向家壩升船機通航門啟閉調速改造

王海軍

摘 要：向家壩升船機自投入試通航以來，設備運行安全穩定，為金沙江航運事業做出了巨大貢獻。通航門作為升船機通航流程中的關鍵設備，其運行狀況對通航效率與設備安全有著重要影響。目前通航門在啟閉過程中無法調速運行，通航門啟閉到位時對閘首設備造成很大的沖擊振動，影響設備安全運行。為此，本文在對通航門結構及啟閉系統分析研究的基礎上，提出了通航門啟閉調速的改造思路，并就具體的液壓啟閉系統與電氣控制系統的調速改造方法做了詳細闡述。經過改造，既縮短了通航門的運行時間，提高通航效率，又減小了對設備的沖擊振動，保證設備安全，為升船機的安全高效通航奠定了基礎。

關鍵詞：向家壩升船機;通航門;調速;改造;液壓啟閉;電氣控制

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0076-03

向家壩升船機采用全平衡齒輪齒條爬升螺母柱保安式一級垂直升降方式，由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道組成。升船機按Ⅳ級航道標準設計，過壩代表船型為2×500噸級一頂二駁船隊和1000噸級機動貨運單船，最大提升高度為114.2米，總提升重量約8150噸[1-2]。

自2018年5月26日開始試通航以來，向家壩升船機整體運行穩定，狀態良好，安全、高效的過壩方式，使得升船機每日船舶申報過機數量逐日增多，這對升船機的安全穩定運行提出了更高要求。通航門作為升船機運行流程中關鍵設備，其運行狀況對升船機的安全穩定運行有著至關重要的影響。

1 通航門及啟閉系統介紹

1.1 通航門結構介紹

向家壩升船機通航門共兩套，分別布置在上、下閘首工作門的U形凹槽結構中，采用雙吊點液壓啟閉機靜水啟閉方式。通航門關閉時，其與上閘首或下閘首工作門一起作為升船機的上游或下游擋水設施，通航門開啟時，升船機船廂水域與上游或下游水域聯通形成船只進出船廂的通道[3]。

通航門由門葉結構、支承裝置、水封裝置、轉鉸裝置等部分組成。門葉采用三主梁結構，支承裝置型式為復合滑塊，水封采用雙P型水封。轉鉸裝置布置在通航門底部，采用帶懸臂的簡支支承轉鉸軸的結構形式，懸臂端安裝拐臂，由液壓啟閉機通過拐臂帶動門葉繞轉鉸軸90°轉動，從而實現通航門的開啟與關閉。通航門結構如圖1所示。

1.2? 通航門液壓啟閉系統介紹

通航門液壓啟閉系統原理框圖如圖2所示，主要由電機、變量泵、電磁溢流閥、電液換向閥、單向節流閥、平衡閥組等組成。

通航門兩側啟閉油缸的無桿腔、有桿腔分別通過管路聯通，實現通航門啟閉同步功能。缸旁平衡閥組具有較強的抗負載干擾能力，用于保證通航門啟閉過程中速度平穩，以及實現通航門全開、全關或中途緊急停機時油缸的保壓閉鎖，防止油缸誤動。平衡閥組中的溢流閥用于油缸或管路過載時泄壓，保證啟閉系統安全。單向節流閥用于通航門啟閉速度的調節。

2 通航門啟閉現狀及調速改造思路

2.1 通航門啟閉現狀

由圖2可知，目前通航門啟閉速度由單向節流閥控制，該閥一旦調定，通航門在啟閉過程中的速度就保持不變。若為了提高通航效率將通航門的啟閉速度調大，則在通航門啟閉到位時將對整個閘首工作門及門內設備產生較大沖擊。若為了減小沖擊振動將通航門啟閉速度調小，則會延長通航門啟閉時間，降低通航效率，這與日益增長的通航需求相矛盾。

2.2? 通航門調速改造思路

液壓系統實現動態調速的方法有三種：①泵控動態調速，如采用比例變量泵的方式;②閥控動態調速，如采用比例調速閥、比例換向閥等;③變頻電機調速，采用變頻電機與定量泵組合，通過變頻改變泵的轉速實現調速[4-6]。

目前，向家壩升船機通航門整體結構及其液壓、電氣設備的安裝布局已經固定，針對這種情況，本文采用閥控動態調速的方式，通過增加和改造通航門少量的液壓及電氣設備，實現通航門在啟閉過程中變速運行。

3 通航門調速改造具體方法

3.1 液壓啟閉系統改造

通航門液壓啟閉油缸基本參數如下：

由表1可得通航門液壓啟閉系統技術參數，如表2所示。

根據表2中的技術參數，通航門調速液壓系統改造采用比例換向閥替代原系統中的單向節流閥與電液換向閥的方式，比例換向閥最高工作壓力35Mpa、額定流量100L/min的，可滿足現場使用要求。

3.2 電氣控制系統改造

通航門液壓啟閉系統采用比例換向閥進行動態調速，需在電氣控制系統中使用配套的比例放大器實現對比例換向閥的流量控制。由于比例換向閥的輸入控制信號為±10V電壓信號，故還需增加模擬量輸出模塊作為比例放大器的輸入信號。

改造后，通航門電氣控制系統由可編程邏輯控制器（PLC）、可視操作面板（HMI）、比例放大器、油缸行程編碼器、壓力傳感器及壓力繼電器、接近開關等元器件組成，具備通航門的數據采集、邏輯控制、現地操作以及故障保護等功能，同時通過工業以太網與升船機集中控制站通信，可實現通航門的遠程控制，其電氣控制系統圖如圖3所示。

4 改造后通航門啟閉調速流程

通航門啟閉系統調速改造后，啟門與閉門流程采用相同的速度曲線，在此以通航門開啟流程進行說明。

通航門在全關位接收到集中控制站或HMI操作面板發送的開門命令后，電氣系統控制液壓系統啟動建壓，比例換向閥按程序邏輯控制流量在3s內從0L/min線性升至73.5L/min，啟門速度則從0m/min勻加速至最大啟閉速度1.5m/min，隨后通航門勻速開啟。當控制系統接收到油缸行程編碼器反饋的預開位后，比例換向閥在5s內線性減少輸出流量至18.5L/min，啟門速度則勻減速至約0.38m/min，通航門再以此速度運行至全關位，系統停機。改造后通航門啟閉的流量與速度曲線如圖4所示。

5 結語

向家壩升船機在金沙江下游航運中起著非常重要的作用，其設備安全與通航效率一直是各方關注重點。目前通航門在啟閉過程中無法調速運行，快速啟閉帶來的沖擊嚴重影響設備運行安全，慢速啟閉又必然會降低通航效率，矛盾突出。

本文在對通航門結構及其啟閉系統分析研究的基礎上，提出了通航門啟閉調速的改造思路，并就具體的液壓啟閉系統與電氣控制系統的改造方法做了詳細闡述。改造后通航門啟閉運行時，先在較短時間內加速至較高速度，并保持高速運行，在通航門將要啟閉到位前再減速至低速運行，最后以較低速度到位停止。該方法可有效兼顧設備運行安全和保證通航效率，為升船機的安全高效運行奠定了基礎，也為此類閘門的調速改造提供了思路。

參考文獻：

[1] 黃文利. 向家壩水電站一級垂直升船機設計[C].水工機械技術2008年論文集. 2007.

[2] 林太舉，朱翼挺. 金沙江向家壩高壩垂直升船機[J].水力發電，2014，40（1）：66-68.

[3] 金海軍， 孫文才， 秦武. 向家壩升船機閘首工作閘門門體制造工藝探討[J]. 水電與新能源， 2017， 000（002）：10-13.

[4] 吳曉路. 液壓系統的調速方法[J]. 機械研究與應用， 2006， 020（003）：51，59.

[5] 李湘閩. 變頻液壓容積節流調速系統的設計與分析[J]. 機床與液壓， 2002（4）：112-113.

[6] 李芝. 液壓傳動（第2版）[M]. 北京：機械工業出版社，2009.