牽引力，選擇10 kN牽引力的提升絞車可確保設(shè)計的合理性。