浮筒式垂直升船机论文

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从十九世纪末到二十世纪六十年代，德国人设计建造了好几座浮筒式垂直升船机。如1899年建成的亨利兴堡老升船机（Henrichenburg），1938年建成的罗特塞升船机（Rothensee），1962年建成的亨利兴堡新升船机（Henrichenburg/Waltrop)。

亨利兴堡老升船机

图中近处为罗特塞升船机

亨利兴堡新升船机

浮筒式垂直升船机适用于升程不高的升船机工程，因为升程高需在下游河床高程以下修建很深的竖井，不但受地质条件约束，还会给工程带来许多麻烦。据说尼德芬诺（Niederfinow）升船机曾准备选用浮筒式垂直升船机方案，因亨利兴堡老升船机运行几十年没出什么事故，运行安全可靠。但最终没被选用，主要原因是地质条件差，修建深竖井有困难。尼德芬诺升船机升程37m，如采用浮筒式垂直升船机方案，需在下游河床高程以下修建90m深的竖井。

浮筒式垂直升船机由上、下游闸首（含工作门、启闭机等）、导向柱、承船厢室、承船厢、浮筒、竖井、提升机构等组成。

它与平衡重式垂直升船机的主要不同就是利用浮筒从水中获得浮力来抵消承船厢的重力，而不是利用平衡重块。从而不需要设置数量众多的钢丝绳、滑轮、卷筒及平衡重块，使承船厢变得十分简洁美观。其次是它采用螺母螺杆装置既作为升船机的提升装置又作为安全装置。

现以亨利兴堡新升船机为例介绍浮筒式垂直升船机。

亨利兴堡新升船机最大提升高度,承船厢有效长度，有效宽度，船厢内水深，能满足级欧洲型船舶通航。

升船机活动部分总重约,其中承船厢内水重，厢体自重（金属结构及设备）,两个浮筒及支架重。

两只直径为高为的浮筒排水量共为，其获得的浮力可抵消升船机活动部分的全部重量。应该注意的是浮筒直径越大升降时遇到的水阻力便越大。减小浮筒直径虽然可以减小水阻力，但却增加了浮筒高度，从而竖井深度必须加深。

浮筒顶部装有高的支架,支架顶部与承船厢底部铰接，支架的有效高度，必须大于升船机最大升程。

竖井设在承船厢室底部，见图。竖井的深度应大于浮筒高度与升船机最大升程之和，竖井与浮筒之间的间隙，应能满足浮筒在竖井中自由升降，间隙过小会增大浮筒运动时的阻力，从而增加升船机的动力消耗。亨利兴堡新升船机的竖井内径,竖井深度,浮筒直径,浮筒高度，升船机最大升程。

竖井顶部设有井盖，安装在浮筒顶部的支架穿过井盖上预留的孔洞与承船厢底部实现铰接。升船机运行时，在提升装置——螺母螺杆的作用下，浮筒与承船厢一起升降。无论承船厢在什么位置，浮筒都必须完全淹没在水中。这样才能与承船厢始终保持平衡，将承船厢的全部重量抵消。应该说浮筒式升船机升降时所需克服的阻力是最小的，因为它只需克服浮筒在水中升降时遇到的阻力，其他类型的升船机则不然。

当承船厢与下闸首对接时，浮筒下沉至竖井最深处，此时浮筒下端部所受水压可达，为抵消水压对浮筒产生的应力，减轻浮筒结构重量，防止浮筒漏水，将浮筒分为上、下两个隔离仓并充有压缩空气，上隔离仓充气压力,下隔离仓充气压力,并将充入浮筒的空气预先进行干燥处理。

当承船厢在高位时，浮筒上的支架露出水面，当承船厢在低位时，支架沉入水中，这样浮力就会产生变化。在浮筒下隔离仓中设一下端敞开的平衡仓（直径、高），当浮筒下沉时，平衡仓内的空气被水压缩，浮筒上升时水压减小平衡仓内的空气便膨胀，从而抵消了因支架露出或淹没于水中产生的浮力变化。

浮筒四周设有导向轮，导向轮沿安装在竖井内壁上的导轨作垂直运动。

在承船厢室两侧对称布置四座高的钢筋砼导向柱。导向柱的横截面为凹形，凹槽中装有提升螺杆及导轨。提升螺杆直径,，高，重。

升船机的4台提升电机（直流电机）分别安装在四座导向柱顶部的机房内，通过减速器可驱使提升螺杆旋转，并通过安装在承船厢上与其旋合的固定螺母，带动承船厢以的速度升降。在四根提升螺杆的底部，用同步轴、联轴节及换向齿轮等组成一封闭的刚性同步系统。同步系统安装在承船厢室有防护设施的钢筋砼沟槽中。当其中一台电机因故障退出运行，其它三台电机通过同步系统依然可以保证升船机平稳升降。

运行时提升螺杆与螺母始终相互磨擦，由于承船厢与上、下游水位的每次对接不可能没有偏差，以及对接时上、下游水位发生变化造成承船厢的超、欠载，都可能加剧提升螺杆与螺母的磨擦和磨损。为保护提升螺杆使其少受磨损，利用青铜制作螺母，并将其设计成分瓣结构，便于检修、维护时更换磨损过量的青铜螺母。

提升螺杆上、下两端的支座从结构上保证了不论承船厢上升还是下降提升螺杆始终受拉而不受压。

升船机运行时，安装在承船厢两侧的导向轮在弹簧的推动下紧紧压在安装在导向柱凹槽内的导轨上，防止承船厢前后、左右摆动。导轨是可以调整的，当发现歪斜时可进行调整。

下闸首挡水门和承船厢上、下游侧闸门一样，均选用下沉式反弧门，因为下游水位变化很小。而上闸首工作门则选用垂直提升平板门，以适应上游水位变化。在承船厢上、下游侧的下沉式反弧门外围设有U形止水密封框，对接时液压装置将U形止水密封框推向上或下闸首，沿反弧门外围封闭了承船厢与上或下闸首对接面之间的间隙，使其不漏水。实现承船厢与上或下游航道的连通。

升船机的安全保障设计考虑了以下情况：

1、承船厢超、欠载。

2、承船厢在最低位置超载。

3、承船厢满载而浮筒浮力全部消失（负的最大不平衡力）。

4、浮筒浮力正常承船厢内水全部漏空（正的最大不平衡力）。

当承船厢超、欠载出现不平衡，且不平衡力达到设计允许值时（下降时不平衡力达到,上升时不平衡力达到），提升电机自动停机，提升螺杆随之停止旋转，由于螺纹的自锁作用，承船厢被牢牢地锁定在四根提升螺杆上。即使遇到正的最大不平衡力或负的最大不平衡力，螺母、螺杆及导向柱也完全能够承担。

升船机的运行操作完全自动化，其运行程序为：

以船舶上行为例

①、船舶驶入承船厢后，关闭承船厢下游侧及下闸首的下沉式反弧门。

②、泄掉围在承船厢下游侧端面、下闸首对接面及U形止水密封框中的水。

③、缩回U形止水密封框。

④、解除承船厢锁定装置，顶紧装置的作用。

⑤、启动提升电机使承船厢平稳上升。

⑥、与上闸首对接，投入锁定及顶紧装置。

⑦、液压装置将承船厢上游侧U形止水密封框推出，顶向上闸首对接面。

⑧、向被U形止水密封框围住的承船厢上游端面及上闸首对接面之间的间隙充水，使其与上游航道及承船厢内水位持平。

⑨、打开承船厢上游侧的反弧门及上闸首平板门，使承船厢内的水与上游航道的水相互连通，船舶离开承船厢，驶向上游航道。

船舶下行与上行程序一样，仅仅方向相反。关闭和开启的闸门不一样。

亨利兴堡老升船机、新升船机及罗特塞升船机虽然都是浮筒式垂直升船机，它们的结构却不尽相同。如亨利兴堡老升船机及新升船机的提升装置采用螺杆转螺母不转的方案。罗特塞升船机则采用螺母转螺杆不转的方案。亨利兴堡老升船机同步系统装在导向柱顶部而新升船机则装在承船厢室钢筋砼基础上。现将三座升船机的主要参数列于下表，以供参考。