亭子口電站升船機主提升機安全制動系統(tǒng)

(嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪，628400)

1 亭子口電站升船機概況

亭子口水利樞紐電站位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程，工程主體建筑物從左岸至右岸依次布置有左岸非溢流擋水壩段、左岸廠房壩段、底孔壩段、表孔壩段、升船機壩段和右岸非溢流壩段等建筑物，升船機通航建筑物過船規(guī)模為2×500t級，采用鋼絲繩卷揚提升式全平衡垂直提升形式，最大提升高度85.4m，承船廂結(jié)構(gòu)、設(shè)備及廂內(nèi)水體總重約6250t，電站總裝機容量1100MW。

船舶過壩時，通過上、下閘首駛?cè)胙b有水的鋼質(zhì)承船廂，承船廂由136根鋼絲繩懸吊，其重量由平衡重系統(tǒng)全部平衡，并通過主提升機驅(qū)動，在船廂室內(nèi)沿埋設(shè)在塔柱墻壁上的導軌垂直升降運行，運送船舶過壩。

主提升機的正常停機制動和一般故障工況下的快速停機制動通過電機的電氣控制系統(tǒng)實施，停機后主提升機的制動則由安全制動系統(tǒng)承擔。

2 主提升機布置與技術(shù)參數(shù)

2.1 設(shè)備布置與組成

亭子口升船機的主提升機布置在塔柱頂部的主機房內(nèi)，機房地面高程468.5m。主提升機主要由8套卷揚提升機構(gòu)、8套平衡滑輪組、2套安全制動系統(tǒng)、1套機械同步軸系統(tǒng)、8套干油潤滑系統(tǒng)及相應(yīng)的電力拖動、控制、檢測等設(shè)備組成。

每套提升機構(gòu)各由一臺200kW的交流電機驅(qū)動，8套提升機構(gòu)間通過機械同步軸聯(lián)接，形成封閉的同步軸系統(tǒng)。每個卷筒上繞有8根φ66mm的鋼絲繩，其中4根提升繩通過液壓均衡油缸與船廂連接，另4根反向纏繞的轉(zhuǎn)矩平衡繩與轉(zhuǎn)矩平衡重相連。在提升機構(gòu)的上、下游分別布置1組平衡滑輪組，每個滑輪組有9片滑輪，繞過滑輪的重力平衡繩兩端分別與船廂和重力平衡重相連。主提升設(shè)備平面布置見圖1。

每套卷揚提升機構(gòu)包括2套卷筒組、1臺減速器、1臺交流變頻電動機以及2套安全制動器、1套工作制動器等設(shè)備。卷筒組布置在減速器的兩側(cè)，工作制動器布置在電機與減速器間的帶制動盤聯(lián)軸器上，安全制動器布置在每只卷筒的外端。安全制動器與工作制動器共用液壓泵站，主提升機設(shè)2套液壓泵站，布置在主提升機房的兩端，分別控制4套卷揚提升機構(gòu)的8套安全制動器和4套工作制動器，液壓泵站與制動器之間通過管路系統(tǒng)連接。

每套安全制動器由6對制動頭和相應(yīng)的連接件等組成；每套工作制動器由1對制動頭、1個支架和相應(yīng)的連接件等組成。

圖1 主提升設(shè)備平面布置

2.2 主提升機主要技術(shù)參數(shù)

主提升機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 主提升機主要技術(shù)參數(shù)

2.3 安全制動系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

安全制動系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

3 安全制動系統(tǒng)運行特點

3.1 正常停機與快速停機制動

在主提升機電氣傳動裝置正常運行的條件下，卷揚提升機構(gòu)的正常停機制動(制動減速度0.01m/s2)和快速停機制動(制動減速度0.04m/s2)均由電動機-變頻器執(zhí)行；在電動機轉(zhuǎn)速接近零速時，工作制動器全壓上閘，延時10s～15s后，安全制動器全壓上閘。

表2 安全制動系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 緊急停機制動

當電氣傳動裝置發(fā)生故障不能實施正常停機制動和快速停機制動時，卷揚提升機構(gòu)由安全制動系統(tǒng)實施緊急停機制動。當主提升機提升載荷方向與船廂運動方向一致時，制動減速度不大于0.08m/s2；當主提升機提升載荷與船廂運動方向相反時，制動減速度不大于0.3m/s2。

3.3 正常啟動松閘

首先電機接電，并按照停機時載荷的大小與方向施加力矩，然后工作制動器松閘，再根據(jù)本次運行實際載荷的大小與方向調(diào)整輸出力矩，使卷揚提升機構(gòu)的機械傳動系統(tǒng)予緊，消除傳動間隙。然后，安全制動器松閘。最后電機正式啟動，主提升機投入運行。

4 制動器的性能要求及其型號選擇

根據(jù)亭子口升船機的運行特點和使用條件，亭子口升船機采用了江西華伍制動器股份有限公司制造的制動器，其主要性能特點有：常閉、盤式制動器，機械彈簧上閘、液壓松閘；構(gòu)件少，制動安全可靠，維護方便；設(shè)計精巧，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡單，調(diào)試方便；能適應(yīng)升船機工作環(huán)境濕度大、制動盤表面銹蝕、運轉(zhuǎn)頻繁、靜止上閘、安全可靠性要求高的運行條件與要求；制動器摩擦片的摩擦系數(shù)受壓力、溫度、濕度與對偶件材質(zhì)、表面粗糙度等因素的影響很小，能適應(yīng)制動盤水濕及銹蝕的工況條件，并便于更換；每個制動頭均設(shè)上閘到位檢測裝置和松閘到位檢測裝置，檢測信號可在現(xiàn)場顯示，并參與主提升機的集控等性能。

4.1 制動器型號選擇及驗算

4.1.1 工作制動器

亭子口升船機的工作制動器布置在主提升高速電機與高速減速器之間的聯(lián)軸器上，其主要作用是在電氣制動失效的情況下將主機緊急制動。亭子口升船機的工作制動器初步選型為SB30，每對制動頭制動力(正壓力)為2×30kN，碟簧通過有關(guān)壽命驗算，工作壽命≥200萬次，高于相關(guān)要求的50萬次以上，滿足要求；一套工作制動器(SB30)所產(chǎn)生的制動力矩Mn=30000×0.4×(0.6-0.09)=6120(N·m)，電機轉(zhuǎn)矩為Md=200×9550/739=2585(N·m)，安全系數(shù)n=6120/2585=2.36>2；因此，工作制動器選擇型號SB30滿足相關(guān)要求。工作制動器SB30結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工作制動器SB30結(jié)構(gòu)示意

4.1.2 安全制動器

亭子口升船機安全制動器布置在每只卷筒的外端，安全制動器初步選擇型號為SB400，共設(shè)置有16套，每套制動頭數(shù)量6對。每對制動頭夾緊力(正壓力)為2×400kN，每對制動頭摩擦力≥2×160kN，碟簧通過有關(guān)壽命驗算，工作壽命≥200萬次，高于相關(guān)要求的50萬次以上，滿足要求；圈筒上2套(12對)安全制動器(SB400)所產(chǎn)生的制動力矩Mn=12×400×0.4×(5.2-0.28)=9446.5kN·m；減速機低速軸端轉(zhuǎn)矩Mds=2585×619=1600kN·m；安全系數(shù)n=9446.5/1600=5.9>5；因此，安全制動器選擇型號SB400(每套制動器裝6對制動頭)滿足相關(guān)要求。SB400安全制動器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 安全制動器SB400結(jié)構(gòu)示意

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

亭子口升船機的制動系統(tǒng)中，各制動器均需要通過液壓缸驅(qū)動，故對同步、保壓、調(diào)速、超載保護、順序動作、比例卸載等液壓控制技術(shù)有著不同的要求，其制動器采用的技術(shù)主要有：

(1)制動器的每個制動單元均設(shè)上閘、松閘到位檢測裝置，檢測信號能在現(xiàn)場顯示，并參與主提升機集控；

(2)液壓站配置備用油泵電機組和控制閥組，當遇泵組或控制閥組故障時，能發(fā)訊報警并及時切換。液壓系統(tǒng)的所有電磁控制閥均采用雙冗余配置。主要電磁閥帶閥芯位置反饋；

(3)制動器對制動盤的尺寸、形位誤差及變形等具有一定的適應(yīng)能力；

(4)安全制動系統(tǒng)的所有電控裝置將預留相應(yīng)接口，以參與主提升機集控；

(5)工作制動器上閘壓力采用比例閥調(diào)節(jié)，可根據(jù)外載大小由自身的電氣控制裝置(PLC)調(diào)節(jié)；

(6)液壓站設(shè)油位、油溫、油壓檢測裝置，設(shè)帶除濕功能的空氣濾清器。當油位、油溫、油壓超過設(shè)定值時發(fā)訊報警，檢測信號參與主提升機集控；

(7)電器控制元件的電壓等級為24V直流電源；開關(guān)量信號采用無源開關(guān)接點，模擬量信號采用兩線制、4mA～20mA，比例閥控制信號為0～9V。

5 結(jié)語

亭子口升船機在設(shè)計、安裝施工中，采用了可控的安全制動系統(tǒng)，很大程度地提高了升船機運行的安全可靠性。為使制動系統(tǒng)的性能更加滿足亭子口升船機的穩(wěn)定運行要求，并確保系統(tǒng)自身的安全可靠性，設(shè)計時已經(jīng)盡可能地作了相應(yīng)的考慮，并采取了相應(yīng)措施，在安裝施工過程中，也對存在的問題作了論證并進行了調(diào)整與修改。2018年亭子口升船機順利進行現(xiàn)場調(diào)試，計劃同年10月進行通航試運行。