向家坝升船机通航门启闭调速改造

王海军

摘 要：向家坝升船机自投入试通航以来，设备运行安全稳定，为金沙江航运事业做出了巨大贡献。通航门作为升船机通航流程中的关键设备，其运行状况对通航效率与设备安全有着重要影响。目前通航门在启闭过程中无法调速运行，通航门启闭到位时对闸首设备造成很大的冲击振动，影响设备安全运行。为此，本文在对通航门结构及启闭系统分析研究的基础上，提出了通航门启闭调速的改造思路，并就具体的液压启闭系统与电气控制系统的调速改造方法做了详细阐述。经过改造，既缩短了通航门的运行时间，提高通航效率，又减小了对设备的冲击振动，保证设备安全，为升船机的安全高效通航奠定了基础。

关键词：向家坝升船机;通航门;调速;改造;液压启闭;电气控制

中图分类号：U642           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）09-0076-03

向家坝升船机采用全平衡齿轮齿条爬升螺母柱保安式一级垂直升降方式，由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道组成。升船机按Ⅳ级航道标准设计，过坝代表船型为2×500吨级一顶二驳船队和1000吨级机动货运单船，最大提升高度为114.2米，总提升重量约8150吨[1-2]。

自2018年5月26日开始试通航以来，向家坝升船机整体运行稳定，状态良好，安全、高效的过坝方式，使得升船机每日船舶申报过机数量逐日增多，这对升船机的安全稳定运行提出了更高要求。通航门作为升船机运行流程中关键设备，其运行状况对升船机的安全稳定运行有着至关重要的影响。

1 通航门及启闭系统介绍

1.1 通航门结构介绍

向家坝升船机通航门共两套，分别布置在上、下闸首工作门的U形凹槽结构中，采用双吊点液压启闭机靜水启闭方式。通航门关闭时，其与上闸首或下闸首工作门一起作为升船机的上游或下游挡水设施，通航门开启时，升船机船厢水域与上游或下游水域联通形成船只进出船厢的通道[3]。

通航门由门叶结构、支承装置、水封装置、转铰装置等部分组成。门叶采用三主梁结构，支承装置型式为复合滑块，水封采用双P型水封。转铰装置布置在通航门底部，采用带悬臂的简支支承转铰轴的结构形式，悬臂端安装拐臂，由液压启闭机通过拐臂带动门叶绕转铰轴90°转动，从而实现通航门的开启与关闭。通航门结构如图1所示。

1.2  通航门液压启闭系统介绍

通航门液压启闭系统原理框图如图2所示，主要由电机、变量泵、电磁溢流阀、电液换向阀、单向节流阀、平衡阀组等组成。

通航门两侧启闭油缸的无杆腔、有杆腔分别通过管路联通，实现通航门启闭同步功能。缸旁平衡阀组具有较强的抗负载干扰能力，用于保证通航门启闭过程中速度平稳，以及实现通航门全开、全关或中途紧急停机时油缸的保压闭锁，防止油缸误动。平衡阀组中的溢流阀用于油缸或管路过载时泄压，保证启闭系统安全。单向节流阀用于通航门启闭速度的调节。

2 通航门启闭现状及调速改造思路

2.1 通航门启闭现状

由图2可知，目前通航门启闭速度由单向节流阀控制，该阀一旦调定，通航门在启闭过程中的速度就保持不变。若为了提高通航效率将通航门的启闭速度调大，则在通航门启闭到位时将对整个闸首工作门及门内设备产生较大冲击。若为了减小冲击振动将通航门启闭速度调小，则会延长通航门启闭时间，降低通航效率，这与日益增长的通航需求相矛盾。

2.2  通航门调速改造思路

液压系统实现动态调速的方法有三种：①泵控动态调速，如采用比例变量泵的方式;②阀控动态调速，如采用比例调速阀、比例换向阀等;③变频电机调速，采用变频电机与定量泵组合，通过变频改变泵的转速实现调速[4-6]。

目前，向家坝升船机通航门整体结构及其液压、电气设备的安装布局已经固定，针对这种情况，本文采用阀控动态调速的方式，通过增加和改造通航门少量的液压及电气设备，实现通航门在启闭过程中变速运行。

3 通航门调速改造具体方法

3.1 液压启闭系统改造

通航门液压启闭油缸基本参数如下：

由表1可得通航门液压启闭系统技术参数，如表2所示。

根据表2中的技术参数，通航门调速液压系统改造采用比例换向阀替代原系统中的单向节流阀与电液换向阀的方式，比例换向阀最高工作压力35Mpa、额定流量100L/min的，可满足现场使用要求。

3.2 电气控制系统改造

通航门液压启闭系统采用比例换向阀进行动态调速，需在电气控制系统中使用配套的比例放大器实现对比例换向阀的流量控制。由于比例换向阀的输入控制信号为±10V电压信号，故还需增加模拟量输出模块作为比例放大器的输入信号。

改造后，通航门电气控制系统由可编程逻辑控制器（PLC）、可视操作面板（HMI）、比例放大器、油缸行程编码器、压力传感器及压力继电器、接近开关等元器件组成，具备通航门的数据采集、逻辑控制、现地操作以及故障保护等功能，同时通过工业以太网与升船机集中控制站通信，可实现通航门的远程控制，其电气控制系统图如图3所示。

4 改造后通航门启闭调速流程

通航门启闭系统调速改造后，启门与闭门流程采用相同的速度曲线，在此以通航门开启流程进行说明。

通航门在全关位接收到集中控制站或HMI操作面板发送的开门命令后，电气系统控制液压系统启动建压，比例换向阀按程序逻辑控制流量在3s内从0L/min线性升至73.5L/min，启门速度则从0m/min匀加速至最大启闭速度1.5m/min，随后通航门匀速开启。当控制系统接收到油缸行程编码器反馈的预开位后，比例换向阀在5s内线性减少输出流量至18.5L/min，启门速度则匀减速至约0.38m/min，通航门再以此速度运行至全关位，系统停机。改造后通航门启闭的流量与速度曲线如图4所示。

5 结语

向家坝升船机在金沙江下游航运中起着非常重要的作用，其设备安全与通航效率一直是各方关注重点。目前通航门在启闭过程中无法调速运行，快速启闭带来的冲击严重影响设备运行安全，慢速启闭又必然会降低通航效率，矛盾突出。

本文在对通航门结构及其启闭系统分析研究的基础上，提出了通航门启闭调速的改造思路，并就具体的液压启闭系统与电气控制系统的改造方法做了详细阐述。改造后通航门启闭运行时，先在较短时间内加速至较高速度，并保持高速运行，在通航门将要启闭到位前再减速至低速运行，最后以较低速度到位停止。该方法可有效兼顾设备运行安全和保证通航效率，为升船机的安全高效运行奠定了基础，也为此类闸门的调速改造提供了思路。

参考文献：

[1] 黄文利. 向家坝水电站一级垂直升船机设计[C].水工机械技术2008年论文集. 2007.

[2] 林太举，朱翼挺. 金沙江向家坝高坝垂直升船机[J].水力发电，2014，40（1）：66-68.

[3] 金海军， 孙文才， 秦武. 向家坝升船机闸首工作闸门门体制造工艺探讨[J]. 水电与新能源， 2017， 000（002）：10-13.

[4] 吴晓路. 液压系统的调速方法[J]. 机械研究与应用， 2006， 020（003）：51，59.

[5] 李湘闽. 变频液压容积节流调速系统的设计与分析[J]. 机床与液压， 2002（4）：112-113.

[6] 李芝. 液压传动（第2版）[M]. 北京：机械工业出版社，2009.