第1章 升船机发展综述
　　1.1 国内外升船机发展概况
　　1.1.1 国外升船机发展概况
　　18世纪中叶，英国经济的蓬勃发展带动了水路运输量的飞跃增长，从而促进了通航建筑物的发展。18世纪末期，解决航道集中水位落差问题的船闸技术已经相当成熟，但船闸的每次运行都会使上游航道水量向下游流失。当遇到干旱年或枯水期时，船闸的运行则难以维持。为此，促使人们探索一种新的节水通航建筑以替代船闸。
　　1793年，美国人罗伯特 富尔顿首次提出了带配重的斜面升船机的构想，并于次年获得了专利权（图1.1.1）。1809年，世界上第一座平衡式垂直升船机在英国伍斯特—伯明翰运河的泰坦比戈建成（图1.1.2），其提升高度为3.6m，可湿运40t的船舶，平衡重通过链条与船厢连接[1]。
　　图1.1.1 罗伯特 富尔顿斜面升船机图[1]
　　图1.1.2 世界上第一座平衡式垂直升船机[1]
　　19世纪，德国、比利时等国家相继建造了多种形式的升船机。这一时期建成的升船机广泛采用了平衡系统，以减小提升功率，但提升高度均在15m以下，船舶吨位不到100t，均属于中小型升船机。
　　进入20世纪后，世界升船机建造技术得到了飞跃发展。1934年，德国在柏林附近的哈芬-奥德水道建造了世界上第一座现代化的大型升船机——尼德芬诺升船机（图1.1.3）。这是一座链轮链梯爬升式全平衡垂直升船机，其提升高度为36m，可通过1000t级船舶，这座升船机至今依然运行良好。1975年，德国在易北河建成了另一座齿轮齿条爬升式升船机——吕内堡升船机[1]（图1.1.4）。这是一座双线并列独立运行的垂直升船机，其提升高度为38m，可通过1350t级船舶，单线年通过能力达1010余万吨。
　　1988年，比利时在中央运河上建成了斯特勒比升船机（图1.1.5）。该升船机为钢丝绳卷扬提升式全平衡垂直升船机，可通过1350～2000t级船舶，*大提升高度为73.15m，船厢带水总重为7200～8400t。该升船机至今仍是世界上规模*大的钢丝绳卷扬提升式全平衡垂直升船机。
　　图1.1.3 1934年德国建造的尼德芬诺升船机
　　图1.1.4 1975年德国建造的吕内堡升船机[1]
　　图1.1.5 斯特勒比升船机
　　1.1.2 中国升船机发展历程
　　中国升船机建设起步较晚，但发展迅速。1966年，安徽寿县建成了一座30t级湿运斜面升船机，这是我国第一座湿运升船机。1967年，湖北陆水河蒲圻水电站——三峡试验电站建成了我国第一座干式垂直升船机，设计过坝船只*大载重量为20t，*大提升高度为26m（图1.1.6）。1973年，建成了丹江口水电站150t级垂直+斜面组合式升船机，这是我国建设的第一座中型升船机。2017年，随着南水北调中线丹江口大坝加高工程的完成，升船机的通航规模也扩建到了300t级（图1.1.7）。
　　20世纪90年代，随着我国现代化建设进程的加快，水利水电工程建设也步入了快速发展的轨道。流域水电梯级开发使得一些原本不通航的河段形成了优良的水运航道，促进了我国内河航运事业的发展。在近二十年内，我国已建成了红水河岩滩升船机，闽江水口升船机，清江隔河岩、高坝洲升船机，乌江彭水、思林、沙沱升船机，澜沧江景洪升船机，汉江丹江口、安康升船机，长江三峡升船机，金沙江向家坝升船机（图1.1.8），以及嘉陵江亭子口升船机（图1.1.9）等十余座大中型升船机。另外，乌江构皮滩三级升船机、红水河龙滩两级升船机正在建设中。我国升船机步入了快速发展阶段。升船机形式涵盖了垂直升船机和斜面升船机的钢丝绳卷扬提升式、齿轮齿条爬升式和水力驱动式，以及船厢下水部分平衡、船厢不下水全平衡等多种形式。
　　图1.1.6 1967年建成的陆水河蒲圻干式垂直升船机
　　图1.1.7 丹江口垂直+斜面组合式升船机
　　图1.1.8 金沙江向家坝升船机
　　图1.1.9 嘉陵江亭子口升船机
　　特别是2016年长江三峡升船机的建成，把中国乃至世界的升船机建设技术推向了一个新的高度。三峡升船机是一座全平衡垂直升船机，设计过船规模为3000t级，船厢带水总重为15500t，*大升降高度为113m，采用齿轮齿条爬升、螺杆螺母柱保安形式（图1.1.10）。
　　图1.1.10 长江三峡升船机
　　此外，正在建设的构皮滩升船机为一座带有中间通航隧道和渡槽的三级升船机，总通航水头达199.0m。第一级和第三级均为船厢下水部分平衡式，第二级为全平衡式。其中，第二级提升高度达127.0m，是目前世界上已建和在建升船机中提升高度*高的升船机（图1.1.11）。
　　图1.1.11 建设中的乌江构皮滩三级升船机远眺图
　　1.1.3 升船机主要形式
　　目前世界上已建成的升船机分为垂直升船机和斜面升船机两大类型。这两种类型的升船机又可按照平衡重配置程度、船厢重量平衡方式、船厢的驱动方式、船厢是否下水等进一步细分为多种形式。
　　1.垂直升船机主要形式
　　1）按平衡重配置程度划分
　　根据平衡重的配比，垂直升船机可分为三种形式：第一种是船厢总重量由平衡重块或其他外载荷完全平衡的全平衡式垂直升船机，如中国三峡升船机、德国吕内堡升船机、比利时斯特勒比升船机等；第二种是船厢重量由平衡重块部分平衡的下水式垂直升船机，如岩滩升船机；第三种是不配置平衡重的移动式垂直升船机，如中国丹江口垂直升船机、中国安康升船机等。其中，应用较广的是全平衡式垂直升船机。
　　2）按船厢重量平衡方式划分
　　迄今，国内外已建垂直升船机平衡船厢重量的方式主要有三种：一是通过钢丝绳悬吊平衡重块平衡的平衡重式垂直升船机，如中国三峡升船机等；二是通过船厢底部浮筒的浮力平衡的浮筒式垂直升船机，如德国亨利兴堡升船机等；三是通过船厢底部活塞的水压平衡的水压式垂直升船机，如加拿大柯克菲尔德升船机[1]、比利时蒂厄升船机[1]。现代大型升船机多采用平衡重式垂直升船机，另外两种平衡方式的升船机在近半个世纪内已未见新的应用。近些年英国建造了一座观光旅游升船机——福尔柯克转轮式升船机，其采用的是一种全新的力矩平衡方式，位于转轮两侧的两个船厢的力矩相互平衡，通过转轮的转动实现船厢的升降。
　　3）按船厢的驱动方式划分
　　垂直升船机驱动船厢升降的方式主要有：通过布置在承重结构顶部的卷扬机收放钢丝绳实现船厢升降的钢丝绳卷扬提升式，如中国亭子口升船机、中国彭水升船机、比利时斯特勒比升船机等；通过设在船厢上的齿轮沿设在承重结构上的齿条的滚动带动船厢升降的齿轮齿条爬升式，如中国三峡升船机、中国向家坝升船机、德国吕内堡升船机等；通过螺杆螺母的相互转动带动船厢升降的螺母螺杆旋升式，如德国亨利兴堡升船机、德国罗滕湖升船机[1]；通过水压力驱动船厢升降的水压式，如比利时蒂厄升船机；还有一种是中国景洪升船机采用的水力式，其工作原理结合了船闸和升船机的特点，利用竖井内水位的涨落和竖井内水桶式平衡重的浮力带动船厢升降。
　　4）按船厢是否下水划分
　　船厢不下水的升船机通常均为全平衡式。为适应水电工程下游航道水位变化快的运行条件，中国的蒲圻升船机率先采用了船厢下水式，随后该形式的升船机又在丹江口、安康、岩滩、构皮滩等工程上得到应用。船厢下水式升船机又分为岩滩升船机采用的钢丝绳卷扬部分平衡式垂直升船机、景洪升船机采用的全平衡水力式垂直升船机、丹江口和安康等升船机采用的钢丝绳卷扬移动式垂直升船机三种。
　　2.斜面升船机主要形式
　　1）按升船机斜坡道的布置方向划分
　　按升船机斜坡道的布置方向划分，斜面升船机主要有两种形式：一种是斜坡道顺河道方向布置的纵向斜面升船机，如法国隆库尔斜面升船机；另一种是斜坡道垂直于河道布置的横向斜面升船机，如法国阿尔兹维莱斜面升船机。其中，受工程地形条件的限制，横向斜面升船机较为少见。
　　2）按平衡重配置程度划分
　　按平衡重的配置程度划分，斜面升船机有全平衡式和完全不平衡式两种。全平衡式斜面升船机利用与船厢（斜架车）位于同一斜坡道上的平衡重将船厢（斜架车）重力的分力平衡，如法国隆库尔斜面升船机；完全不平衡式斜面升船机则不设平衡重，如中国丹江口斜面升船机、俄罗斯克拉斯诺亚尔斯克斜面升船机。
　　3）按船厢的牵引方式划分
　　目前世界上已建斜面升船机的船厢（斜架车）牵引方式主要有三种：第一种是法国隆库尔斜面升船机、中国丹江口斜面升船机等采用的通过卷扬机牵引船厢（斜架车）沿斜坡道运行的钢丝绳卷扬式；第二种是俄罗斯克拉斯诺亚尔斯克斜面升船机采用的通过设在船厢（斜架车）上的行走机构驱动船厢（斜架车）沿斜坡道运行的自行式；第三种是法国蒙特施升船机采用的利用楔形水体推动船舶沿斜坡道运行的水坡式。
　　1.1.4 世界上已建代表性的大中型升船机
　　目前，世界范围已建的具有代表性的大中型升船机的主要技术指标见表1.1.1。

目录
序一
序二
前言
第1章 升船机发展综述 1
1.1 国内外升船机发展概况 2
1.1.1 国外升船机发展概况 2
1.1.2 中国升船机发展历程 3
1.1.3 升船机主要形式 5
1.1.4 世界上已建代表性的大中型升船机 6
1.2 齿轮齿条爬升式升船机构造特点与运行原理 9
1.2.1 平衡重式全平衡垂直升船机基本组成 9
1.2.2 齿轮齿条爬升式升船机构造特点 12
1.2.3 船厢失衡工况安全保护运行原理 13
1.3 齿轮齿条爬升式升船机安全性评析 15
1.3.1 防船厢失衡事故能力 15
1.3.2 失衡事故工况下的安全可靠性 16
1.3.3 船厢升降运行稳定性 16
1.3.4 地震工况下的抗震减震措施 17
1.4 齿轮齿条爬升式升船机的主要技术难点 17
1.5 对关键技术问题的专题研究 19
1.5.1 国家科技攻关中的三峡升船机科研 19
1.5.2 升船机建设中的重点攻关研究 19
参考文献 23
第2章 升船机总体设计关键技术 25
2.1 总体设计主要工作内容 26
2.2 升船机规模及主要设计参数的确定 26
2.2.1 建设规模 26
2.2.2 主要设计参数 28
2.3 升船机线路位置选择 30
2.3.1 线路位置选择的一般原则 30
2.3.2 三峡升船机线路位置 31
2.4 升船机水力学条件 32
2.4.1 上下游引航道通航水流条件 32
2.4.2 船舶进出船厢过程水力学特性 36
2.5 升船机主体段布置 36
2.5.1 升船机主体段布置的一般原则 36
2.5.2 适应大水位变幅的上闸首布置 40
2.5.3 适应快水位变率的下闸首布置 44
2.5.4 承重塔柱结构布置 46
2.5.5 船厢设备布置与选型 50
参考文献 68
第3章 重要机械设备与金属结构关键技术 69
3.1 自承载式船厢结构 70
3.1.1 船厢结构布置要点 70
3.1.2 船厢主要结构构造形式 73
3.1.3 船厢载荷组合与结构应力、变形控制原则 78
3.1.4 船厢结构特性分析 82
3.2 齿轮-齿条式驱动系统 94
3.2.1 驱动系统载荷与电机功率计算分析 94
3.2.2 适应各向变位的齿轮托架机构设计 107
3.2.3 超载保护液气弹簧系统设计 113
3.2.4 齿轮和齿条强度设计 115
3.2.5 安全制动系统柔性制动技术 119
3.3 短螺杆-长螺母柱式事故安全机构 128
3.3.1 事故工况与载荷 128
3.3.2 旋转螺杆机构适应水平变位的技术措施 130
3.3.3 旋转螺杆机械传动系统设计 130
3.3.4 螺牙强度设计 132
3.3.5 撑杆设计 134
3.3.6 螺纹副合理间隙研究 137
3.4 对接锁定机构 141
3.4.1 对接锁定机构功能要求 141
3.4.2 对接锁定机构*大工作载荷的确定 142
3.4.3 摩擦撑紧式对接锁定机构 142
3.4.4 开合螺杆式对接锁定机构 147
3.5 船厢设备与塔柱之间相对变位分析 151
3.5.1 相对变位对船厢设备正常运行的影响 151
3.5.2 产生相对变位的主要因素 152
3.5.3 横向相对变位分析 153
3.5.4 纵向相对变位分析 155
3.5.5 水平相对变位对竖向变位的影响 156
3.5.6 船厢设备需具有的对变位的适应能力 158
3.6 螺母柱支承传力结构 158
3.6.1 螺母柱支承传力结构特点及主要技术难点 158
3.6.2 螺母柱支承传力结构有限元分析 160
3.6.3 螺母柱支承传力结构物理模型试验 164
3.6.4 齿梯间隙灌浆材料性能与工艺试验 166
3.7 船厢防撞系统 168
3.7.1 防撞系统构成与设备主要形式 168
3.7.2 船舶动能与防撞能力 168
3.7.3 船舶附连水质量研究 169
3.7.4 几种常用的升船机防撞装置 172
3.7.5 船厢侧向防护技术 178
3.8 闸首大型工作闸门关键技术 180
3.8.1 适应上游大水位变幅的上闸首工作闸门关键技术 180
3.8.2 适应下游快水位变率的下闸首工作闸门关键技术 188
参考文献 198
第4章 主要建筑结构设计关键技术 199
4.1 高水头上闸首结构关键技术 200
4.1.1 闸首结构形式 200
4.1.2 闸首结构分析 201
4.2 承重塔柱结构设计关键技术 216
4.2.1 结构形式研究 216
4.2.2 塔柱结构静动力分析 218
4.2.3 变形、裂缝控制标准与结构配筋设计 222
参考文献 228
第5章 升船机地震动力分析与抗震设计 231
5.1 船厢系统流固耦合动力分析 232
5.1.1 船厢系统动力学方程的建立与求解 232
5.1.2 船厢系统有限元模型 235
5.1.3 船厢系统地震动力分析 237
5.2 塔柱-船厢系统耦合动力分析 240
5.2.1 塔柱-船厢系统耦合动力学方程 240
5.2.2 塔柱-船厢系统耦合有限元模型 240
5.2.3 塔柱-船厢系统地震动力分析 242
5.3 塔柱整体结构振动台物理模型试验 247
5.3.1 研究目的和内容 247
5.3.2 三峡升船机振动台物理模型试验 248
5.4 三峡升船机抗震设计实例 253
参考文献 258
第6章 电气关键技术 259
6.1 供电技术 260
6.2 多电机同轴驱动同步控制技术 267
6.2.1 升船机电气传动系统技术特点 267
6.2.2 多电机机械同轴电气行程同步控制技术 268
6.2.3 多电机机械同轴电气出力均衡控制技术 277
6.2.4 船厢停位找点控制技术 282
6.2.5 同步轴扭振抑制 282
6.3 安全控制系统关键技术 283
6.3.1 安全控制系统结构 283
6.3.2 安全控制系统功能 284
6.3.3 安全控制系统闭锁条件 284
6.3.4 安全控制系统信号输入原则 286
参考文献 287
第7章 施工关键技术 289
7.1 混凝土塔柱施工关键技术 290
7.1.1 塔柱施工特点与难点 290
7.1.2 高层薄壁塔柱混凝土施工技术 290
7.1.3 塔柱顶部联系梁施工 301
7.2 施工测量与螺母柱、齿条安装精度控制技术 303
7.2.1 建立高精度专用测量控制网 304
7.2.2 齿条、螺母柱及其二期埋件安装测量 306
7.3 船厢结构现场吊装关键技术 313
7.3.1 船厢结构现场安装主要技术难题 313
7.3.2 结构分段分块现场吊装技术 315
7.3.3 结构分段分块现场拼焊关键技术 319
7.4 平衡重吊装关键技术 320
7.4.1 设备布置、组成与吊装技术难点 320
7.4.2 主要设备吊装关键技术 321
7.5 升船机调试试验关键技术 323
7.5.1 调试试验主要工作内容与项目 323
7.5.2 关键试验项目技术要求 325
7.5.3 重要调试项目技术要求 327
参考文献 330
索引 331