一种垂直升船机物理模型试验装置及方法

1.本发明涉及升船机技术领域，具体为一种垂直升船机物理模型试验装置及方法。


背景技术：

2.钢丝绳卷扬式垂直升船机是包括混凝土塔柱、机械传动、承船厢和流体及厢内船体于一体的大型复杂系统。目前国内正在金沙江下游预研的200m级高扬程卷扬式垂直升船机是迄今为止全世界拟建的单级提升高度最大的卷扬式垂直升船机。根据通航要求，该升船机要将重达17200t的承船厢、厢内水体及3000t级的船舶在高程上提升近200m，其运行安全性不容有失。
3.目前，国内外针对卷扬式垂直升船机运行过程中承船厢纵倾运动稳定性的研究仍不明晰，工程设计与验证依据不够完善，目前的理论及仿真分析方法很难准确的计算。迫切需要通过整体耦合系统比例物理模型的试验研究来进一步提升设计的可靠性。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种垂直升船机物理模型试验装置及方法来解决上述卷扬式垂直升船机运行过程中承船厢纵倾运动稳定性的研究相对局限的问题。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
6.一种垂直升船机物理模型试验装置，包括水平滑台、混凝土塔柱模型、主动提升机械传动机构、承船厢模型、船体模型以及激振装置；所述混凝土塔柱模型包括两个相对架设于水平滑台上的混凝土塔柱，两个混凝土塔柱之间形成有容纳承船厢模型的升降通道；所述承船厢模型设置于混凝土塔柱模型顶端且与承船厢模型传动连接，用于带动承船厢模型沿升降通道升降；所述承船厢模型内形成有用于容纳船体模型的矩形空腔，所述矩形空腔内填充有厢内水体；所述船体模型漂浮于厢内水体上；所述激振装置与水平滑台相连，用于激振水平滑台以进行承船厢纵向地震模拟。
7.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
8.进一步，所述主动提升机械传动机构包括两组分别布置于承船厢模型两侧沿正上方的同步轴；所述同步轴设置有多个卷筒；所述卷筒传动连接有转矩平衡钢丝绳；所述转矩平衡钢丝绳的一端与承船厢模型相连，另一端设置有转矩平衡重块；所述同步轴端部驱动连接有低速轴传动装置，用于驱动同步轴旋转。
9.进一步，所述主动提升机械传动机构还包括设置于同步轴上的定滑轮，所述定滑轮上传动连接有重力平衡钢丝绳；所述重力平衡钢丝绳的一端与承船厢模型相连，另一端设置有重力平衡块。
10.进一步，所述水平滑台为方形台面以及布置于方形台面下方的直线导轨装配而成。
11.进一步，所述方形台面为镁合金制成。
12.进一步，所述混凝土塔柱为c混凝土结构。
13.进一步，所述承船厢模型为有机玻璃制成，所述厢内水体内填充有染料。
14.进一步，所述承船厢模型内矩形空腔的腔内四角均设有与矩形空腔相连的弹性缆绳。
15.进一步，所述承船厢模型沿混凝土塔柱侧设置有导向轮以及与导向轮相连的弹簧与阻尼器；所述混凝土塔柱内侧壁沿长度方向布置有与导向轮相配合的轨道。
16.一种基于所述装置的垂直升船机物理模型试验方法，包括以下步骤：
17.s1、模拟承船厢模型正常运行工况的动力学特性；
18.s2、模拟承船厢模型在非同步纵倾运行工况的动力学特性；
19.s3、模拟承船厢模型锁定状态纵向地震工况的动力学特性；
20.s4、模拟承船厢模型模拟正常同步提升及纵向地震耦合工况的动力学特性；
21.s5、模拟承船厢模型非同步纵倾运行工况及纵向地震耦合工况的动力学特性；
22.s6、模拟承船厢模型、厢内水体以及船体模型的动力学特性。
23.本发明的有益效果是：本发明涉及的垂直升船机物理模型试验装置及方法，通过模拟传统钢丝绳卷扬式垂直升船机正常同步提升运行工况、非同步纵倾运行工况、锁定状态纵向地震工况、正常同步提升及纵向地震耦合工况、非同步纵倾运行及纵向地震耦合工况五种正常、非正常以及极端运行工况下多体耦合系统的动力响应特性，为探究承船厢纵倾运动稳定性机理提供实验数据支撑，同时可为钢丝绳卷扬式垂直升船机的设计提供参考，保障运行安全。
附图说明
24.图1为本发明整体结构示意图；
25.图2为本发明结构俯视图；
26.图3为本发明图1中a处的放大图。
27.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
28.1、水平滑台，2、混凝土塔柱模型，3、主动提升机械传动机构，31、同步轴，32、卷筒，33、转矩平衡钢丝绳，34、转矩平衡重块，35、低速轴传动装置，36、定滑轮，37、重力平衡钢丝绳，38、重力平衡块，4、承船厢模型，5、船体模型，51、厢内水体，6、激振装置，7、弹性缆绳，8、导向轮，9、弹簧，10、阻尼器，11、轨道。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
30.需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语中“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型结构。对于本领域的普通技术人员，可以根据具体情况理解该类术语在本专利中的具体含义。
31.本发明提供了一种垂直升船机物理模型试验装置及方法来研究升船机在正常运行、液压调平、纵向地震等工况下各部分的动力学特性及承船厢的纵倾运动稳定性。
32.如图1和图2所示，本发明具体设计的垂直升船机物理模型试验装置，包括水平滑
台1、混凝土塔柱模型2、主动提升机械传动机构3、承船厢模型4、船体模型5以及激振装置6；混凝土塔柱模型2包括两个相对架设于水平滑台1上的混凝土塔柱，两个混凝土塔柱之间形成有容纳承船厢模型4的升降通道；混凝土塔柱为c30混凝土结构，混凝土塔柱比例物力模型为根据重力失真相似比尺简化的比例模型。承船厢模型4设置于混凝土塔柱模型2顶端且与承船厢模型4传动连接，用于带动承船厢模型4沿升降通道升降；承船厢模型4内形成有用于容纳船体模型5的矩形空腔，矩形空腔内填充有厢内水体51；船体模型5漂浮于厢内水体51上；激振装置6与水平滑台1相连，用于激振水平滑台1以进行承船厢纵向地震模拟。
33.需要说明的是，本发明通过水平滑台1模拟混凝土塔柱塔基，通过混凝土塔柱模型2模拟原升船机混凝土塔柱，通过主动提升机械传动机构3模拟升船机主动提升机械传动系统，通过承船厢模型4模拟原升船机承船厢，通过船体模型5模拟船舶，在主动提升机械传动机构3的带动下对承船厢模型4进行提升以模拟出船舶在进入升船机后提升的完整过程，另外也可以单独分析混凝土塔柱在地震响应下的鞭梢效应及动力学特性。
34.本发明通过模拟传统钢丝绳卷扬式垂直升船机正常同步提升运行工况、非同步纵倾运行工况、锁定状态纵向地震工况、正常同步提升及纵向地震耦合工况、非同步纵倾运行及纵向地震耦合工况五种正常、非正常以及极端运行工况下多体耦合系统的动力响应特性，为探究承船厢纵倾运动稳定性机理提供实验数据支撑，同时可为钢丝绳卷扬式垂直升船机的设计提供参考，保障运行安全。
35.具体的，主动提升机械传动机构3包括两组分别布置于承船厢模型4两侧沿正上方的同步轴31；同步轴31设置有多个卷筒32；卷筒32传动连接有转矩平衡钢丝绳33；转矩平衡钢丝绳33的一端与承船厢模型4相连，另一端设置有转矩平衡重块34；同步轴31端部驱动连接有低速轴传动装置35，用于驱动同步轴31旋转。需对承船厢模型4进行提升时，在低速轴传动装置35驱动同步轴31以带动卷筒32，在转矩平衡钢丝绳33的牵引下提升承船厢模型4，同时转矩平衡重块34下降平衡承船厢模型4以及厢内水体51的质量，以减少对同步轴31和主动提升机械传动机构3荷载。
36.其中，低速轴传动装置35可以采用伺服电机低速驱动，同步轴31两端均可布置一个伺服电机同步驱动。当两同步轴31上的低速轴传动装置35同步运转时，即可保证承船厢模型4正常提升；当两同步轴31上的低速轴传动装置35存在一定转速差，则可使两同步轴31上的转矩平衡钢丝绳33产生位移高度差，出现纵倾状态。
37.另外，主动提升机械传动机构3还包括设置于同步轴31上的定滑轮36，定滑轮36上传动连接有重力平衡钢丝绳37；重力平衡钢丝绳37的一端与承船厢模型4相连，另一端设置有重力平衡块38。承船厢模型4进行提升时，同步轴31带动定滑轮36同步旋转，通过重力平衡钢丝绳37进一步分散同步轴31和主动提升机械传动机构3的荷载。
38.具体的，水平滑台1为方形台面以及布置于方形台面下方的直线导轨装配而成，方形台面尺寸1200*1200mm，厚度为50mm，方形台面为镁合金制成，最大负载500kg。激振装置6采用hsv系列液压振动试验系统，正弦推力范围从25kn到300kn，频率范围从而0.1hz到300hz，具备低频率，大推力，大位移特点，可适用于承船厢纵向地震模拟，在非地震工况激振系统不工作。
39.具体的，承船厢模型4为有机玻璃制成，厢内水体51内填充有染料，通过在厢内水体51填充微量燃料，可以直观反映出承船厢模型4运行时厢内水体51以及船体模型5的运行
情况。承船厢模型4内矩形空腔的腔内四角均设有与矩形空腔相连的弹性缆绳7，通过弹性缆绳7进行柔性固定，避免船体模型5位置过于偏离。
40.如图3所示，具体的，承船厢模型4沿混凝土塔柱侧设置有导向轮8以及与导向轮8相连的弹簧9与阻尼器10；混凝土塔柱内侧壁沿长度方向布置有与导向轮8相配合的轨道11，通过相互匹配的导向轮8和轨道11保证承船厢模型4能沿承船厢模型4高度方向随动，如果承船厢模型4发生侧倾，在弹簧9与阻尼器10的弹性支撑下，也能保证两侧的导向轮8紧贴轨道，以限定承船厢模型4移动方向。
41.本发明还提供了一种垂直升船机物理模型试验方法，以研究升船机在不同工况下可靠性。
42.本实施例所涉及的垂直升船机物理模型试验方法，可模拟以下工况：
43.工况一：
44.模拟承船厢模型4正常运行工况的动力学特性；在工况一下，激振装置6不工作，水平滑台1为静止状态。同步启动两同步轴31上低速轴传动装置35，保证两同步轴31同步转动，固定在同步轴31上的卷筒32以及定滑轮36均同步转动，使得转矩平衡钢丝绳33以及重力平衡钢丝绳37同步带动承船厢模型4提升，以模拟承船厢模型4正常运行工况。
45.工况二：
46.模拟承船厢模型4在非同步纵倾运行工况的动力学特性；在工况二下，激振装置6不工作，水平滑台1为静止状态。启动两同步轴31上低速轴传动装置35，且保证两同步轴31上的低速轴传动装置35存在一定转速差，两同步轴31上的卷筒32以及定滑轮36存在一定的转速差，使得两侧转矩平衡钢丝绳33以及重力平衡钢丝绳37出现位移高度差，使得承船厢模型4出现纵倾状态，以模拟承船厢模型4正常运行工况。
47.工况三：
48.模拟承船厢模型4锁定状态纵向地震工况的动力学特性；在工况三下，低速轴传动装置35不工作。激振装置6进入工作状态输出地震信号，通过激振水平滑台1，以带动混凝土塔柱模型2出现振动，混凝土塔柱模型2将振动激励传递给承船厢模型4以及船体模型5，以模拟地震工况。
49.工况四：
50.模拟承船厢模型4模拟正常同步提升及纵向地震耦合工况的动力学特性；在工况四下，激振装置6进入工作状态输出地震信号，通过激振水平滑台1，以带动混凝土塔柱模型2出现振动，混凝土塔柱模型2将振动激励传递给承船厢模型4以及船体模型5。同时，同步启动两同步轴31上低速轴传动装置35，保证两同步轴31同步转动，固定在同步轴31上的卷筒32以及定滑轮36均同步转动，使得转矩平衡钢丝绳33以及重力平衡钢丝绳37同步带动承船厢模型4提升，以模拟在正常传动路径上带动承船厢模型4接受纵向地震激励。
51.工况五：
52.模拟承船厢模型4非同步纵倾运行工况及纵向地震耦合工况的动力学特性；在工况五下，激振装置6进入工作状态输出地震信号，通过激振水平滑台1，以带动混凝土塔柱模型2出现振动，混凝土塔柱模型2将振动激励传递给承船厢模型4以及船体模型5。同时，启动两同步轴31上低速轴传动装置35，且保证两同步轴31上的低速轴传动装置35存在一定转速差，两同步轴31上的卷筒32以及定滑轮36存在一定的转速差，使得两侧转矩平衡钢丝绳33
以及重力平衡钢丝绳37出现位移高度差，使得承船厢模型4出现纵倾状态，以模拟传动路径带动承船厢模型4在侧倾状态接受纵向地震激励。
53.工况六：
54.模拟承船厢模型4、厢内水体51以及船体模型5的动力学特性；在工况六下，将混凝土塔柱模型2拆卸，直接将承船厢模型4固定在水平滑台1上。激振装置6进入工作状态输出地震信号，通过激振水平滑台1，从而分析不同激励作用下承船厢模型4、厢内水体51以及船体模型5整体的耦合动力学特性。
55.以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。