三峽升船機建成試運行

◎ 文 | 田宗偉 ◎編輯 | 吳冠宇

三峽升船機建成試運行

◎ 文 | 田宗偉 ◎編輯 | 吳冠宇

運行中的三峽升船機 攝影/劉華

2008年，三峽水庫開始試驗性蓄水，三峽工程全面發揮其綜合效益。本來，按照初步設計，升船機要同電站、船閘一同建成投入使用，但鑒于三峽升船機的規模和技術難度均遠遠超過國內外已建和在建升船機，基于安全可靠性的考慮，1995年5月，國家決定三峽升船機工程緩建，重新進行方案比選及論證設計。2003年9月，國家批準三峽升船機型式由初始設計的“鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升式”調整為“齒輪齒條爬升式”。2007年10月，三峽升船機續建工程恢復施工。經過9年精心施工，2016年 9月18日，三峽工程的收官之作——三峽升船機啟動試通航。

為什么要重新進行方案比選

對三峽升船機型式的研究起始于1958年，經對鋼絲繩卷揚全平衡垂直升船機等多種型式的研究，1993年通過審查的三峽工程初步設計確立三峽升船機型式為“鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升式”。

上世紀七八十年代，鋼絲繩卷揚全平衡垂直升船機是當時國際上比較主流的升船機型式之一，三峽升船機建成前世界提升高度最大的比利時的斯特勒比升船機即是這一型式。我國建造第一個升船機水口升船機以及丹江口升船機、隔河巖升船機也是選擇這一型式。鑒于三峽工程的重要性和社會影響，三峽升船機必須在任何情況下都確保安全。而試驗研究和國外的運行實踐表明，齒輪齒條爬升式升船機可以在船廂水漏空、地震等極端情況下導致承船廂出現不平衡載荷時自鎖，克服了鋼絲繩卷揚方案中承船廂可能因不平衡力發生傾覆的問題，故而三峽升船機最終采用了比鋼絲繩卷揚全平衡垂直升船機更為安全的齒輪齒條垂直升船機。盡管這種型式升船機的建設成本高昂，設備制造困難重重，混凝土澆筑和設備安裝存在諸多挑戰。

升船機規模、運行工況及要求

三峽升船機過船規模為3000噸級船舶,船廂帶水最大提升重量1.55萬噸（相當于12萬個130斤成人的重量）,最大提升高度113米（相當于37層樓房的高度），正常升降速度0.2米每秒。

三峽升船機建成前，全球提升重量最大、提升高度最高的升船機是比利時斯特勒比升船機，其過船規模為1350噸級船舶，最大提升高度73米。

三峽升船機通航水流條件復雜。上游航道最高通航水位175米，最低通航水位145米，變幅30米。下游航道最高通航水位73.8米，最低通航水位62米，變幅11.8米，下游水位變化最快時每小時達0.5米。

長江是我國黃金水道，設計要求升船機投運后必須高效運行，達到年平均工作335天，每日工作22小時，平均日運轉18次。

升船機鳥瞰 攝影/陳臣

三峽升船機主體結構及功能

三峽升船機布置在樞紐工程的左岸，雙線五級船閘的右側。其核心建筑是上閘首、下閘首、承重塔柱。上閘首兼有擋水壩段及升船機閘首雙重功能，為整體式U型混凝土結構。高達146米的承重塔柱支承著承船廂及平衡重共3.1萬噸的重量，支承著船廂最高113米的垂直升降。

升船機的承船廂為鋼結構，作為船舶進出承船廂通道的上、下閘首為整體式U型混凝土結構。上、下閘首皆設有一道可翻轉臥倒門，關閉時承擔阻隔上、下游航道里的水體，臥倒打開時船廂與上下游航道的水連為一體，航道貫通。

承船廂為盛水鋼結構，船廂外形尺寸長132米、寬23米、高10米。升船機的主要機電設備如驅動系統、船廂門及其啟閉機等皆安裝在船廂上。船廂上下行走的齒輪、對接鎖定安全機構的短鏍桿安裝在船廂的兩側，船廂弧形工作門以及閘首與船廂的間隙密封裝置安裝在船廂上下游兩端。

運行過程

三峽升船機為上下雙向通行，其上下行工作流程一致。以上行為例，升船機設備的動作及船舶的移動依次為：船廂下降至船廂水位與下游航道水位齊平位置停靠下來，伸出安裝在船廂下游端的間隙密封機構頂緊下閘首工作門，向船廂工作門與下閘首工作門之間的間隙充水，下游端船廂弧形門與下閘首臥倒門打開，船廂水域與航道水域連通，船只進入承船廂。然后船廂門和下閘首臥倒門關閉，間隙水泄水，下游間隙密封機構退回，船廂對接鎖定的上下鎖定螺桿復位，與螺母柱脫開。

驅動機構啟動，齒輪沿齒條爬行，船廂以每秒0.2米的速度勻速上升，與此同時，驅動機構驅動安全鎖定機構的螺桿沿螺母柱空轉，同步運行；當船廂運行至上游航道水位時，船廂停車，船廂對接鎖定機構動作，上下鎖定螺桿與螺母柱接觸，上游間隙密封機構伸出與上閘首工作門對接，間隙充水至于上游水位齊平，閘門開啟，船廂水域與上游引航道水域連通，船只駛離船廂，單程通過時間約為37分鐘。

平衡重使升船機“舉重若輕”

盛水承船廂是運載船舶升降過壩的載體。3.5米標準運行水深的承船廂總重是1.55萬噸，根據阿基米得定律，船只駛入承船廂會排出同等重量的水，承船廂依舊保持在1.55萬噸。

由于運用物理學平衡原理在船廂兩側設置了同等質量的配重, 提升或者放下承船廂，驅動機構僅需克服不平衡質量和運動阻力（約提升400噸左右重量的力，相當于承船廂總重的2.5%左右），船廂即可輕松升降。

配重設置在船廂兩側塔柱內，滑輪設在塔柱的頂部，鋼絲繩繞過滑輪一端連著船廂，一端連著配重。滑輪兩側鋼絲繩的長度相等時，滑輪兩邊鋼絲的重量也相等，處絕對平衡狀態。運行過程中，承船廂與配重一上一下，滑輪兩邊的鋼絲繩也就隨之一短一長，長邊的重量增加，平衡被打破。于是，通過在承船廂和配重下面懸掛平衡鏈補償，使得滑輪兩邊的承船廂和平衡重處于任何位置皆可保持平衡。

齒輪齒條為升船機裝上了“輪子”和“軌道”

安裝在承船廂兩側的四個齒輪和安裝在混凝土塔柱上的四根齒條，有如機車的輪子與軌道。驅動機構推動四個齒輪在四根齒條上嚙合升降帶動承船廂升降，齒輪齒條是升船機行走的導向機構。

船廂在上下升降過程中，齒輪齒條處于受力狀態。安裝在混凝土塔柱上的齒條承擔著經嚙合齒輪向混凝土塔柱傳遞船廂驅動力的作用，發生地震時，齒條還作為承載設備，傳遞船廂與塔柱之間的橫向地震力。

齒輪齒條是升船機的關鍵部件，其抗磨損能力如何，對升船機的安全運行至關重要。當初齒輪齒條交由德國廠商生產，但他們在加工過程中出現了裂紋等瑕疵。三峽集團組織鄭州機械研究所、中國第二重型機械集團對德方工藝的制造材質進行調整。經過兩年探索，終于制造出不開裂的齒條。其后建設者們對升船機齒輪齒條進行疲勞試驗，結果試驗機壞了，升船齒條樣品沒出現問題。經測算，三峽升船機齒輪齒條壽命約為70年，超過設計規定的35年使用壽命。

升船機結構圖。制圖/ Hieeow

齒輪托架機構：使升船機具有自動適應塔柱變形變位能力

作為升船機行走機構的齒輪與齒條，需要精確嚙合，同時還需要呈彈性接觸，具有自動適應塔柱和船廂變形變位的能力。因為無論是混凝土，還是鋼結構，都會因溫度變化產生變形變位。

齒輪與齒條這一變形變位適應性技術是通過巧妙的齒輪托架機構來實現的。齒輪托架機構是一個可前后搖擺的四連桿支架，具有傳遞、監測并限制齒輪載荷、適應塔柱和船廂變形從而保持小齒輪與齒條精確嚙合的功能。齒輪托架系統與可伸縮聯軸器聯合作用，能夠自動調整工作狀態，自動適應傳動軸位置誤差，使船廂及其設備系統適應混凝土塔柱因日照等因素產生的溫度變形，保證升船機升降運行過程不會發生卡阻現象。當船廂與平衡重系統之間的不平衡力超過驅動機構齒輪載荷的設定值時，升船機控制系統電氣制動停機，隨不平衡力逐步增加，直至安全機構將船廂鎖定。

安全裝置力求升船機運行“萬無一失”

齒輪齒條構成升船機的行走機構，短螺桿長螺母柱則是升船機的安全保障機構。在升船機驅動機構設有工作制動器和安全制動器，形如汽車碟剎。相較于鋼絲繩卷揚升船機，齒輪齒條爬升升船機則多出了一套短螺桿長螺母柱安全保障機構。

這套安全鎖定裝置簡單而巧妙。長螺母柱埋設在承船廂兩側的混凝土塔柱上，全高125米，從塔頂一直貫通到塔底。螺母柱為不相連接的兩個螺母柱片組成，多節拼裝，螺母柱面向船廂一側呈90度左右敞開狀態，以使嵌套在長螺母柱里而安裝在船廂上的短螺桿能隨升船機爬升行走機構同步上升或下降。

如圖所示，上方的短螺桿配合長螺母柱是升船機的對接鎖定機構，對接鎖定機構只在承船廂與閘首工作門對接時工作。承船廂與閘首工作門對接時，對接鎖定機構上下鎖定塊在液壓驅動下張開與螺母柱鎖定，承擔對接時垂直方向載荷。

下方的短螺桿配合長螺母柱是為船廂安全機構，螺桿螺牙與螺母柱螺牙間上下各有60毫米間隙。承船廂正常升降運行時，兩個短螺桿在長螺母柱里作不接觸螺母毫無摩擦的空轉，隨船廂同步升降。而一旦遇有船廂漏水、沉船甚或發生地震, 不平衡力將首先導致齒輪齒條爬升機構的驅動力超載而停機，隨后承船廂即產生不規則的上升下降運動。當船廂某側的配重重于滑輪另側的船廂時，螺桿上升，輕于滑輪另側的船廂時螺桿下降，直至短螺桿與長螺母柱的間隙最終消失，短螺桿螺牙與長螺母柱螺牙貼合，上下抵緊。借助螺母與螺桿的自鎖，由事故引發的承船廂不平力通過支撐桿、旋轉螺桿傳至螺母柱，再經螺母柱傳到混凝土塔柱結構上，從而實現船廂的安全鎖定。