丁建國 石儒

摘 要：通過對(duì)向家壩升船機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理以及不同工況下安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作情況的介紹，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作后的恢復(fù)以及安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作對(duì)其他機(jī)構(gòu)造成的影響進(jìn)行了分析，從而可以確定導(dǎo)致升船機(jī)安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作的主要因素，通過建立相關(guān)水位監(jiān)測(cè)溝通共享機(jī)制，提高船廂助航人員及操作人員業(yè)務(wù)能力和責(zé)任心，避免可控因素導(dǎo)致的安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作，保證升船機(jī)高效、安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：向家壩水電站;升船機(jī);安全機(jī)構(gòu)

中圖分類號(hào)：U642? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）08-0096-03

1向家壩升船機(jī)工程概況

向家壩水電站升船機(jī)通航建筑物布置在樞紐左岸，采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式一級(jí)垂直升船機(jī)方案，升船機(jī)中心線與壩軸線垂直，其左、右兩側(cè)分別與沖沙孔壩段和廠房壩段相鄰。向家壩升船機(jī)工程是由上游引航道、上閘首（包括擋水壩段和渡槽段）、船廂室段、下閘首和下游引航道（含輔助閘室與輔助閘首）等五部分組成。

2設(shè)備布置、構(gòu)造與組成

安全機(jī)構(gòu)采用“長螺母—短螺桿”式，4套中空的長螺母柱鋪設(shè)在塔柱凹槽的墻壁上，短螺桿豎直布置在螺母柱內(nèi)，二者螺紋副的螺旋面之間保持一定的間隙，短螺桿通過機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪軸連接，通過傳動(dòng)設(shè)備適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)比保證齒輪的爬升速度與螺桿的旋升速度嚴(yán)格同步。安全機(jī)構(gòu)布置（見圖1），由旋轉(zhuǎn)螺桿、上/下導(dǎo)向架、支撐桿、支撐桿上/下支座、滑環(huán)軸承、小齒輪組件、萬向聯(lián)軸器、錐齒輪箱、離合器等組成。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力通過減速器中間軸、轉(zhuǎn)向錐齒輪箱、傳動(dòng)軸、萬向聯(lián)軸器、開式齒輪等將動(dòng)力傳給短螺桿。在減速器與錐齒輪箱之間設(shè)置帶扭矩檢測(cè)裝置的離合器。當(dāng)安全機(jī)構(gòu)的阻力矩增大至限定值時(shí)，扭矩檢測(cè)裝置發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)迅速停機(jī)。設(shè)備檢修時(shí)，可開啟離合器單獨(dú)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)或安全機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

旋轉(zhuǎn)螺桿通過撐桿的偏擺來適應(yīng)船廂與塔柱之間的相對(duì)變位，同時(shí)，萬向軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)并伸長，機(jī)構(gòu)適應(yīng)縱、橫向變位的能力分別不小于±100mm、±120mm。

旋轉(zhuǎn)螺桿通過上/下導(dǎo)向架在螺母柱內(nèi)定位和導(dǎo)向。螺桿的上、下兩端通過螺栓與上、下滑環(huán)軸承的外圈相連。上、下滑環(huán)軸承的固定內(nèi)圈與上、下導(dǎo)向架之間分別用螺栓連接，上、下導(dǎo)向架的重量通過滑環(huán)軸承傳到旋轉(zhuǎn)螺桿，再經(jīng)撐桿傳到船廂結(jié)構(gòu)。

下滑環(huán)軸承的外圈為外齒圈，固定在旋轉(zhuǎn)螺桿下端，外齒圈與齒輪嚙合。齒輪組件由齒輪、軸、軸承、透蓋、密封件等組成，齒輪安裝在傳動(dòng)軸的頂部軸頸，傳動(dòng)軸通過軸承支承于下導(dǎo)向架上的鋼筒體內(nèi)。軸的下端通過鉸座與萬向聯(lián)軸節(jié)相連。

撐桿下端支承于下支承座上。下支承座固定于船廂主橫梁端部，由上球座、下球座、軸承蓋等組成。撐桿端部的球頭與中間桿件通過螺紋連接，端部球頭的上下球面分別支承于上球座和下球座;上球座通過止口安裝于軸承座上部。

3 安全機(jī)構(gòu)功能與工作原理

安全機(jī)構(gòu)用于在升船機(jī)全平衡系統(tǒng)遭到破壞時(shí)，避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。在正常工況下，安全機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)螺桿在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，在船廂升降過程中保持與螺母柱之間的螺紋副間隙。當(dāng)船廂升降過程中發(fā)生漏水事故時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪載荷的增加，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液氣彈簧油缸的載荷檢測(cè)裝置將發(fā)出停機(jī)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，制動(dòng)器上閘制動(dòng)，當(dāng)不平衡載荷達(dá)到液氣彈簧的預(yù)緊載荷時(shí)，液氣彈簧油缸產(chǎn)生位移使安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙逐漸減小直至消失;在船廂對(duì)接期間發(fā)生沉船或超載等事故時(shí)，不平衡載荷將首先作用于對(duì)接鎖定裝置，超過對(duì)接鎖定裝置的設(shè)定載荷后，超出的不平衡載荷直接作用于安全機(jī)構(gòu)。借助安全機(jī)構(gòu)螺母與螺桿的自鎖，由事故引發(fā)的承船廂不平衡力通過撐桿、旋轉(zhuǎn)螺桿傳遞至螺母柱，再經(jīng)螺母柱傳到塔柱結(jié)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)承船廂的安全鎖定。

此外，升船機(jī)安裝、檢修時(shí)，可通過事故安全機(jī)構(gòu)將承船廂鎖定。

4 設(shè)計(jì)工況和載荷

工況1：船廂內(nèi)的水全部漏空或船廂空廂檢修，不平衡載荷為全部水重，共44650kN。

工況2：對(duì)接狀態(tài)水滿廂，最大不平衡載荷為12400kN。

工況3：與閘首對(duì)接時(shí)發(fā)生沉船事故，不平衡載荷按10000kN計(jì)。

在以上工況中，對(duì)安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)起控制作用的工況為工況1和工況2。前者使安全機(jī)構(gòu)撐桿產(chǎn)生最大壓力，總載荷為44650kN;后者使撐桿產(chǎn)生最大拉力，總載荷為12400kN。

5 安全機(jī)構(gòu)不同工況下的動(dòng)作情況

5.1? 對(duì)接位狀態(tài)

5.1.1? 船廂水量減少

在對(duì)接期間，船廂水減少導(dǎo)致升船機(jī)全平衡被打破，平衡重側(cè)重量大于船廂側(cè)重量，導(dǎo)致對(duì)接鎖定支承油缸上位缸無桿腔壓力增大，當(dāng)船廂的附加載荷超出鎖定機(jī)構(gòu)的鎖定能力時(shí)，支承油缸將通過限壓閥卸載，導(dǎo)致船廂向上移動(dòng)，船廂的豎向位移使安全機(jī)構(gòu)螺紋副的間隙消除，船廂的附加載荷將通過安全機(jī)構(gòu)傳遞到塔柱，可確保升船機(jī)安全。

5.1.2? 船廂水量增多

在對(duì)接期間，船廂水增多導(dǎo)致升船機(jī)全平衡被打破，船廂側(cè)重量大于平衡重側(cè)重量，導(dǎo)致對(duì)接鎖定支承油缸下位缸有桿腔壓力增大，當(dāng)船廂的附加載荷超出鎖定機(jī)構(gòu)的鎖定能力時(shí)，支承油缸將通過限壓閥卸載，導(dǎo)致船廂向下移動(dòng)，船廂的豎向位移使安全機(jī)構(gòu)螺紋副的間隙消除，船廂的附加載荷將通過安全機(jī)構(gòu)傳遞到塔柱，可確保升船機(jī)安全。

5.2? 非對(duì)接狀態(tài)

5.2.1? 船廂運(yùn)行中

當(dāng)承船廂發(fā)生漏水、沉船或超載等不平衡載荷事故時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪載荷的增加，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的載荷檢測(cè)裝置將發(fā)出停機(jī)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，制動(dòng)器上閘制動(dòng)，當(dāng)不平衡載荷達(dá)到液氣彈簧的預(yù)緊載荷時(shí)，液氣彈簧油缸產(chǎn)生位移使安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙逐漸減小直至消失。借助螺母與螺桿的自鎖，由事故引發(fā)的船廂不平衡力通過撐桿、旋轉(zhuǎn)螺桿傳遞至螺母柱，再經(jīng)螺母柱傳到塔柱結(jié)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)船廂的安全鎖定。

5.2.2? 船廂檢修位

船廂檢修時(shí)，船廂運(yùn)行至265.8m高程，工作制動(dòng)器和安全制動(dòng)器依次上閘，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)、縱導(dǎo)向及頂緊機(jī)構(gòu)均不投入，開啟船廂底部排水閥，隨著船廂水量較少小齒輪受力逐漸增大，當(dāng)船廂的不平衡載荷超過液氣彈簧的預(yù)緊力時(shí)，驅(qū)動(dòng)液氣彈簧油缸動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)位移適應(yīng)機(jī)構(gòu)隨著動(dòng)作，導(dǎo)致船廂動(dòng)作，從而使安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙逐漸減小直至消失，安全機(jī)構(gòu)鎖死。

6 安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作后的恢復(fù)流程

6.1 對(duì)接狀態(tài)位時(shí)安全螺母柱動(dòng)作后恢復(fù)流程

關(guān)閉閘首通航門：

檢查工作門內(nèi)液壓系統(tǒng)管路有無滲漏、密封框有無變形、水封有無漏水情況;檢查船廂各液壓泵站及管路是否正常;

調(diào)節(jié)船廂水深至正常通航水位（3m±0.1m）;

關(guān)閉船廂門，泄間隙水;

退對(duì)接密封框，再次檢查水封及密封框變形情況;

操作縱導(dǎo)向及頂緊機(jī)構(gòu)退回，如不能退回執(zhí)行后續(xù)操作;

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液氣彈簧充壓×N次，如果充不上壓，檢查液壓管路，待四個(gè)液氣彈簧充壓到位;

對(duì)接鎖定解鎖×N次，如果不能解鎖，檢查液壓管路，待四個(gè)點(diǎn)對(duì)接鎖定均解鎖完成;

觀察螺紋副間隙，若間隙過小，重復(fù)對(duì)接鎖定→液氣彈簧泄壓→液氣彈簧充壓→對(duì)接鎖定解鎖，直到螺紋副間隙在標(biāo)準(zhǔn)中位附近。

6.2? 非對(duì)接位安全螺母柱動(dòng)作后恢復(fù)流程

通過布置在塔柱兩側(cè)的補(bǔ)排水管對(duì)船廂進(jìn)行補(bǔ)水或者排水，使水位到達(dá)正常通航水位;

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液氣彈簧充壓×N次，如果充不上壓，檢查液壓管路，待四個(gè)液氣彈簧充壓到位;

對(duì)接鎖定解鎖×N次，如果不能解鎖，檢查液壓管路，待四個(gè)點(diǎn)對(duì)接鎖定均解鎖完成;

觀察螺紋副間隙，若間隙過小，重復(fù)對(duì)接鎖定鎖定→液氣彈簧泄壓→液氣彈簧充壓→對(duì)接鎖定解鎖，直到螺紋副間隙在標(biāo)準(zhǔn)中位附近。

7 安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作對(duì)其他機(jī)構(gòu)的影響

對(duì)接狀態(tài)時(shí)安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作會(huì)使密封框及油缸受到豎直方向的力，可能會(huì)導(dǎo)致C形橡膠拉扯變形甚至破裂，密封框金屬結(jié)構(gòu)變形，液壓油缸及密封損壞等情況。

由于船廂漏水或者水滿廂升船機(jī)全平衡打破，導(dǎo)致船廂金屬結(jié)構(gòu)受力變形，可能會(huì)影響船廂門等活動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作及密封件的密封效果，船廂水增多會(huì)導(dǎo)致平衡重系統(tǒng)鋼絲繩拉伸。升船機(jī)運(yùn)行過程中安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作，可能會(huì)導(dǎo)致小齒輪及齒條受力過大，斷裂或者變形。

8結(jié)論

通過對(duì)向家壩升船機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理以及不同工況下安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作情況的介紹，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作后的恢復(fù)以及安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作對(duì)其他機(jī)構(gòu)造成的影響進(jìn)行了分析，從而可以確定升船機(jī)安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作對(duì)其他設(shè)備的影響較大，為了保證升船機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，可通過建立相關(guān)水位監(jiān)測(cè)溝通共享機(jī)制、提高船廂助航人員及操作人員的業(yè)務(wù)能力及責(zé)任心，合理安排檢修工期，減少船廂無水檢修時(shí)間及周期等措施，避免船廂長時(shí)間受不平衡載荷，對(duì)船廂等設(shè)備造成不可逆損傷，不斷提高升船機(jī)運(yùn)行維護(hù)水平。