何海波 魏飛 陸海洋 余勇

摘 要：全平衡式升船機(jī)的安全可靠運(yùn)行離不開安全機(jī)構(gòu)這一重要的安全保護(hù)裝置。當(dāng)事故發(fā)生平衡被打破后，安全機(jī)構(gòu)可以保證船廂安全地被鎖定在任何位置，避免船廂失穩(wěn)傾斜乃至傾覆。本文對(duì)向家壩升船機(jī)各類工況下載荷傳遞方式進(jìn)行闡述分析，結(jié)合向家壩升船機(jī)安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作的相關(guān)實(shí)例，將設(shè)計(jì)中的事故預(yù)想轉(zhuǎn)化成了標(biāo)準(zhǔn)細(xì)致的現(xiàn)場(chǎng)處置恢復(fù)措施且成功實(shí)際應(yīng)用，對(duì)同類升船機(jī)的運(yùn)維管理具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：安全機(jī)構(gòu);平衡;事故;鎖定;處置;實(shí)例

中圖分類號(hào)：U642? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）10-0052-03

向家壩升船機(jī)采用的是齒輪齒條爬升、螺母柱保安式全平衡升船機(jī)。全平衡體現(xiàn)在承船廂兩側(cè)用鋼絲繩通過塔柱頂部的定向滑輪轉(zhuǎn)向，連接平衡重。配置的平衡重重量相當(dāng)于承船廂加載水重量之和的大部分或全部。在這樣的全平衡狀態(tài)下，船廂提升功率僅需承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的摩阻力、慣性力和承船廂載水深度允許誤差內(nèi)的水體重量，大大節(jié)約運(yùn)行能耗。而安全機(jī)構(gòu)則是在全平衡狀態(tài)遭到破壞時(shí)，讓船廂安全自鎖，仍讓船廂保持平衡，是升船機(jī)安全運(yùn)行最重要的保障機(jī)構(gòu)。

1 安全機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

安全機(jī)構(gòu)共有四套，采用“長(zhǎng)螺母—短螺桿” 式，長(zhǎng)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在上、下兩個(gè)方向均有60mm的間隙。

4套安全機(jī)構(gòu)分別通過機(jī)械軸系統(tǒng)與相鄰的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耦合，通過傳動(dòng)設(shè)備適當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)比保證驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)小齒輪的爬升速度與螺桿的旋升速度嚴(yán)格同步。

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。事故工況下，安全機(jī)構(gòu)螺母與螺桿的自鎖，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。

2 其他平衡保障機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

2.1驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)共4套，分別布置在船廂兩側(cè)的4個(gè)側(cè)翼平臺(tái)上，4套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過布置在船廂結(jié)構(gòu)中的同步軸系統(tǒng)相連。小齒輪托架系統(tǒng)是船廂驅(qū)動(dòng)的支撐系統(tǒng)，同時(shí)將小齒輪受力以2：1的杠桿比傳遞給液氣彈簧機(jī)構(gòu)。

液氣彈簧油缸作為液氣彈簧機(jī)構(gòu)的組成部分為雙活塞油缸，油缸兩有桿腔與高位補(bǔ)油油箱連接，無桿腔通過液壓管路與控制系統(tǒng)及蓄能器連接。

液氣彈簧油缸無桿腔預(yù)張力530kN，對(duì)應(yīng)船廂水深偏差為31.1cm，無桿腔最大張力750KN，對(duì)應(yīng)船廂水深偏差44cm。即當(dāng)水深偏差達(dá)到31.1cm后，液氣彈簧活塞桿開始移動(dòng)，安全機(jī)構(gòu)螺紋間隙開始減小;當(dāng)水深偏差達(dá)到44cm時(shí)，液氣彈簧油缸無桿腔被壓縮至極限值，此時(shí)安全機(jī)構(gòu)螺紋間隙為0。

2.2對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)

對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)共4套，用于在船廂與閘首對(duì)接期間，承擔(dān)船廂豎直方向的不平衡荷載。由撐緊油缸、支承油缸、液氣彈簧、框架結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向裝置等組成。撐緊油缸用于使機(jī)構(gòu)獲得對(duì)軌道的壓緊力及豎向靜摩擦力，支承油缸用于向撐緊油缸傳遞船廂的豎向附加載荷。

在支承油缸的油路設(shè)置平衡閥和溢流閥。不平衡力反映到支承油缸壓力上，超過溢流閥設(shè)定值則溢流限壓。

支承油缸的無桿腔溢流壓力整定為5.7MPa，有桿腔溢流壓力整定為6.7MPa。即船廂減水37.9CM，無桿腔開始溢流，船廂上移;船廂增水34.6CM有桿腔開始溢流，船廂下移。

3 各工況下載荷傳遞過程

3.1正常運(yùn)行工況

船廂由非對(duì)接工況轉(zhuǎn)入對(duì)接工況時(shí)，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)鎖定機(jī)構(gòu)的撐緊油缸推出，并以一定的壓力壓緊摩擦軌道，隨后在整個(gè)對(duì)接期間撐緊油缸由高壓小流量泵和蓄能器聯(lián)合保壓。然后驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液氣彈簧再泄壓，小齒輪上不再承受載荷，豎向載荷就轉(zhuǎn)移到了對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)上，再通過摩擦副傳至塔柱。

船廂由對(duì)接工況轉(zhuǎn)入非對(duì)接工況時(shí)，在對(duì)接密封框退回后，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液氣沖壓保持預(yù)張力，然后鎖定機(jī)構(gòu)的支承油缸緩慢卸載，直至上、下位油缸承載腔的油壓消除，使船廂豎向載荷平穩(wěn)轉(zhuǎn)移到船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由小齒輪承擔(dān)。以上正常工況下，安全機(jī)構(gòu)不參與載荷的承擔(dān)。

3.2事故工況

3.2.1非對(duì)接期間

非對(duì)接期間，當(dāng)升船機(jī)船廂因漏水導(dǎo)致船廂內(nèi)水深不斷降低時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)承受的載荷也逐漸加大。根據(jù)2.1中的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的整定參數(shù)，當(dāng)減少水深31.1cm時(shí)，液氣彈簧載荷也超過了預(yù)張力530KN，活塞桿將縮回，無桿腔油液進(jìn)入活塞式蓄能器內(nèi)對(duì)氣體進(jìn)行壓縮，這時(shí)安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙將變小。當(dāng)水深減少44cm時(shí)，活塞桿全部縮回，安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙完全消失，無桿腔達(dá)到最大張力750KN。船廂水深如繼續(xù)降低，增加的不平衡載荷將由安全機(jī)構(gòu)全部承擔(dān)，船廂保持安全鎖定。

當(dāng)通過補(bǔ)水措施恢復(fù)船廂水深時(shí)，安全機(jī)構(gòu)承受的不平衡載荷也將減小直至為0。如果船廂水深繼續(xù)恢復(fù)，則液氣彈簧活塞桿將在蓄能器的壓力下伸出，安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙也將從0開始增大，直到蓄能器提供的動(dòng)力減小至不能克服船廂的慣阻力和平衡重定滑輪的摩擦力。此時(shí)雖然船廂已恢復(fù)平衡，但螺紋副間隙不再增大。

3.2.2 對(duì)接期間

當(dāng)升船機(jī)對(duì)接期間因下游水位變化導(dǎo)致船廂水深不斷降低（或升高）時(shí)，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)承擔(dān)的豎向載荷也逐漸增大。根據(jù)2.2中的對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)整定參數(shù)，當(dāng)減少水深37.9CM時(shí)（或增加水深34.6CM），這支承油缸上（下）油缸的無（有）桿腔油壓將在豎向載荷的帶動(dòng)下升高到5.7MPa（6.7MPa），達(dá)到安全溢流閥設(shè)定壓力，開始溢流限壓，支承油缸上（下）油缸活塞也隨之開始移動(dòng)，安全機(jī)構(gòu)螺紋間隙減小直到消失。增加的載荷將由安全機(jī)構(gòu)全部承擔(dān)，船廂保持安全鎖定。

但船廂水深恢復(fù)正常時(shí)，隨著水位恢復(fù)，安全機(jī)構(gòu)承擔(dān)載荷逐步減小，直至為0，如果船廂水深繼續(xù)恢復(fù)，則這支承油缸上（下）油缸的無（有）桿腔油壓將會(huì)降低，直至豎向載荷變?yōu)?，支承油缸內(nèi)的油壓也趨于0，過程中活塞桿行程沒有變化，故安全機(jī)構(gòu)間隙也就不會(huì)恢復(fù)至正常值。

3.3 小結(jié)

（1）鎖定機(jī)構(gòu)中支承油缸與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的液氣彈簧油缸退讓原理不同，鎖定機(jī)構(gòu)中支承油缸的退讓方式為超壓溢流，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中的液氣彈簧油缸退讓方式為壓縮蓄能。

（2）不平衡載荷消失后，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液氣彈簧油缸活塞桿可以在蓄能器壓力下復(fù)位到正常行程，安全機(jī)構(gòu)可以自行恢復(fù)部分間隙。而鎖定機(jī)構(gòu)的支承油缸由于沒有蓄能器作為壓力源，還需進(jìn)行人工操作干預(yù)，才能幫助安全機(jī)構(gòu)恢復(fù)正常間隙。

4 安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作實(shí)例

4.1對(duì)接期間動(dòng)作

此類動(dòng)作發(fā)生在船廂已完成下游對(duì)接期間，正在進(jìn)行下行船舶出廂或上行船舶進(jìn)廂流程。通航門開啟后恰遇出庫流量降低，下游水位開始下降，在此期間船廂水深隨著下游水位下降而緩慢下降，直到4個(gè)安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙同為0，屬于3.2.2中的事故工況。

4.2對(duì)接過程中動(dòng)作

此類動(dòng)作發(fā)在船廂正在進(jìn)行下游對(duì)接過程的期間，由于停位到開通航門有約5min鐘間隔時(shí)間，在此期間下游水位下降了0.2m左右，通航門開啟后船廂水因水位差的作用開始急速流出。因水流慣性作用，上廂頭部位水流向下廂頭，造成上廂頭水位下降比下廂頭大。此時(shí)對(duì)接工作還未完全完成，安全機(jī)構(gòu)即開始動(dòng)作，但因此時(shí)船廂水位不水平而不同步，屬于3.2.2中事故工況的急速變化情形。

4.3檢修期間提供安全保障

進(jìn)行船廂檢修工作時(shí)，船廂處于非對(duì)接狀態(tài)，此時(shí)豎向載荷由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的小齒輪托架機(jī)構(gòu)承擔(dān)。如檢修工作涉及小齒輪托架及相關(guān)的液氣彈簧機(jī)構(gòu)。則驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就無法承擔(dān)船廂的豎向載荷，此時(shí)人為模擬3.2.1中的事故工況來讓安全機(jī)構(gòu)來承擔(dān)豎向載荷，為檢修工作提供不可替代安全保障。

5 動(dòng)作后的處置恢復(fù)措施

5.1 阻止不平衡擴(kuò)大

關(guān)閉船廂門或通航門，船廂水域與引航道水域被隔斷后，航道水深變化就不會(huì)傳遞到船廂內(nèi)，船廂水深就能保持穩(wěn)定。

實(shí)際操作中選擇手動(dòng)發(fā)“關(guān)閉閘首通航門”令，因事故處理較為緊迫，也可直接發(fā)“緊急關(guān)門”令。兩種發(fā)令方式下的后續(xù)處置措施略有不同。為了事故處理的連貫性，在條件允許的情況下應(yīng)選擇發(fā)“關(guān)閉閘首通航門”令。

5.2 恢復(fù)船廂平衡

恢復(fù)船廂平衡的措施就是恢復(fù)船廂水體重量，即將船廂水深調(diào)整到向家壩升船機(jī)的正常工作水位3M。

即如果前一個(gè)處置步驟是發(fā)“緊急關(guān)門”令，就需先將船廂門打開，再發(fā)“調(diào)節(jié)船廂水深”令，如果前一個(gè)處置步驟是發(fā)“關(guān)閘首通航門”令，就可直接調(diào)節(jié)船廂水深，根據(jù)充泄水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量，調(diào)節(jié)0.5M的船廂水深需約9分鐘。

5.3 解除對(duì)接狀態(tài)

船廂恢復(fù)平衡后，按照關(guān)閉船廂門，泄間隙水，退回閘首密封框的步驟進(jìn)行對(duì)接解除操作。由于船廂位置與閘首密封框有約6CM的相對(duì)位移，在退回閘首密封框后應(yīng)仔細(xì)檢查密封框的橡膠密封件有無異常變形或破損。閘首密封框退回后再將頂緊機(jī)構(gòu)退回，至此對(duì)接狀態(tài)解除。

5.4 恢復(fù)船廂姿態(tài)

解除對(duì)接后由于鎖定機(jī)構(gòu)的支承油缸沒有蓄能器作為壓力源在載荷消失后讓支承油缸活塞行程復(fù)位至正常的上極限位，安全機(jī)構(gòu)螺紋副還未恢復(fù)正常間隙。

此時(shí)利用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液氣彈簧提供的壓力來恢復(fù)安全機(jī)構(gòu)的間隙，通過讓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)液氣彈簧充泄壓配合對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)的鎖定解鎖動(dòng)作，一般可讓安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙恢復(fù)至正常值的一半，即3mm左右。

隨后發(fā)令讓船廂運(yùn)行。船廂上下運(yùn)行過程中，靜摩擦力消除，慣阻力也大大減少，小齒輪托架即可在液氣彈簧的預(yù)張力的作用下自動(dòng)恢復(fù)姿態(tài)，安全機(jī)構(gòu)的螺紋副間隙也就能恢復(fù)至正常值了。

6 結(jié)語

向家壩升船機(jī)的安全機(jī)構(gòu)沿用國(guó)內(nèi)外成熟設(shè)計(jì)，其技術(shù)參數(shù)、構(gòu)造形式、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式等技術(shù)條件，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用檢驗(yàn)。其高可靠性確保在任何工況下均能投入工作，實(shí)現(xiàn)船廂安全自鎖。同時(shí)動(dòng)作后船廂仍能保持水平，不需采取復(fù)雜特殊的調(diào)平工藝，只需進(jìn)行日常運(yùn)行的常規(guī)操作，即可讓船廂恢復(fù)運(yùn)行，過程快速簡(jiǎn)便，有助于提高升船機(jī)的運(yùn)行效率，更好地發(fā)揮通航效益。

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