向家壩升船機安全機構綜述

丁建國 石儒

摘 要：通過對向家壩升船機機械結構、工作原理以及不同工況下安全機構動作情況的介紹，并結合現場實際情況對安全機構動作后的恢復以及安全機構動作對其他機構造成的影響進行了分析，從而可以確定導致升船機安全機構動作的主要因素，通過建立相關水位監測溝通共享機制，提高船廂助航人員及操作人員業務能力和責任心，避免可控因素導致的安全機構動作，保證升船機高效、安全運行。

關鍵詞：向家壩水電站;升船機;安全機構

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）08-0096-03

1向家壩升船機工程概況

向家壩水電站升船機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垂直升船機方案，升船機中心線與壩軸線垂直，其左、右兩側分別與沖沙孔壩段和廠房壩段相鄰。向家壩升船機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設備布置、構造與組成

安全機構采用“長螺母—短螺桿”式，4套中空的長螺母柱鋪設在塔柱凹槽的墻壁上，短螺桿豎直布置在螺母柱內，二者螺紋副的螺旋面之間保持一定的間隙，短螺桿通過機械傳動設備與驅動機構的齒輪軸連接，通過傳動設備適當的傳動比保證齒輪的爬升速度與螺桿的旋升速度嚴格同步。安全機構布置（見圖1），由旋轉螺桿、上/下導向架、支撐桿、支撐桿上/下支座、滑環軸承、小齒輪組件、萬向聯軸器、錐齒輪箱、離合器等組成。

驅動機構的動力通過減速器中間軸、轉向錐齒輪箱、傳動軸、萬向聯軸器、開式齒輪等將動力傳給短螺桿。在減速器與錐齒輪箱之間設置帶扭矩檢測裝置的離合器。當安全機構的阻力矩增大至限定值時，扭矩檢測裝置發出信號，驅動機構迅速停機。設備檢修時，可開啟離合器單獨對驅動機構或安全機構進行調整。

旋轉螺桿通過撐桿的偏擺來適應船廂與塔柱之間的相對變位，同時，萬向軸發生偏轉并伸長，機構適應縱、橫向變位的能力分別不小于±100mm、±120mm。

旋轉螺桿通過上/下導向架在螺母柱內定位和導向。螺桿的上、下兩端通過螺栓與上、下滑環軸承的外圈相連。上、下滑環軸承的固定內圈與上、下導向架之間分別用螺栓連接，上、下導向架的重量通過滑環軸承傳到旋轉螺桿，再經撐桿傳到船廂結構。

下滑環軸承的外圈為外齒圈，固定在旋轉螺桿下端，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，齒輪安裝在傳動軸的頂部軸頸，傳動軸通過軸承支承于下導向架上的鋼筒體內。軸的下端通過鉸座與萬向聯軸節相連。

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 安全機構功能與工作原理

安全機構用于在升船機全平衡系統遭到破壞時，避免災難性事故的發生。在正常工況下，安全機構的旋轉螺桿在驅動機構的驅動下旋轉，在船廂升降過程中保持與螺母柱之間的螺紋副間隙。當船廂升降過程中發生漏水事故時，隨著驅動機構齒輪載荷的增加，驅動機構液氣彈簧油缸的載荷檢測裝置將發出停機信號，驅動電機停止運轉，制動器上閘制動，當不平衡載荷達到液氣彈簧的預緊載荷時，液氣彈簧油缸產生位移使安全機構螺紋副間隙逐漸減小直至消失;在船廂對接期間發生沉船或超載等事故時，不平衡載荷將首先作用于對接鎖定裝置，超過對接鎖定裝置的設定載荷后，超出的不平衡載荷直接作用于安全機構。借助安全機構螺母與螺桿的自鎖，由事故引發的承船廂不平衡力通過撐桿、旋轉螺桿傳遞至螺母柱，再經螺母柱傳到塔柱結構上，從而實現承船廂的安全鎖定。

此外，升船機安裝、檢修時，可通過事故安全機構將承船廂鎖定。

4 設計工況和載荷

工況1：船廂內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：對接狀態水滿廂，最大不平衡載荷為12400kN。

工況3：與閘首對接時發生沉船事故，不平衡載荷按10000kN計。

在以上工況中，對安全機構設計起控制作用的工況為工況1和工況2。前者使安全機構撐桿產生最大壓力，總載荷為44650kN;后者使撐桿產生最大拉力，總載荷為12400kN。

5 安全機構不同工況下的動作情況

5.1? 對接位狀態

5.1.1? 船廂水量減少

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

5.1.2? 船廂水量增多

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

5.2? 非對接狀態

5.2.1? 船廂運行中

當承船廂發生漏水、沉船或超載等不平衡載荷事故時，隨著驅動機構齒輪載荷的增加，驅動機構的載荷檢測裝置將發出停機信號，驅動電機停止運轉，制動器上閘制動，當不平衡載荷達到液氣彈簧的預緊載荷時，液氣彈簧油缸產生位移使安全機構螺紋副間隙逐漸減小直至消失。借助螺母與螺桿的自鎖，由事故引發的船廂不平衡力通過撐桿、旋轉螺桿傳遞至螺母柱，再經螺母柱傳到塔柱結構上，從而實現船廂的安全鎖定。

5.2.2? 船廂檢修位

船廂檢修時，船廂運行至265.8m高程，工作制動器和安全制動器依次上閘，對接鎖定機構、縱導向及頂緊機構均不投入，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，當船廂的不平衡載荷超過液氣彈簧的預緊力時，驅動液氣彈簧油缸動作，驅動位移適應機構隨著動作，導致船廂動作，從而使安全機構螺紋副間隙逐漸減小直至消失，安全機構鎖死。

6 安全機構動作后的恢復流程

6.1 對接狀態位時安全螺母柱動作后恢復流程

關閉閘首通航門：

檢查工作門內液壓系統管路有無滲漏、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;

調節船廂水深至正常通航水位（3m±0.1m）;

關閉船廂門，泄間隙水;

退對接密封框，再次檢查水封及密封框變形情況;

操作縱導向及頂緊機構退回，如不能退回執行后續操作;

驅動機構液氣彈簧充壓×N次，如果充不上壓，檢查液壓管路，待四個液氣彈簧充壓到位;

對接鎖定解鎖×N次，如果不能解鎖，檢查液壓管路，待四個點對接鎖定均解鎖完成;

觀察螺紋副間隙，若間隙過小，重復對接鎖定→液氣彈簧泄壓→液氣彈簧充壓→對接鎖定解鎖，直到螺紋副間隙在標準中位附近。

6.2? 非對接位安全螺母柱動作后恢復流程

通過布置在塔柱兩側的補排水管對船廂進行補水或者排水，使水位到達正常通航水位;

驅動機構液氣彈簧充壓×N次，如果充不上壓，檢查液壓管路，待四個液氣彈簧充壓到位;

對接鎖定解鎖×N次，如果不能解鎖，檢查液壓管路，待四個點對接鎖定均解鎖完成;

觀察螺紋副間隙，若間隙過小，重復對接鎖定鎖定→液氣彈簧泄壓→液氣彈簧充壓→對接鎖定解鎖，直到螺紋副間隙在標準中位附近。

7 安全機構動作對其他機構的影響

對接狀態時安全機構動作會使密封框及油缸受到豎直方向的力，可能會導致C形橡膠拉扯變形甚至破裂，密封框金屬結構變形，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全平衡打破，導致船廂金屬結構受力變形，可能會影響船廂門等活動機構的動作及密封件的密封效果，船廂水增多會導致平衡重系統鋼絲繩拉伸。升船機運行過程中安全機構動作，可能會導致小齒輪及齒條受力過大，斷裂或者變形。

8結論

通過對向家壩升船機機械結構、工作原理以及不同工況下安全機構動作情況的介紹，并結合現場實際情況對安全機構動作后的恢復以及安全機構動作對其他機構造成的影響進行了分析，從而可以確定升船機安全機構動作對其他設備的影響較大，為了保證升船機安全穩定運行，可通過建立相關水位監測溝通共享機制、提高船廂助航人員及操作人員的業務能力及責任心，合理安排檢修工期，減少船廂無水檢修時間及周期等措施，避免船廂長時間受不平衡載荷，對船廂等設備造成不可逆損傷，不斷提高升船機運行維護水平。