滑块式浮式系船柱设计与研究

2016-07-16司敬阳

工程与建设 2016年2期

关键词：滚轮船闸滑块

司敬阳

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥　230011 )

滑块式浮式系船柱设计与研究

司敬阳

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥230011 )

摘要：为了保证船舶过闸的安全，国内所有已建或在建船闸的闸室都采用浮式系船柱，它是确保船舶在闸室充泄水过程中，起着保护船舶自身安全作用的，是一个随着水位变化能与船舶同步起伏的装置；目前，国内浮式系船柱的运行机构，都是采用滚轮作为运行方式的，其结构较复杂，存在易锈蚀、易松动、运行噪音大等缺点。滑块式浮式系船柱采用滑块作为浮式系船柱的运行机构，滑块材质采用高分子材料，具有结构简单、耐腐蚀、维护简便、运行阻力小、几乎无噪声等优点。

关键词：浮式系船柱；滑块；滚轮；船闸

船闸是一个用来保证船舶顺利通过且有水位落差的建筑物，也是内河航道上应用最广的一种通航水工建筑物。为了保证船舶能够安全顺利过闸，在闸室的翼墙上设置了很多系船柱和系船钩，船舶在闸室待泊时，用缆绳系与系船柱和系船钩[1]；过去，由于经济和技术上的原因，系船柱和系船钩都是固定在闸室翼墙上；在过闸过程中，闸室不断充、放水，闸室水位随时变化，船员为确保船舶在闸室待泊安全，不停地解缆、系缆。过闸过程中，船员不仅劳动强度大，而且有时还会造成安全事故。如今，为了减少船员的劳动强度，消除过闸时的安全隐患，不少船闸都采用了能随水位变化的浮动的系船柱，即浮式系船柱，确保船舶在闸室内一次系缆到位，不需像以前那样不停地解缆、系缆[2]。

浮式系船柱，由浮筒、支撑架、系船柱和导向滚轮系组成的，支撑架固定在浮筒的上部，系船柱设置有两组，分别设置在浮筒和支撑架的顶部，而导向滚轮系设置有六组，分别设置于浮筒上部、底部和支撑架顶部的两侧，且每组导向滚轮系均包括横向的主滚轮和纵向的侧滚轮，横向主滚轮和纵向侧滚轮上下为层叠设置，且滚动轴相互垂直，浮式系船柱的整体结构如图1所示。另外，为放置浮式系船柱，在闸室翼墙上，竖直设置有浮筒库，系船柱的导向滚轮系设置在浮筒库的导轨内[3]；为防止系船柱横向转动，系船柱两侧导轨采用U结构设计。系船柱的浮筒只能随水位的变化上下升降，从而保证其与系于其上的船舶缆绳相对固定，方便船员的操作；此外，两层系船柱可满足不同吨级、空载或满载的船舶系泊要求，减少固定系船柱建设成本，减少船舶过闸时由于闸室水位变化引起的解系缆次数，提高过闸安全性。为保证在闸室内各船舶都能很好地系缆，闸室每隔一段都设置一套浮式系船机构。

图1　滚轮式系船柱

1浮式系船柱现状

目前，国内已建或在建的船闸，基本上都是在闸室翼墙上的浮筒库内，安装浮式系船柱。而系船柱的运行机构基本都是采用滚轮作为运动模式，滚轮运行及受力状态明确，它可在浮筒库内的轨道上自由运行[4]；当船舶系缆时，其系缆力是通过缆绳传递给浮式系船柱，而系船柱上的力，再通过浮筒上的滚轮传递给浮筒库内轨道，再传递给闸室翼墙；因此，系船柱上的滚轮不仅要传递船舶的系缆力，而且还要能保证浮式系船柱的上下运动；因此，系船柱滚轮系的制作、安装、运行的好坏，直接影响船舶系缆的安全。

由于浮式系船柱的运行机构是滚轮，为了保证系船柱在浮筒库内很好定位，系船柱的滚轮系则需安装横向主滚轮和纵向侧滚轮；主滚轮和侧滚轮转动方向不同，相差90°，由于浮筒库导轨空间有限，主滚轮和侧滚轮只能上下放置；为保证系船柱定位准确，系船柱滚轮系设为6套，则整个浮式系船柱共设有6套主滚轮及6套侧滚轮。每套滚轮均由滚轮、衬套、轴、支座、锚固螺栓组成的，见图2所示，钢制滚轮通过衬套套在浮筒支座的转轴上，滚轮在转轴上运转，不仅把系缆力传递到导轨及翼墙上，而且可随水位上下自由运动。

图2　滚轮机构

目前，国内所运行船闸的浮式系船柱，基本上都是采用这种滚轮机构的运行模式，它虽然受力、运行机理明确，但还存在以下系列问题：① 主、侧滚轮因受力及方向形式不同，需要生产2套不同类型的滚轮装置。② 主、侧滚轮座需通过螺栓与浮筒相连，钻孔及安装精度要求高。③ 滚轮衬套密封措施差，水中泥沙容易进入滚轮衬套与转轴的缝隙中，且造成滚轮衬套与转轴间的磨损或卡死。④ 河水中的酸碱成分易造成滚轮及转轴的锈蚀，影响滚轮的转动，增大了运行阻力。⑤ 滚轮在轨道上运行是采用线接触，接触应力大，易造成轨道或滚轮的触蚀，在其运行表面形成坑坑洼洼的斑点。⑥ 主滚轮接触应力大，运行轨道需强化处理，只能采用强度较高的碳钢制作，从而导致轨道在水中锈蚀严重。⑦ 磨损、锈蚀，后期运行噪音逐渐加大，震动频率加大，易使滚轮装置的固定螺丝松动，造成滚轮脱落。

2改进措施

由于现有滚轮式浮式系船柱，在生产制作及安装运行上存在诸多缺点，因此，需改变设计理念及思路，并通过近年来市场的走访和调研，结合当今新材料的推广运用，优化出新的的运行结构模式，研究出新型的滑块式浮式系船柱，其主要的运行受力构件是滑块；在滑块材料选择上，采用了高分子耐磨材料[5-6]，它不仅有极低摩擦系数，而且有极高的耐腐蚀性；此高分子材料耐磨、耐腐等优异性能[7-8]，也是通过前几年在安徽省颍上船闸的底枢蘑菇头衬套以及阀门滑块的运行得到的结果；此高分子材料已安全平稳地运行近10 a，而且在此期间没有进行任何保养和维护，性能十分安全可靠。

在设计上，去除原有滚轮式浮式系船柱的滚轮运行机构，改换成如图3所示的滑块装置。每套装置采用3面滑块构件，见图4所示，替代了原浮式系船柱的主、侧滚轮，每套运动系需加工的零部件数量，从原先(主、侧滚轮)的8件，减少到3件，且加工工艺简单、重量轻、造价低，整个浮式系船柱的运动系用6套滑块装置即可满足要求。

图3　滑块式系船柱俯视图

图4　滑块机构

滑块目前采用的是改性高分子材料，如MGA、MGB等[9]，其水中摩擦系数只有0.02～0.05，可塑性及加工性较好[10]；在运用中，滑块与导轨采用面接触，由于接触面积大，则接触应力相对较小，远低于高分子材料的抗压强度；另外，6套装置都采用3面滑

块，抵消系船力偏心对浮式系船柱运行的影响，保证系船柱位置的相对固定。其滑块式浮式系船柱总图见图5所示。

图5　滑块式系船柱

在滑块座结构设计上，为简化滑块的安装及零部件的加工，除侧滑块安装位置部件为精加工件外，其余都由钢板及角钢拼焊起来的，就连滑块压板也是采用角钢制作的；滑块座的3面滑块是采用2块压板及螺栓进行压实固定，这样，不仅加工工艺简单，而且以后的拆卸维护也更加方便。

由于系船柱滑块是高分子材料，硬度较低，为防止尖状物体对其表面的划伤，在导轨制作上，选用了复合不锈钢钢板作为基材，其表面不仅光滑，而且非常耐腐蚀，滑块在光滑的导轨中运行，其使用寿命大大提高，而且卡槽导轨因耐腐蚀，可终身免维护，一劳永逸。

从以上的描述结果看，滑块式浮式系船柱与滚轮式浮式系船柱相比，有如下优点：① 运动部件采用高分子材料，摩擦系数小，耐腐蚀性强，使用寿命长。② 结构简单，加工、安装简便，滑块间互换性好。③ 滑块装置结构小、重量轻，整个系船柱体积小。④ 不锈钢导轨，结构简单，耐腐蚀性好，使用寿命长，终身免维护。⑤ 运行过程无噪音，无震动，装置运行安全可靠。

3结束语

对比滚轮式与滑块式浮式系船柱，滑块式浮式系船柱无论在性能及结构上都有着无比的优越性，已在安徽省的杨桥船闸及南坪船闸设计上得到了应用，它结构简单、制作便利、重量轻、造价低，一定会在今后新建的船闸中得到广泛地应用。

〔参考文献〕

[1]李家熹．浅谈船闸浮式系船柱的使用和维护[J]．水运工程，1989(2)：25-27.

[2]张星星，陈明栋，巴添．新型浮式系缆装置关键技术及可靠性分析[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2013(3)：125-129.

[3]谷湘.三峡永久船闸浮式系船柱导槽安装[J]水力发电，2001(3)33-34,49,61.

[4]王芳芳，陈明栋，吴时强，等.新型码头浮式系缆装置防卡死技术分析[J].水运工程，2014(5)：52-58.

[5]浦玉萍，吕广庶，王强.高分子基自润滑材料的研究进展[J].航空学报，2004(2)：180-186.

[6]严震，刘慎建，杨胜杰，等.无润滑轴承技术在船闸中的应用研究[J].科技与企业，2012(11)：300-301.

[7]乔红斌，田雪梅，吴芳.高分子自润滑材料研究进展[J].材料导报，2007(10)：24-26.

[8]禹洪亮，尹忠慰.高分子复合材料水润滑轴承的温升实验研究[J].机械研究与应用，2012(1)：54-56.

[9]张红烨，黄承亚，刘春连.无机纳米粒子改性高分子自润滑材料性能研究[J].润滑与密封，2006(2)：155-157.