巖灘250 噸垂直升船機對接密封裝置同步問題分析

吳華明

巖灘水電站1×250 噸級垂直升船機是國內(nèi)第一個建成投運的垂直升船機，建設(shè)過程基本沒有可借鑒的成熟經(jīng)驗。本文通過對垂直升船機對接密封裝置無法同步推出與收回的原因進行分析，提出了解決的辦法，可以對同類型問題起到借鑒作用。

一、巖灘升船機上閘首對接系統(tǒng)總體概況

巖灘升船機2000 年5 月建成正式通航，是我國最先建成并最早投入運行的升船機。設(shè)計年貨運量180 萬噸，最大通航船舶噸位為250 噸。最大船舶型長37 米、型寬9 米、滿載吃水深1.27米，最大提升高度68.5 米。巖灘升船機主要由主提升機、平衡重裝置、承船廂總成、液壓平衡裝置、上閘首工作閘門及相關(guān)設(shè)備（通航臥倒門、對接密封裝置、充泄水裝置等）、電力拖動及監(jiān)控系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等組成。

對接功能的實現(xiàn)依靠對接密封裝置、上游通航臥倒門、承船廂上游臥倒門和充泄水裝置共同完成。上游通航臥倒門位于上閘首工作閘門頂節(jié)門頁內(nèi)，起上游航道擋水的作用。承船廂上游臥倒門位于承船廂上游端部，起承船廂擋水的作用。充泄水裝置位于工作閘門第一節(jié)箱體內(nèi)，用于對兩扇臥倒門之間的間隙充泄水。對接密封裝置呈U 形，置于上閘首工作閘門內(nèi)、通航臥倒門之下，由12 個油缸控制，可向下游方向推出，油缸工作行程200 毫米。它與承船廂對接，起對接止水作用，是升船機運行的重要部件，可靠性要求很高。

二、巖灘升船機對接密封裝置運行存在的問題

（一）對接密封裝置及液壓啟閉機的結(jié)構(gòu)原理

對接密封裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，它由U 形鋼結(jié)構(gòu)伸縮框、C 形水封、L 形水封、液壓推送系統(tǒng)、外側(cè)支承輪和內(nèi)側(cè)導(dǎo)向輪等組成。L 形水封高3.76 米、寬12.7 米，固定在伸縮框下游端面板上，用于伸縮框與承船廂之間止水。液壓系統(tǒng)由泵站、管路和12 個推送油缸組成。12 個油缸、18 個支承輪和14 個導(dǎo)向輪都均布在U 形伸縮框上。液壓原理如圖1 所示。

圖1 對接密封裝置啟閉機液壓原理圖

根據(jù)圖1，對接密封裝置啟閉機12 個油缸全部并聯(lián)在一起，均布在U 形密封框上。其中1 號、2 號油缸和11 號、12 號油缸分別安裝在U 形密封框的左右兩個立面上，3—10 號油缸安裝在U形密封框底部。

（二）對接及解除對接流程

升船機通航時的對接流程：工作大門保持在高出上游水面0.9—1.2 米之間，當(dāng)承船廂按工作大門高程?？繒r，工作大門與承船廂就處在正確的對接位置。液壓啟閉機的12 只油缸同時伸出將對接密封裝置向下游推出約200 毫米，到達工作位置，對接密封裝置上的L 形橡膠壓到承船廂的對接平面，并保持有10—30 毫米的壓縮量，在工作大門與承船廂之間形成一個密封間隙。充泄水裝置從上游引水向?qū)有纬傻拿芊忾g隙充水，平衡上游和承船廂的水位后，打開工作大門上通航臥倒門和承船廂上游臥倒門，就實現(xiàn)了承船廂水體和上游航道水體連通，對接完成。

解除對接流程：關(guān)閉工作閘門上通航臥倒門和承船廂臥倒門，充泄水裝置把對接形成的密封間隙充水排到下游，液壓啟閉機的12 只油缸同時收回，將對接密封裝置收回到工作大門內(nèi)，解除對接完成。

（三）對接密封裝置運行存在的問題

升船機初期投入運行時，對接密封裝置12只液壓油缸的動作同步性由于受諸多因素影響，不易達到同步誤差小于3 毫米的要求，但其運行并無卡阻或爬行現(xiàn)象，伸縮平穩(wěn)。

幾年后，隨著運行次數(shù)增多，運動部件之間的摩擦增大，對接密封裝置的U 形左、右立面同步偏差越來越大，最終變?yōu)?—12 號油缸先推出，對接密封裝置右側(cè)立面先碰到承船廂對接面后，左側(cè)立面1—6 號油缸才開始動作，同步誤差最大約有170 毫米以上。對接密封裝置左右兩邊運行軌跡呈“ N ”字形，由于裝置底部10 個承重支承輪不是直線運動，支承輪及導(dǎo)軌都出現(xiàn)明顯偏磨痕跡，部分支承輪軸承損壞無法轉(zhuǎn)動，裝置推出及收回都出現(xiàn)很大卡阻摩擦噪聲。

出現(xiàn)卡阻故障初期，每年都對密封裝置進行全面檢查維護：檢查密封裝置液壓啟閉機運行情況，清洗啟閉機液壓閥組及油箱，過濾液壓油，對密封裝置的18 個支承輪和14 個導(dǎo)向輪軸承及導(dǎo)軌加油潤滑，檢查油缸活塞桿與密封裝置連接處是否松動卡阻，并對所有運動摩擦部件進行潤滑。每次經(jīng)過維護保養(yǎng)，密封裝置的運行卡阻情況都有所改善，卡阻噪聲減小。但經(jīng)常是運行半年后，對密封裝置的運行卡阻情況又逐漸加重，最終又變?yōu)橛覀?cè)立面先碰到承船廂對接面后，左側(cè)立面才開始動作，裝置推出及收回又出現(xiàn)很大卡阻摩擦噪聲。

2017 年，由于設(shè)備磨損老化加劇，對密封裝置進行全面大修，更換了油泵電機、液壓閥組、液壓油，更換了全部支承輪及導(dǎo)向輪，對裝置底部水平度進行了調(diào)整，對磨損的導(dǎo)軌進行平整處理，盡量使密封裝置重量在各個支承輪間均勻分配，并對所有運動摩擦部件進行潤滑。試驗運行時，對接密封裝置推出收回順暢，左右不同步誤差最大約有50 毫米，沒有卡阻摩擦噪聲。但升船機通航運行一年后，密封裝置運行狀況又開始逐漸惡化，運行卡阻情況又逐漸加重，左右不同步誤差又逐漸變大，最終又回到大修前的狀態(tài)。

三、對接密封裝置油缸無法同步原因分析及解決辦法

（一）對接密封裝置油缸無法同步原因分析

經(jīng)過多年對密封裝置維護檢修經(jīng)驗證實，希望通過常規(guī)維護保養(yǎng)使設(shè)備恢復(fù)正常，最終是失敗的。僅僅依靠維護保養(yǎng)更換設(shè)備，無法徹底解決密封裝置動作不同步問題。以設(shè)備運行時受力不均衡為起點，分析設(shè)備結(jié)構(gòu)和液壓啟閉機的動作原理，才能找到解決問題的辦法。

從圖1 密封裝置液壓原理可知，啟閉機12只油缸全部并聯(lián)在一起，在受到的阻力相同的情況下，當(dāng)電磁閥動作導(dǎo)通后，每個油缸同時受到油壓的作用力，理論上應(yīng)該是同時推出同時收回。但在實際工況中，每個運動構(gòu)件受到的阻力不可能相同，所以在相同的油壓的作用力下，啟閉機12 只油缸，必定是受到阻力最小的油缸先推出，受到阻力最大的油缸最后推出。即使U 形密封框為剛性金屬結(jié)構(gòu)，可以平衡一些運動阻力，但還是無法使得油缸同步運行。對接密封裝置設(shè)備初期投入和維修后，由于各運動機構(gòu)的工況良好，運動阻力相差不大，油缸的不同步情況并不嚴重。但設(shè)備運行時間稍長，各運動機構(gòu)的工況就發(fā)生變化，各油缸受到的阻力跟著變化，油缸的不同步問題就會突出，并且會向著某一種趨勢劣化，最終同步誤差越來越大?？拷?jīng)常維修更換設(shè)備盡量使各油缸受到的阻力均衡來促使油缸同步運行，既不現(xiàn)實，也不經(jīng)濟。

（二）對接密封裝置油缸同步運行的解決辦法

通過以上分析得出結(jié)論，要實現(xiàn)對接密封裝置油缸同步運行，必須要使各油缸能夠克服不同的阻力，并且使各油缸速度具有可調(diào)節(jié)性。以對接密封裝置中心線為界線，對于右側(cè)7—12 號油缸先推出，左側(cè)1—6 號油缸后推出的問題，只要把1—6 號油缸和7—12 號油缸分開控制，在油路中加上調(diào)速閥控制兩邊速度，就可以解決對接密封裝置油缸運行不同步問題。這個方案不用對對密封裝置結(jié)構(gòu)及液壓設(shè)備進行大的改動，經(jīng)濟上比較節(jié)省成本，技術(shù)上也比較容易實現(xiàn)。改造后對接密封裝置啟閉機液壓原理如圖2 所示。

圖2 改造后對接密封裝置啟閉機液壓原理圖

根據(jù)圖2 液壓原理，把油缸并聯(lián)總管在6 號和7 號油缸之間截斷分開，在出口閥組上再引出2 根液壓軟管，把1—6 號油缸和7—12 號油缸分開控制，并在4 根供油總管上增加4 個調(diào)速閥。當(dāng)7—12 號油缸推出速度過快時，只要把右側(cè)管路上的油缸推出調(diào)速閥開度調(diào)小，把左側(cè)管路上的調(diào)速閥開度調(diào)大，就能減慢7—12 號油缸推出速度，加快1—6 號油缸推出速度，就能解決對接密封裝置兩側(cè)油缸推出運行不同步問題，最終糾正對接密封裝置運行軌跡。

四、對接密封裝置啟閉機液壓回路改造及試驗

2021 年，按設(shè)想方案對啟閉機液壓回路進行了改造，設(shè)備選型及改造安裝工藝全部根據(jù)現(xiàn)場條件確定。由于液壓啟閉機及管路布置在工作大門內(nèi)部，空間非常狹小，為了便于施工，對改造涉及到的液壓管路先拆除，在修配車間切割焊接完成后再到現(xiàn)場安裝，避免現(xiàn)場施工受場地環(huán)境制約。盡量做到既安全又利于施工，方便人員操作調(diào)試。

改造完成后，把4 個新加裝的調(diào)速閥調(diào)到全開，現(xiàn)場調(diào)試測量，油缸推出時左右偏差較大，右邊比左邊快約170 毫米；油缸收回時剛好相反，左邊比右邊快約80 毫米。針對這種情況，把調(diào)試分為三步實施：

（一）對接密封裝置推出試驗

把左側(cè)油缸推出的調(diào)速閥開到最大，逐步關(guān)小右側(cè)油缸推出的調(diào)速閥，當(dāng)左右側(cè)油缸不同步值逐漸減小到小于10 毫米時，保持閥門開度，停止調(diào)試。

（二）對接密封裝置收回試驗

把右側(cè)油缸收回的調(diào)速閥開到最大，逐步關(guān)小左側(cè)油缸收回的調(diào)速閥，當(dāng)左右側(cè)油缸不同步值逐漸減小到小于10 毫米時，保持閥門開度，停止調(diào)試。

（三）對接密封裝置推出、收回綜合試驗

由于油缸收回的出油閥就是推出時的回油閥，在收回試驗中，當(dāng)關(guān)小左側(cè)油缸收回的調(diào)速閥時，就改變了推出試驗時的同步數(shù)值。經(jīng)過反復(fù)推出、收回試驗微調(diào)，最終得到試驗結(jié)果：推出同步誤差穩(wěn)定在15 毫米左右、收回同步誤差穩(wěn)定在10 毫米左右，密封裝置推出與收回速度與未改造前相差不大。

五、結(jié)論

巖灘升船機是集水力學(xué)、機械、液壓、電氣和電子、動力學(xué)及金屬結(jié)構(gòu)等多個學(xué)科的系統(tǒng)工程，是我國第一臺投產(chǎn)運行的1×250 噸級鋼絲繩卷揚平衡重式垂直升船機。由于當(dāng)時國家沒有這方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒，因此在巖灘升船機的設(shè)計中存在一些不足。

本次改造取得以下成果：

1.改造后對接密封裝置推出時左右不同步誤差由170 毫米降到15 毫米左右；收回時誤差由80 毫米降到10 毫米左右。

2.改造后對接密封裝置運行平順，裝置底部承重支承輪及導(dǎo)軌已無偏磨現(xiàn)象，密封裝置推出和收回時卡阻摩擦噪聲消失，大大改善了設(shè)備運行工況，提高了設(shè)備使用壽命。

3.改造后如果設(shè)備受力工況發(fā)生變化，左右不同步情況出現(xiàn)變化，可以根據(jù)設(shè)備運行工況變化重新試驗，調(diào)整各調(diào)速閥的開度，繼續(xù)保持設(shè)備同步動作。

對接密封裝置啟閉機液壓回路改造后，升船機經(jīng)過一年的通航運行，對接密封裝置推出和收回動作正常，動作時無卡阻摩擦噪聲。近期經(jīng)過復(fù)核測量，推出和收回左右誤差均保持在10—20毫米之間，對接密封裝置運行同步情況良好，證明巖灘升船機對接密封裝置啟閉機液壓回路改造是成功的。