馬洪琪，曹學(xué)興

（華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214）

1 研究背景

內(nèi)河水運(yùn)是國(guó)家綜合運(yùn)輸體系和水資源綜合利用的重要組成部分，而不同水系之間的航道必須依靠通航建筑物才能連接成四通八達(dá)的航運(yùn)網(wǎng)，因此，通航建筑物在水運(yùn)交通中占有十分重要的地位。通航建筑物按型式可分為船閘和升船機(jī)兩大類(lèi)，我國(guó)已建成船閘800余座，升船機(jī)60余座，其中1980年代以后建成的現(xiàn)代升船機(jī)5座［1］。與船閘相比，升船機(jī)具有適應(yīng)水頭高、占地面積小、通過(guò)速度快以及節(jié)省水資源等顯著優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于高壩通航，在解決50 m以上樞紐通航方面更具明顯優(yōu)勢(shì)。而傳統(tǒng)升船機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械提升原理，存在船廂漏水時(shí)平衡體系破壞造成“飛車(chē)”的事故風(fēng)險(xiǎn)；河道水位快速、大幅變化時(shí)船廂對(duì)接困難；機(jī)電設(shè)備多，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，應(yīng)用受到較大限制。因此急需一種在任何情況都是自我平衡的新型升船機(jī)。

本文提出一種利用水能作為提升動(dòng)力和安全保障措施的全新升船機(jī)，通過(guò)輸水管道對(duì)豎井充泄水，驅(qū)動(dòng)平衡重的升降從而帶動(dòng)承船廂升降運(yùn)行；在船廂荷載發(fā)生變化時(shí)，利用平衡重淹沒(méi)水深的相應(yīng)變化，使船廂與平衡重之間達(dá)到新的平衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了升船機(jī)發(fā)展史上真正意義的自適應(yīng)“全平衡”，從原理上根本消除了傳統(tǒng)升船機(jī)運(yùn)行安全風(fēng)險(xiǎn)，解決了難以適應(yīng)大水位變幅條件的困難，避開(kāi)了制約升船機(jī)發(fā)展的制造安裝運(yùn)維難題。水力式升船機(jī)運(yùn)行原理見(jiàn)圖1。

水力式升船機(jī)具有自平衡的特點(diǎn)［2］，承船廂提升重量的快速變化不會(huì)給升船機(jī)的安全及設(shè)計(jì)帶來(lái)不可逾越的技術(shù)障礙，水力式升船機(jī)能輕松實(shí)現(xiàn)承船廂入水對(duì)接，不僅省去了下閘首及頂緊、密封機(jī)構(gòu)等部分輔助設(shè)備，縮短船只過(guò)壩時(shí)間，而且可根據(jù)下游航道水位變化隨機(jī)簡(jiǎn)便地尋找適當(dāng)?shù)臏p速點(diǎn)和準(zhǔn)確的停位點(diǎn)減速停機(jī)，能較好地解決我國(guó)通航樞紐水位大幅快速變化情況下升船機(jī)對(duì)接難題。水力式升船機(jī)在解決大尺度、下水式升船機(jī)船廂重量大幅變化方面具有傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的升船機(jī)不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，比較適合我國(guó)通航發(fā)展的需要，具有廣闊的應(yīng)用前景。

水力式升船機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)由承船廂、卷筒、浮筒、鋼絲繩、動(dòng)滑輪、同步系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)等組成的相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其邊界條件和傳力機(jī)理非常復(fù)雜。本項(xiàng)目依托世界首座景洪水力式升船機(jī)工程建設(shè)，通過(guò)理論研究、物理模型試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與觀(guān)測(cè)，針對(duì)水力式升船機(jī)的設(shè)計(jì)理論和方法、水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步技術(shù)、船廂運(yùn)行平穩(wěn)性與抗傾覆技術(shù)、高水頭工業(yè)閥門(mén)防空化技術(shù)、非恒定變速條件下船廂運(yùn)行控制技術(shù)、微間隙機(jī)械同步系統(tǒng)制造安裝技術(shù)等重大技術(shù)難題進(jìn)行了全面系統(tǒng)研究，取得多項(xiàng)突破性研究成果。

圖1 水力式升船機(jī)運(yùn)行原理

2 景洪水力式升船機(jī)工程簡(jiǎn)介

2.1 工程概況 景洪水電站是瀾滄江干流中下游河段水電開(kāi)發(fā)梯級(jí)規(guī)劃八級(jí)電站中的第六級(jí)，位于云南省西雙版納傣族自治州首府景洪市北郊約5 km處，總裝機(jī)容量為1750 MW。電站壩址位于瀾滄江通航河段上，樞紐按V級(jí)航道、300 t級(jí)船型的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)航運(yùn)過(guò)壩建筑物（遠(yuǎn)期考慮500 t船只通航過(guò)壩）。景洪升船機(jī)是世界首座水力式升船機(jī)，依靠“水的浮力”驅(qū)動(dòng)承船廂的運(yùn)行，最大提升高度66.86 m，提升總重量2920 t，上游通航水位最大變幅11.0 m，下游通航水位最大變幅9.8 m。

2.2 景洪升船機(jī)總體布置與技術(shù)難點(diǎn) 景洪水力式升船機(jī)主要由水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械同步系統(tǒng)、沿程導(dǎo)向系統(tǒng)、上下閘首設(shè)備及電氣控制系統(tǒng)等組成，總體布置見(jiàn)圖2。水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括進(jìn)水口、進(jìn)水口快速事故門(mén)、充水管道、充水控制閥門(mén)、充水摻氣系統(tǒng)、突擴(kuò)體、等慣性輸水管道、豎井、泄水管道、泄水控制閥門(mén)、泄水摻氣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)備，是水力式升船機(jī)運(yùn)行的基礎(chǔ)。機(jī)械系統(tǒng)包括承船廂、卷筒及同步系統(tǒng)、浮筒、動(dòng)滑輪及鋼絲繩組件等設(shè)施，是水力式升船機(jī)運(yùn)行的安全保障。導(dǎo)向系統(tǒng)由導(dǎo)輪、支架、柔性裝置、限位裝置組成，布置在船廂4個(gè)端頭附近，其功能是對(duì)運(yùn)行和對(duì)接過(guò)程中的船廂進(jìn)行導(dǎo)向及限位，提升船廂穩(wěn)定性與安全性，是水力式升船機(jī)運(yùn)行的安全儲(chǔ)備。

圖2 景洪水力式升船機(jī)總體布置

水力式升船機(jī)擁有與傳統(tǒng)升船機(jī)截然不同的工作原理，有其專(zhuān)屬的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及安全保障系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外無(wú)任何相關(guān)科研、設(shè)計(jì)、制造、安裝等經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，因此，從起初的概念模型到實(shí)際的工程應(yīng)用存在很大的差距，諸多科學(xué)問(wèn)題需要開(kāi)展研究。

3 水力式升船機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 水力式新型升船機(jī)設(shè)計(jì)理論與方法研究 水力式升船機(jī)作為一種全新的升船機(jī)型式，缺乏相關(guān)設(shè)計(jì)理論和方法，各系統(tǒng)如何架構(gòu)，如何設(shè)計(jì)和運(yùn)行，直接影響水力式升船機(jī)能否正常運(yùn)行。

通過(guò)多年的研究，提出水力式升船機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論和方法及水力式升船機(jī)的總體布置方式，具體系統(tǒng)組成見(jiàn)圖3。建立了以水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步為基礎(chǔ)、機(jī)械同步系統(tǒng)主動(dòng)抗傾為運(yùn)行保障、沿程導(dǎo)向系統(tǒng)極限鎖定為安全儲(chǔ)備的水力式升船機(jī)運(yùn)行安全保障體系，并從理論上提出三大核心系統(tǒng)耦合工作機(jī)制，見(jiàn)圖4，其中AB為船廂傾斜產(chǎn)生的傾覆力矩變化曲線(xiàn)，EF為機(jī)械同步系統(tǒng)的抗傾覆力矩曲線(xiàn)，JHC為船廂沿程自反饋導(dǎo)向系統(tǒng)產(chǎn)生的抗傾覆力矩曲線(xiàn)，JHI為三大系統(tǒng)能提供的抗傾覆力矩。水力驅(qū)動(dòng)提升系統(tǒng)控制船廂初始傾覆力矩A值大?。淮瑤爻套苑答亴?dǎo)向系統(tǒng)控制抗船廂初始傾斜擾動(dòng)能力J值大??；機(jī)械同步系統(tǒng)間隙影響機(jī)械同步系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)揮抗傾覆能力的船廂初始傾斜量E值大小。2015年景洪水力式升船機(jī)的成功運(yùn)行，充分驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論和方法的合理性。

根據(jù)水力式升船機(jī)運(yùn)行原理，建立了水力式升船機(jī)的適用條件判別準(zhǔn)則，見(jiàn)式（1），為升船機(jī)的選型提供了基本依據(jù)。提出了水力式升船機(jī)平衡重、豎井、輸水系統(tǒng)等水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的理論和設(shè)計(jì)方法，保證水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為升船機(jī)提供經(jīng)濟(jì)、合理、高效、穩(wěn)定的動(dòng)力輸出。提出了同時(shí)具備抗傾覆功能和傳遞均衡船廂不均勻荷載，且能保證承船廂穩(wěn)定運(yùn)行的主動(dòng)抗傾覆機(jī)械同步系統(tǒng)的剛度、強(qiáng)度和間隙及誤差標(biāo)準(zhǔn)等設(shè)計(jì)條件和方法（見(jiàn)式（2）—式（4））。

圖3 水力式升船機(jī)總體布置

圖4 水力式升船機(jī)三大核心系統(tǒng)耦合工作機(jī)制

式中：Hmin、Hmax分別為升船機(jī)最小和最大提升高度，m；Hfs為平衡重有效高度，m；k為船廂系數(shù)，船廂下水k＝1，不下水k=0。

同步軸剛度設(shè)計(jì)條件：

同步軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)條件：

間隙及誤差控制：

式中：θ為同步軸與卷筒連接部位間隙引起的旋轉(zhuǎn)角度，rad；Δh0為卷筒繩槽走線(xiàn)誤差引起的船廂傾斜量，m；L為船廂長(zhǎng)度，m；B為船廂寬度，m；ρ為材料密度，kg/m3；g為量力加速度，m/s2；R為卷筒半徑，m；Li為相鄰卷筒間同步軸長(zhǎng)度，m；Ipi為同步軸截面的極慣性矩，m4；G為同步軸剪切模量，Pa；Mb為船廂水面波動(dòng)引起的傾斜力矩，N·m；Mp為船廂偏心荷載引起的傾斜力矩，N·m；Mf為卷筒摩擦力產(chǎn)生的扭矩，N·m；為船廂設(shè)計(jì)允許傾斜量，m；，其中Mk為機(jī)械系統(tǒng)誤差引起的扭矩，N·m；Mg為初始調(diào)平鋼絲繩受力不均引起的扭矩，N·m；為同步軸設(shè)計(jì)允許扭矩值，N·m；MQ為船廂傾斜力矩之和，N·m。

表1 景洪水力式升船機(jī)運(yùn)行安全控制標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合景洪水力式升船機(jī)，從運(yùn)行平穩(wěn)性、機(jī)械傳動(dòng)、船舶、力學(xué)等方面提出了水力驅(qū)動(dòng)式升船機(jī)各項(xiàng)安全控制標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

3.2 水力驅(qū)動(dòng)同步技術(shù)及流量均衡和液面穩(wěn)定新技術(shù)研究 水力驅(qū)動(dòng)式升船機(jī)通過(guò)輸水系統(tǒng)向各個(gè)豎井充泄水來(lái)改變豎井水位，驅(qū)動(dòng)平衡重的升降從而帶動(dòng)承船廂運(yùn)行。豎井水位的同步性、水流的紊動(dòng)強(qiáng)度都通過(guò)平衡重間接影響承船廂的安全平穩(wěn)運(yùn)行，直接影響升船機(jī)的提升效率、運(yùn)行方式以及安全性能，而且是決定水力式升船機(jī)成敗的關(guān)鍵。因此，就如何提高豎井水位同步性、減小豎井水流紊動(dòng)強(qiáng)度開(kāi)展了大量研究工作。

通過(guò)研究提出了以“等慣性+等阻力”輸水系統(tǒng)為核心的水力驅(qū)動(dòng)同步技術(shù)，即輸水主管道進(jìn)/出口至豎井的各分支管道不僅滿(mǎn)足水流慣性長(zhǎng)度完全相等，而且在分支管道上采用等阻力設(shè)計(jì)，在分支管路上設(shè)置阻力均衡部件，保證輸水管道在狹窄垂直空間內(nèi)各分支管路的流量相等，在最大程度上保證各支管進(jìn)入豎井流量一致，這為豎井水位同步提供第一重保障。同時(shí)，在豎井底部設(shè)置水位平衡廊道，一旦豎井之間水位不一致，可互相調(diào)節(jié)，避免豎井之間水位差的累積，這為豎井水位同步提供第二重保障。同時(shí)，在支管出口設(shè)置消能工，降低出流能量，避免水流直接沖擊平衡重底部；優(yōu)選平衡重底部體型，減小水流對(duì)平衡重的擾動(dòng)，為豎井水位同步提供第三重保障。水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作機(jī)理見(jiàn)圖5。

建立了多界面耦合數(shù)學(xué)模型和物理模型［3］，揭示了非恒定流作用下水力式升船機(jī)船廂運(yùn)行平穩(wěn)性機(jī)理，研究了豎井-平衡重間隙、平衡重底部型式等對(duì)船廂運(yùn)行平穩(wěn)性的影響，研究提出了豎井-平衡重最優(yōu)間隙比為0.08（見(jiàn)圖6（a））、平衡重底部錐形體最優(yōu)角度為120°（見(jiàn)圖6（b）），在此情況下可有效減小平衡重波動(dòng)，提高水力系統(tǒng)水動(dòng)力特性變化及動(dòng)力輸出的穩(wěn)定性。

圖5 水力驅(qū)動(dòng)同步系統(tǒng)的三大安全保障

圖6 間隙比及平衡重錐形體頂角對(duì)波動(dòng)的影響

在采取上述措施后，16個(gè)豎井間的最大水位差由43.0 cm（見(jiàn)圖7（a））減小到5.0 cm以下（見(jiàn)圖7（b））。每個(gè)豎井的水面波動(dòng)控制在10 cm以?xún)?nèi)，見(jiàn)圖8，成功解決了非恒定、大流量、高流速條件下水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多豎井水位同步及承船廂運(yùn)行平穩(wěn)性難題。

圖7 豎井水位差

圖8 豎井水面波動(dòng)情況

3.3 多重耦合作用下船廂傾斜機(jī)理、抗傾理論與技術(shù)研究 機(jī)械同步系統(tǒng)是升船機(jī)的重要組成部分，一方面將升船機(jī)動(dòng)力傳遞到船廂驅(qū)動(dòng)船廂升降，另一方面，平衡動(dòng)力源出力不均勻或?qū)⒋瑤牟痪鶆蚝奢d均勻傳遞到驅(qū)動(dòng)裝置。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的升船機(jī)同步系統(tǒng)通過(guò)減速機(jī)與船廂連接，可以通過(guò)減速機(jī)及電機(jī)預(yù)加載消除機(jī)械間隙。水力式升船機(jī)機(jī)械同步系統(tǒng)則和船廂直接連接，機(jī)械同步系統(tǒng)的微小荷載變化和間隙均直接作用于船廂，設(shè)計(jì)不當(dāng)易誘發(fā)船廂水體晃動(dòng)，導(dǎo)致船廂傾斜，影響升船機(jī)正常運(yùn)行。

在水力式升船機(jī)船廂帶水失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)后，通過(guò)研究揭示了水力式升船機(jī)“水-機(jī)-廂”多重耦合作用下的船廂傾斜機(jī)理，研究得到機(jī)械同步系統(tǒng)卷筒間隙、同步軸剛度等是船廂傾斜的重要影響因素，其中同步軸間隙是引起船廂初期傾斜的主要原因，應(yīng)盡量減小間隙值，船廂傾斜機(jī)理如圖9所示。

圖9 “水—機(jī)—廂”多重耦合作用下的船廂傾斜機(jī)理

研究提出了水力式升船機(jī)船廂臨界失穩(wěn)判別標(biāo)準(zhǔn)，并建立了水力式升船機(jī)主動(dòng)抗傾覆機(jī)械同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造及安裝控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于景洪水力式升船機(jī)同步系統(tǒng)剛度須大于150 kN·m/度，同步系統(tǒng)間隙要控制在1.0 cm以?xún)?nèi)，見(jiàn)圖10。建立了水力式升船機(jī)同步系統(tǒng)受力概化模型（圖11），從理論上分析了水力式升船機(jī)船廂傾斜量及同步軸受力間的變化關(guān)系和影響因素，建立了升船機(jī)船廂傾斜量和同步軸扭矩的理論計(jì)算公式（式（5）—（6）），為提高船廂運(yùn)行穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。

圖10 同步系統(tǒng)剛度和同步軸間隙對(duì)船廂傾斜量的影響

圖11 升船機(jī)船廂臨界失穩(wěn)概化模型

船廂運(yùn)行過(guò)程中的最大傾斜量Δh為：

等式右邊各項(xiàng)分別表示，同步軸連接部位轉(zhuǎn)動(dòng)間隙的影響，卷筒繩槽走線(xiàn)誤差的影響，船廂水面波動(dòng)及偏心荷載的影響，系統(tǒng)摩擦力的影響。

船廂運(yùn)行過(guò)程中的最大同步軸扭矩TN為：

在上述研究成果的基礎(chǔ)上，提出船廂抗傾斜技術(shù)，即設(shè)置合理機(jī)械同步系統(tǒng)剛度+微間隙大型膜片聯(lián)軸器消除安裝間隙（圖12），根據(jù)景洪升船機(jī)原型監(jiān)測(cè)結(jié)果，未采用膜片聯(lián)軸器時(shí)單側(cè)最大間隙達(dá)到11.8 cm，采用膜片聯(lián)軸器后間隙基本消除，成功解決水力式升船機(jī)機(jī)械同步系統(tǒng)無(wú)自我糾偏能力問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了水力式升船機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。

圖12 主動(dòng)抗傾覆機(jī)械同步系統(tǒng)技術(shù)

圖13 船廂傾斜量

原型監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：按研究成果設(shè)計(jì)的景洪水力式升船機(jī)同步系統(tǒng)，船廂帶水2.5 m升降運(yùn)行平穩(wěn)，船廂傾斜量小于2.0 cm，同步軸扭矩變化特性及船廂全過(guò)程運(yùn)行復(fù)位特性與帶水1 m、空廂相同，機(jī)械同步系統(tǒng)抗傾效果明顯。

為進(jìn)一步提高水力式升船機(jī)運(yùn)行的安全儲(chǔ)備，研究提出設(shè)置由導(dǎo)輪、支架結(jié)構(gòu)、限位裝置構(gòu)成的船廂自反饋抗傾覆導(dǎo)向系統(tǒng)（圖14），可將船廂傾斜最大量控制在90 mm以?xún)?nèi)，進(jìn)一步提高升船機(jī)安全儲(chǔ)備。通過(guò)研究提出了船廂自反饋抗傾覆導(dǎo)向系統(tǒng)剛度、預(yù)壓荷載及限位間隙設(shè)計(jì)方法，保障沿程自反饋穩(wěn)定系統(tǒng)可以較好適應(yīng)70 m長(zhǎng)運(yùn)行軌道出現(xiàn)不平整的問(wèn)題。研究了限位彈簧剛度、限位彈簧預(yù)荷載、限位間隙、導(dǎo)輪與導(dǎo)軌之間的間隙、支座結(jié)構(gòu)彈性變形等因素對(duì)導(dǎo)向系統(tǒng)的影響，提出導(dǎo)向系統(tǒng)工作過(guò)程，見(jiàn)圖15。

圖14 船廂自反饋抗傾覆導(dǎo)向系統(tǒng)

圖15 船廂自反饋抗傾覆導(dǎo)向系統(tǒng)工作過(guò)程

3.4 非恒定流變速運(yùn)行控制理論和方法研究 水力式升船機(jī)船廂對(duì)接與上下游水位密切相關(guān)，而且船廂運(yùn)行速度是動(dòng)態(tài)變化的，不同上下游水位組合船廂速度曲線(xiàn)差異較大，需動(dòng)態(tài)確定船廂對(duì)接控制方案及相關(guān)參數(shù)，技術(shù)難度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)升船機(jī)。此外，充泄水閥門(mén)是水力式升船機(jī)核心控制部件，直接控制升船機(jī)的正常升降和對(duì)接，而閥門(mén)長(zhǎng)期頻繁運(yùn)轉(zhuǎn)，工作水頭高，啟閉過(guò)程水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題十分復(fù)雜，閥門(mén)空化和振動(dòng)問(wèn)題直接影響升船機(jī)的運(yùn)行安全和運(yùn)行效率。

通過(guò)研究提出采用主輔閥門(mén)控制方案解決升船機(jī)運(yùn)行控制及船廂精確對(duì)接難題。輔充（泄）閥門(mén)采用小尺寸、小流量，控制船廂精確對(duì)接和出入水速度；主充（泄）閥門(mén)采用大尺寸、大流量，承擔(dān)船廂出水后提高船廂運(yùn)行速度的作用［4］，具體控制技術(shù)見(jiàn)圖16（a）。提出非恒定變速運(yùn)行閥門(mén)控制理論，建立了水力式升船機(jī)以閥門(mén)控制為核心的船廂精確對(duì)接、空中運(yùn)行、出入水等控制方式，攻克了水力式升船機(jī)運(yùn)行速度控制和船廂與閘首精確對(duì)接兩大關(guān)鍵技術(shù)難題，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明采用該控制技術(shù)水力式升船機(jī)船廂對(duì)接誤差小于±2 cm，可實(shí)現(xiàn)船廂精確對(duì)接。

圖16 主輔閥精確對(duì)接運(yùn)行控制技術(shù)

圖17 工業(yè)閥門(mén)防空化技術(shù)

針對(duì)水力式升船機(jī)工業(yè)閥門(mén)空化特性引起升船機(jī)運(yùn)行速度慢、效率低的問(wèn)題，提出穩(wěn)壓減振箱（圖17（a））和環(huán)向強(qiáng)迫通氣減蝕裝置（圖17（b）），將景洪升船機(jī)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間由45 min縮短到17 min以?xún)?nèi)，不僅成功解決了高水頭水力式升船機(jī)工業(yè)閥門(mén)空化及閥門(mén)段并聯(lián)管道振動(dòng)難題，而且大大提升景洪升船機(jī)運(yùn)行效率。此外，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，建立了保障水力式升船機(jī)運(yùn)行安全和高效的閥門(mén)運(yùn)行控制的技術(shù)控制指標(biāo)及控制原則，研發(fā)了水力式升船機(jī)專(zhuān)用運(yùn)行控制系統(tǒng)（圖16（b））。

3.5 水力式升船機(jī)施工及安裝制造關(guān)鍵技術(shù) 水力驅(qū)動(dòng)式升船機(jī)船廂升降運(yùn)行過(guò)程中，塔柱結(jié)構(gòu)豎井水位將發(fā)生快速大幅變化，特別是在地震情況下豎井內(nèi)水體大幅晃動(dòng)，對(duì)水力驅(qū)動(dòng)式升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。豎井鋼襯是水力驅(qū)動(dòng)式升船機(jī)的獨(dú)有結(jié)構(gòu)，薄壁塔柱鋼襯井管群加工安裝精度高，且不具備采用二期混凝土精確定位條件，如何保障豎井鋼襯管群的精確定位并一次施工成型，缺少相關(guān)的施工工藝和成熟經(jīng)驗(yàn)。水力驅(qū)動(dòng)式升船機(jī)機(jī)械同步系統(tǒng)具有傳遞扭矩和主動(dòng)抗傾雙重功效，“微間隙”為其基本技術(shù)要求之一，如何實(shí)現(xiàn)低速大扭矩的傳遞，對(duì)機(jī)械同步系統(tǒng)的制造、安裝等提出了更高技術(shù)要求，特別是大扭矩膜片聯(lián)軸器、“微間隙”現(xiàn)場(chǎng)安裝技術(shù)等，均無(wú)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)可循。

研究揭示了高烈度地震作用下水力式升船機(jī)塔柱與水體耦合交互作用的機(jī)理，分析了豎井內(nèi)水體對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)態(tài)反應(yīng)產(chǎn)生的影響，開(kāi)發(fā)了考慮結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)流固耦合效應(yīng)的升船機(jī)塔柱物理模型與力學(xué)數(shù)學(xué)模型，有限元模型見(jiàn)圖18，提出了參與塔柱振動(dòng)分析、耦合相互反饋的結(jié)構(gòu)研發(fā)與協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，模型試驗(yàn)與數(shù)值分析為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。通過(guò)精細(xì)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決高地震烈度區(qū)水力式升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗震問(wèn)題。

圖18 升船機(jī)塔柱三維有限元模型

圖19 大型低速大扭矩膜片聯(lián)軸器

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工條件，研究提出活動(dòng)內(nèi)支撐施工技術(shù)，內(nèi)支撐兼做調(diào)圓頂桿、加固支撐和作業(yè)平臺(tái)，一物三用，拆卸后不留尾工，實(shí)現(xiàn)薄壁塔樓大直徑鋼襯井管群高精度一次澆筑成型并保證了景洪升船機(jī)16個(gè)豎井鋼襯共計(jì)288個(gè)安裝單元全部滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。研究提出水力式升船機(jī)微間隙封閉機(jī)械同步系統(tǒng)設(shè)備制造控制參數(shù)和機(jī)械同步系統(tǒng)安裝標(biāo)準(zhǔn)，攻克了大型低速大扭矩膜片聯(lián)軸器制造技術(shù)（圖19），研發(fā)了機(jī)械同步系統(tǒng)電磁感應(yīng)渦流熱加熱微間隙安裝技術(shù)（圖20），發(fā)明了四繩槽卷筒鋼絲繩繞線(xiàn)機(jī)（圖21），解決傳統(tǒng)卷?yè)P(yáng)機(jī)結(jié)合引繩逐根牽引入卷筒繩槽方式，施工勞動(dòng)強(qiáng)度大，施工效率低，且鋼絲繩易扭曲，散繩、損傷等技術(shù)缺陷。

圖20 電磁感應(yīng)渦流熱加熱拆裝技術(shù)

圖21 四繩槽卷筒鋼絲繩繞線(xiàn)機(jī)

4 結(jié)論

采用理論研究、物理模型試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與原型觀(guān)測(cè)等研究手段，依托景洪水力式升船機(jī)工程，通過(guò)十多年的探索性研究，針對(duì)水力式升船機(jī)的設(shè)計(jì)理論和方法、水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)同步技術(shù)、船廂運(yùn)行平穩(wěn)性與抗傾覆技術(shù)、高水頭工業(yè)閥門(mén)防空化技術(shù)、非恒定變速條件下船廂運(yùn)行控制技術(shù)、微間隙機(jī)械同步系統(tǒng)制造安裝技術(shù)等重大技術(shù)難題進(jìn)行了全面系統(tǒng)研究，取得多項(xiàng)突破性研究成果，實(shí)現(xiàn)了70 m級(jí)水力式升船機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。水力式升船機(jī)主要利用水能作為提升動(dòng)力和安全保障措施，具有技術(shù)先進(jìn)，安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，節(jié)能環(huán)保等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在解決大尺度、下水式升船機(jī)船廂提升重量大幅變化方面具有傳統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的升船機(jī)不可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。我國(guó)中西部地區(qū)河流水量及水位隨季節(jié)變化很大，河勢(shì)狹窄，水利樞紐多為超過(guò)100 m的高壩，因此水力式升船機(jī)在我國(guó)中西部地區(qū)內(nèi)河通航方面應(yīng)用前景十分廣闊。

當(dāng)水力式升船機(jī)提升高度超過(guò)150 m后，由于受輸水系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)特性、施工精度和場(chǎng)地的限制，各豎井不可避免存在一定的水位差，隨著提升高度的增加，豎井水位差也逐漸累積，而較大的豎井水位差直接影響各平衡重側(cè)的鋼絲繩受力的均勻性，導(dǎo)致同步軸扭矩增大。因此輸水系統(tǒng)豎井水位的同步性將是今后150 m級(jí)水力式升船機(jī)研究的重要方向。

參 考 文 獻(xiàn)：

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