安全機構在全平衡式升船機中的實際應用

何海波 魏飛 陸海洋 余勇

摘 要：全平衡式升船機的安全可靠運行離不開安全機構這一重要的安全保護裝置。當事故發(fā)生平衡被打破后，安全機構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。本文對向家壩升船機各類工況下載荷傳遞方式進行闡述分析，結合向家壩升船機安全機構動作的相關實例，將設計中的事故預想轉化成了標準細致的現(xiàn)場處置恢復措施且成功實際應用，對同類升船機的運維管理具有指導意義。

關鍵詞：安全機構;平衡;事故;鎖定;處置;實例

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0052-03

向家壩升船機采用的是齒輪齒條爬升、螺母柱保安式全平衡升船機。全平衡體現(xiàn)在承船廂兩側用鋼絲繩通過塔柱頂部的定向滑輪轉向，連接平衡重。配置的平衡重重量相當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整個系統(tǒng)的摩阻力、慣性力和承船廂載水深度允許誤差內的水體重量，大大節(jié)約運行能耗。而安全機構則是在全平衡狀態(tài)遭到破壞時，讓船廂安全自鎖，仍讓船廂保持平衡，是升船機安全運行最重要的保障機構。

1 安全機構簡介

安全機構共有四套，采用“長螺母—短螺桿” 式，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在上、下兩個方向均有60mm的間隙。

4套安全機構分別通過機械軸系統(tǒng)與相鄰的驅動機構耦合，通過傳動設備適當?shù)膫鲃颖缺ＷC驅動機構小齒輪的爬升速度與螺桿的旋升速度嚴格同步。

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。事故工況下，安全機構螺母與螺桿的自鎖，不平衡力通過撐桿、旋轉螺桿傳遞至螺母柱，再經(jīng)螺母柱傳到塔柱結構上，從而實現(xiàn)承船廂的安全鎖定。

2 其他平衡保障機構簡介

2.1驅動機構

驅動機構共4套，分別布置在船廂兩側的4個側翼平臺上，4套驅動機構通過布置在船廂結構中的同步軸系統(tǒng)相連。小齒輪托架系統(tǒng)是船廂驅動的支撐系統(tǒng)，同時將小齒輪受力以2：1的杠桿比傳遞給液氣彈簧機構。

液氣彈簧油缸作為液氣彈簧機構的組成部分為雙活塞油缸，油缸兩有桿腔與高位補油油箱連接，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張力530kN，對應船廂水深偏差為31.1cm，無桿腔最大張力750KN，對應船廂水深偏差44cm。即當水深偏差達到31.1cm后，液氣彈簧活塞桿開始移動，安全機構螺紋間隙開始減小;當水深偏差達到44cm時，液氣彈簧油缸無桿腔被壓縮至極限值，此時安全機構螺紋間隙為0。

2.2對接鎖定機構

對接鎖定機構共4套，用于在船廂與閘首對接期間，承擔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、框架結構、導向裝置等組成。撐緊油缸用于使機構獲得對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正常運行工況

船廂由非對接工況轉入對接工況時，對接鎖定機構鎖定機構的撐緊油缸推出，并以一定的壓力壓緊摩擦軌道，隨后在整個對接期間撐緊油缸由高壓小流量泵和蓄能器聯(lián)合保壓。然后驅動機構液氣彈簧再泄壓，小齒輪上不再承受載荷，豎向載荷就轉移到了對接鎖定機構上，再通過摩擦副傳至塔柱。

船廂由對接工況轉入非對接工況時，在對接密封框退回后，驅動機構的液氣沖壓保持預張力，然后鎖定機構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)轉移到船廂驅動機構由小齒輪承擔。以上正常工況下，安全機構不參與載荷的承擔。

3.2事故工況

3.2.1非對接期間

非對接期間，當升船機船廂因漏水導致船廂內水深不斷降低時，驅動系統(tǒng)承受的載荷也逐漸加大。根據(jù)2.1中的驅動機構的整定參數(shù)，當減少水深31.1cm時，液氣彈簧載荷也超過了預張力530KN，活塞桿將縮回，無桿腔油液進入活塞式蓄能器內對氣體進行壓縮，這時安全機構螺紋副間隙將變小。當水深減少44cm時，活塞桿全部縮回，安全機構螺紋副間隙完全消失，無桿腔達到最大張力750KN。船廂水深如繼續(xù)降低，增加的不平衡載荷將由安全機構全部承擔，船廂保持安全鎖定。

當通過補水措施恢復船廂水深時，安全機構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，則液氣彈簧活塞桿將在蓄能器的壓力下伸出，安全機構螺紋副間隙也將從0開始增大，直到蓄能器提供的動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。此時雖然船廂已恢復平衡，但螺紋副間隙不再增大。

3.2.2 對接期間

當升船機對接期間因下游水位變化導致船廂水深不斷降低（或升高）時，對接鎖定機構承擔的豎向載荷也逐漸增大。根據(jù)2.2中的對接鎖定機構整定參數(shù)，當減少水深37.9CM時（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下升高到5.7MPa（6.7MPa），達到安全溢流閥設定壓力，開始溢流限壓，支承油缸上（下）油缸活塞也隨之開始移動，安全機構螺紋間隙減小直到消失。增加的載荷將由安全機構全部承擔，船廂保持安全鎖定。

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

3.3 小結

（1）鎖定機構中支承油缸與驅動機構中的液氣彈簧油缸退讓原理不同，鎖定機構中支承油缸的退讓方式為超壓溢流，驅動機構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，驅動機構液氣彈簧油缸活塞桿可以在蓄能器壓力下復位到正常行程，安全機構可以自行恢復部分間隙。而鎖定機構的支承油缸由于沒有蓄能器作為壓力源，還需進行人工操作干預，才能幫助安全機構恢復正常間隙。

4 安全機構動作實例

4.1對接期間動作

此類動作發(fā)生在船廂已完成下游對接期間，正在進行下行船舶出廂或上行船舶進廂流程。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個安全機構螺紋副間隙同為0，屬于3.2.2中的事故工況。

4.2對接過程中動作

此類動作發(fā)在船廂正在進行下游對接過程的期間，由于停位到開通航門有約5min鐘間隔時間，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。此時對接工作還未完全完成，安全機構即開始動作，但因此時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

進行船廂檢修工作時，船廂處于非對接狀態(tài)，此時豎向載荷由驅動機構的小齒輪托架機構承擔。如檢修工作涉及小齒輪托架及相關的液氣彈簧機構。則驅動機構就無法承擔船廂的豎向載荷，此時人為模擬3.2.1中的事故工況來讓安全機構來承擔豎向載荷，為檢修工作提供不可替代安全保障。

5 動作后的處置恢復措施

5.1 阻止不平衡擴大

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

實際操作中選擇手動發(fā)“關閉閘首通航門”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選擇發(fā)“關閉閘首通航門”令。

5.2 恢復船廂平衡

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

即如果前一個處置步驟是發(fā)“緊急關門”令，就需先將船廂門打開，再發(fā)“調節(jié)船廂水深”令，如果前一個處置步驟是發(fā)“關閘首通航門”令，就可直接調節(jié)船廂水深，根據(jù)充泄水系統(tǒng)的設計流量，調節(jié)0.5M的船廂水深需約9分鐘。

5.3 解除對接狀態(tài)

船廂恢復平衡后，按照關閉船廂門，泄間隙水，退回閘首密封框的步驟進行對接解除操作。由于船廂位置與閘首密封框有約6CM的相對位移，在退回閘首密封框后應仔細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構退回，至此對接狀態(tài)解除。

5.4 恢復船廂姿態(tài)

解除對接后由于鎖定機構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位至正常的上極限位，安全機構螺紋副還未恢復正常間隙。

此時利用驅動機構液氣彈簧提供的壓力來恢復安全機構的間隙，通過讓驅動機構液氣彈簧充泄壓配合對接鎖定機構的鎖定解鎖動作，一般可讓安全機構螺紋副間隙恢復至正常值的一半，即3mm左右。

隨后發(fā)令讓船廂運行。船廂上下運行過程中，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張力的作用下自動恢復姿態(tài)，安全機構的螺紋副間隙也就能恢復至正常值了。

6 結語

向家壩升船機的安全機構沿用國內外成熟設計，其技術參數(shù)、構造形式、機構運動方式等技術條件，經(jīng)過實際運用檢驗。其高可靠性確保在任何工況下均能投入工作，實現(xiàn)船廂安全自鎖。同時動作后船廂仍能保持水平，不需采取復雜特殊的調平工藝，只需進行日常運行的常規(guī)操作，即可讓船廂恢復運行，過程快速簡便，有助于提高升船機的運行效率，更好地發(fā)揮通航效益。

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