吕内堡垂直升船机-船闸与升船机设计

4.5.7.1 概述

吕内堡（Lüneburg）垂直升船机位于易北支运河上，提升高度38m。下游经运河与易北河水域连接，水位变幅4.5m。

升船机在建设之前，对包括省水船闸，纵、横向斜面升船机，水坡式升船机等多种方案进行了技术、经济比较，最后确定采用双线垂直升船机方案。经对亨利兴堡式的浮筒式垂直升船机和尼德芬诺式的平衡重式垂直升船机两种型式进行比较，由于该升船机的提升高度较大，浮筒井的建设费用较高，因而选择了后者。

吕内堡升船机于1969年开工建设，1975年11月建成，是当时世界上规模最大的垂直升船机。

4.5.7.2 总体布置

吕内堡垂直升船机双线并列布置，结构形式完全相同，主要由上游钢渡槽、上闸首、升船机船厢室段、下闸首和下游引航道等部分组成。承船厢室底板为混凝土结构，4 个混凝土塔柱基础相连，可隔断地下水，上部结构相互独立，布置有承船厢及平衡重的导轨，顶部机房内布置平衡滑轮，承船厢两端由提升式平板门挡水，重量由平衡重平衡，通过设在两侧的驱动系统升降运行。平衡重组布置在塔柱内，与船厢之间通过钢丝绳及平衡链连接，构成封闭的全平衡系统。上闸首挡水工作门，布置在钢渡槽下游端，下闸首上端设挡水工作门，工作闸门由固定卷扬式启闭机操作，并与船厢门联动。

承船厢水域有效尺寸100m×12m×3.5m（长×宽×水深），可一次通过结构和厢内水体总重量5800t，由240根直径54mm的钢丝绳悬吊。承船厢驱动系统采用齿轮—齿条爬升式，安全机构采用长螺杆—短螺母方案，旋转螺母设在承船厢上，螺杆装设在塔柱内侧，两端分别固定在船厢室基础与塔柱顶部结构上。承船厢升降时，安全机构空套在螺杆外的螺母由驱动系统带动旋转，并与驱动系统的小齿轮同步运行。发生船厢超载事故时，驱动机构自动停机，螺母坐在螺杆上，从而将承船厢锁定。

德国吕内堡升船机总体布置，见图4-56。

图4-56 德国吕内堡升船机总体布置图

（a）纵剖面图；（b）平面图

4.5.7.3 承船厢及其设备

（1）承船厢结构。承船厢结构由盛水结构和托架结构两部分组成。承水结构由作为下翼缘的地铺板结构、作为腹板的侧壁及作为上翼缘的走道结构组成，搁置在设有4个支点的两个托架上，托架的位置根据主承重系统进行布置，使支承力矩与跨间力矩相近。每个托架在横向上设1 个固定支座，以承受承船厢的横向载荷，其他支座则为万向铰结构。纵向载荷通过设在上游托架上的1 个附加轴承传递，该轴承不承受垂直载荷。

承船厢两侧在吃水线范围内设置两道护舷，护舷由板桩材料制成，与承船厢侧壁之间垫有橡皮。承船厢两侧分别设两道人行桥，贯穿整个承船厢长度，上部人行桥是承船厢主承载结构的重要组成部分，下部人行桥主要作为进入机房的人行通道。承船厢主材为st52-3。

托架主要由两根用以支承承船厢支座的横梁和两根纵梁构成。纵梁的外侧布置钢丝绳，中间布置承船厢驱动设备及安全机构。所有支承构件均为抗扭箱梁结构。

（2）密封框及工作门。承船厢端面与闸首门面板之间有250mm的间隙，承船厢与闸首对接时，由密封框将该间隙封闭。密封框布置在承船厢的端部，是一个可伸缩式结构，由液压油缸驱动。

密封框通过两侧的支臂结构支承在厢体上，支臂上、下设有托辊，用于密封框移动时的导向，并将密封框的垂直载荷传递至承船厢结构。两只驱动油缸设在支臂附近，并铰接在承船厢结构上。密封框推出后，依靠油缸压力压在闸首闸门上。为防止间隙充水后承船厢后退，密封框由钩形锁定装置锁定在闸首上。

止水橡皮设在闸首上，密封框端面设防锈金属层。密封框与承船厢结构间设U形止水橡胶板作为主止水，另在主止水外侧还设有一道P形副止水，副止水仅在密封框退回时起作用。

承船厢端间闸门采用提升式平板门，面板布置在外侧，两侧各布置两只支承滚轮作为闸门的正、反向支承，底止水采用橡胶板，侧止水采用P形橡皮。闸门本身未设启闭设备，由闸首工作门启闭机操作。闸首工作门上设有挂钩，启闭时钩住船厢门面板上的耳环，使二者一起启闭。

承船厢门前设有防撞装置，该装置由一根横在承船厢门前的钢丝绳及两侧的消能液压缸等组成。钢丝绳距闸门3m，在水面以上1m，呈张紧状态。防撞装置与闸门联成一体，随闸门一起启闭。该装置按照质量为1800t的船舶以0.5m／s的速度正面撞击设计。

（3）水泵系统。随河道水位变化，承船厢与闸首对接前后，厢内水深将发生改变，当水深变化幅度超过±0.1m时，承船厢的驱动机构将由于超载而不能启动，此时，需要对厢内水深进行调节。可逆水泵系统布置在承船厢两端，由管路、电动阀门及可逆式水泵组构成，管路的出入口分别设在承船厢端部和底铺板上，可逆水泵组布置在承船厢侧壁结构内。

实际运行中，每次退出对接前均对厢内水深进行调节。首先，将闸首工作门局部开启，然后启动可逆水泵系统，视承船厢内的实际水深进行充水或排水，至水深误差小于±5mm后，关闭可逆水泵系统。

（4）驱动机构。承船厢有4套驱动机构，小齿轮由机械传动系统驱动，沿装设在塔柱墙壁上的齿条爬升，4套驱动机构间由机械轴连接，以保持同步运行。驱动机构只需克服船厢误载水深的重量、钢丝绳僵硬阻力、系统摩阻力及惯性力等载荷，允许承船厢误载水深±0.1m，每个小齿轮能承受500kN的圆周力。

小齿轮安装在回转杆上，回转杆的上端与一只水平液压弹簧铰接，下端与摇臂铰接，摇臂的另一端则与垂直液压弹簧铰接。水平液压弹簧提供横向压力，以保持齿轮与齿条间的正确啮合，并将齿轮两侧的横向导轮压在导轨上。垂直液压弹簧用于限制齿轮的最大载荷，当齿轮圆周力超过500kN后，弹簧受压变形，造成齿轮与承船厢之间产生垂直相对位移，从而使安全机构的螺纹副间隙消失，将承船厢锁定。

小齿轮由1 台额定功率160kW的鼠笼式交流电动机驱动，电动机采用变频调速。承船厢运行速度为0.24m／s，一次行程约需3min。在电动机与小齿轮之间，由正齿轮减速器和万向轴连接，电动机与减速器之间由弹性柱销联轴器连接，联轴器上装设双面压紧式制动器，该制动器集工作制动器与安全制动器于一体。工作制动器在承船厢行程结束后动作，用于保护机械传动装置，其制动力矩相当于传动力矩；安全制动器在发生事故时制动，制动力矩远远大于传动力矩，能在5s、0.6m的承船厢行程内将船厢刹住。(www.xing528.com)

同步轴系统吊挂在船厢底部，呈工字形，除用于4个小齿轮同步运行外，还保证驱动系统在仅有3 台或2台工作的情况下，升船机也能安全运行。

（5）安全机构。吕内堡升船机安全机构的基本原理，与尼德芬诺升船机相同，安全机构的不同点就是将螺母、螺杆对调了位置。在承重结构上设置了4 根长约50m、外径478mm相对固定的长螺杆。长螺杆分节制造，各节之间由矩形齿螺纹相互联结，其端部固定结构可确保螺杆只承受拉力。在承船厢上对应地设置了4个与驱动机构相联系，随承船厢升降围绕长螺杆空转的短螺母。将事故载荷从承船厢托架传至螺杆，是通过与驱动机构同步运行的旋转螺母实现的。在正常情况下，螺母与螺杆的螺纹之间，上、下均有30mm的间隙。螺柱梯形螺纹的螺距为150mm，升角满足自锁条件。每个螺母内有7 个螺距，两端有青铜轴衬，轴衬紧靠螺杆外圆运行，以达到对螺母的定心作用。旋转螺母支承在橡胶垫上，可补偿因载荷变动而造成的支架变形。

如发生承船厢漏水、承船厢水深超过、船厢室进水等事故时，承船厢与平衡重之间的平衡遭到破坏，事故安全装置便投入工作，与小齿轮回转杆的下端摇臂另一端铰接的垂直液压弹簧受压变形，造成齿轮与承船厢之间产生垂直相对位移，从而使安全机构的螺纹副间隙逐渐消失，直至承船厢锁定在螺杆上，不平衡载荷由4 根长螺杆传递至塔柱基础或顶部。

4.5.7.4 平衡重系统

平衡重块采用高容重混凝土材料，混凝土块高6.8m、宽3.4m、厚0.32m，以铁矿石作骨料，混凝土块容重为3.56t／m3。每个平衡重块约重26t。

每个平衡重块的两侧设有凹槽，槽内容纳平衡重组的安全梁。在安全梁的上、下方均设有缓冲器，当一根钢丝绳断裂时，该平衡重块将落在缓冲器上，以避免对平衡重系统的冲击。

在每组平衡重中间设置配重框，内部装设用于精确调整平衡重重量的铁块，每组配重最重可达34t。

为平衡钢丝绳重量随承船厢升降产生的变化，在平衡重组与承船厢底部之间，布置有4条平衡链。平衡链采用钢丝绳串挂铸铁板的型式，平衡链单位长度重370kg／m。

每个平衡重块分别由一根钢丝绳悬吊，钢丝绳直径54mm，其破断拉力与实际载荷之间有7倍的安全系数。通过对多种不同结构型式的钢丝绳的疲劳试验，最后选出了内外各8股、有一股钢丝绳绳芯、内外绳股中间填塞有塑料细绳的特制钢丝绳。根据试验，钢丝绳在升船机实际运行条件下，可以正常使用45年。

4.5.7.5 闸首设备

（1）上闸首。上闸首由钢渡槽、挡水工作门及其启闭机、防撞装置、闸首塔架结构等组成。渡槽用于连接升船机的承船厢与上游外港，形成上游坝段至升船机的过渡段。渡槽有两跨构成，每跨长42.50m，跨距36.50m，两端悬臂6m。渡槽净宽12m，两侧墙高6.5m，平行布置。渡槽之间及渡槽与外港混凝土结构之间采用双层橡皮止水。

上闸首工作门布置在渡槽下游端，渡槽上设有门槽及导向结构，闸门面板布置在外侧，两侧分别装设两个纵向导轮和一个侧向导轮，底止水采用扁形橡皮，侧止水为P形橡皮。在闸门底坎下方的渡槽结构内设置了两个横向空箱，外侧空箱作为上游间隙水的集水箱，内侧空箱则作为人行通道及上游两岸间电缆与液压管路的连接通道。在闸门止水座板及间隙水箱外壁，均设置了电加热装置，用于冬季将相应结构加热，避免结冰影响升船机运行。

上闸首工作门由两根链条悬吊，链条的另一端则与配重块相连，配重块的重量小于闸门重量，保证关闭状态下闸门对底坎有一定的压力。启闭机布置在塔架的顶部，两台启闭机之间由同步轴相联。在闸门全部开启位置，布置有液压式闸门锁定装置，在正常情况下，闸门并不置于锁定上。

为保护上闸首工作门免遭船只撞击，在闸门的上游设置了防撞装置。防撞装置由钢丝绳、缓冲油缸及摆臂机构组成。摆臂可在竖直平面内旋转，过船时可以绕一侧的转轴仰起，让开过船通道，平时则横在上游水道水面上，钢丝绳安装在摆臂结构上，可随摆臂一同转动。

（2）下闸首设备。升船机为适应下游4.5m的水位变幅，采用了活动式门框结构。

活动式门框是一个中部设有工作门槽，可上、下调整位置的钢结构，门框由两侧22m高的钢结构塔架及挡水面板高5.28m的下部横向结构组成，两侧塔架布置工作门启闭机，并兼作闸门导向。下闸首挡水工作门布置在活动门框的槽口内。当下游航道的水位变化量超过300mm时，需调整门框位置。门框的升降由两台柱塞式油缸操作，油缸布置在门框下方的两侧。调整到位后，门框由设在两边外侧的锁定装置支承在埋设于混凝土内的齿梯上，锁定由液压缸操作。

门框与闸首之间的底止水与侧止水，均采用边缘加厚的角形橡皮，橡皮固定在混凝土结构内的埋件上，止水座板则设在门框上，在摩擦面涂以氧化物油灰，以减轻门框调整时的摩擦。角形止水橡皮可以适应门框在最高挡水位作用下出现的31mm水平挠曲。在角形止水外侧还设置了一道扁形橡皮止水，作为第一道止水的保护。

门框通过两侧的支承轮将水压载荷传递到埋设在混凝土内的导轨上，每侧布置5 组支承轮组，车轮组的位置与水压力的分布相对应，每个轮组由两个滚轮构成。在滚轮支架的背面设有3 组反向弹性支承轮，在门框两侧各设两个侧向弹性支承轮，这些支承轮可保证门框始终在其引导下运行。

下闸首工作门的结构、止水、导向及启闭机设备与上闸首工作门相同。

4.5.7.6 升船机运转程序

升船机的运行可采用3 种不同的操作方式：自动控制、半自动控制、现地控制。通常两线升船机均以自动控制方式运行。

船舶一次上行需要完成以下程序：船舶在承船厢内系缆；下闸首工作门锁定退回；松开承船厢门锁定；下放下闸首工作门及下游船厢门；检测承船厢内水深，若误差超过±0.1m，则启动可逆水泵系统，调节承船厢水深；关闭下闸首工作门；排出间隙水；松开密封框锁定，退回密封框，将密封框锁定在船厢上；启动承船厢驱动系统，使承船厢上行；根据上游实测水位减速、停机；解除上游密封框锁定；推出上游密封框并锁定；小开度提升上闸首工作门向间隙充水；松并打开上闸首工作门防撞装置；提升上闸首工作门及承船厢上游门至锁定位置；锁定推出；发通航信号，船舶驶出承船厢。

图4-57 为德国吕内堡垂直升船机鸟瞰图。

图4-57 德国吕内堡垂直升船机鸟瞰图