向家坝升船机安全机构综述

丁建国 石儒

摘 要：通过对向家坝升船机机械结构、工作原理以及不同工况下安全机构动作情况的介绍，并结合现场实际情况对安全机构动作后的恢复以及安全机构动作对其他机构造成的影响进行了分析，从而可以确定导致升船机安全机构动作的主要因素，通过建立相关水位监测沟通共享机制，提高船厢助航人员及操作人员业务能力和责任心，避免可控因素导致的安全机构动作，保证升船机高效、安全运行。

关键词：向家坝水电站;升船机;安全机构

中图分类号：U642             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）08-0096-03

1向家坝升船机工程概况

向家坝水电站升船机通航建筑物布置在枢纽左岸，采用全平衡齿轮爬升螺母柱保安式一级垂直升船机方案，升船机中心线与坝轴线垂直，其左、右两侧分别与冲沙孔坝段和厂房坝段相邻。向家坝升船机工程是由上游引航道、上闸首（包括挡水坝段和渡槽段）、船厢室段、下闸首和下游引航道（含辅助闸室与辅助闸首）等五部分组成。

2设备布置、构造与组成

安全机构采用“长螺母—短螺杆”式，4套中空的长螺母柱铺设在塔柱凹槽的墙壁上，短螺杆竖直布置在螺母柱内，二者螺纹副的螺旋面之间保持一定的间隙，短螺杆通过机械传动设备与驱动机构的齿轮轴连接，通过传动设备适当的传动比保证齿轮的爬升速度与螺杆的旋升速度严格同步。安全机构布置（见图1），由旋转螺杆、上/下导向架、支撑杆、支撑杆上/下支座、滑环轴承、小齿轮组件、万向联轴器、锥齿轮箱、离合器等组成。

驱动机构的动力通过减速器中间轴、转向锥齿轮箱、传动轴、万向联轴器、开式齿轮等将动力传给短螺杆。在减速器与锥齿轮箱之间设置带扭矩检测装置的离合器。当安全机构的阻力矩增大至限定值时，扭矩检测装置发出信号，驱动机构迅速停机。设备检修时，可开启离合器单独对驱动机构或安全机构进行调整。

旋转螺杆通过撑杆的偏摆来适应船厢与塔柱之间的相对变位，同时，万向轴发生偏转并伸长，机构适应纵、横向变位的能力分别不小于±100mm、±120mm。

旋转螺杆通过上/下导向架在螺母柱内定位和导向。螺杆的上、下两端通过螺栓与上、下滑环轴承的外圈相连。上、下滑環轴承的固定内圈与上、下导向架之间分别用螺栓连接，上、下导向架的重量通过滑环轴承传到旋转螺杆，再经撑杆传到船厢结构。

下滑环轴承的外圈为外齿圈，固定在旋转螺杆下端，外齿圈与齿轮啮合。齿轮组件由齿轮、轴、轴承、透盖、密封件等组成，齿轮安装在传动轴的顶部轴颈，传动轴通过轴承支承于下导向架上的钢筒体内。轴的下端通过铰座与万向联轴节相连。

撑杆下端支承于下支承座上。下支承座固定于船厢主横梁端部，由上球座、下球座、轴承盖等组成。撑杆端部的球头与中间杆件通过螺纹连接，端部球头的上下球面分别支承于上球座和下球座;上球座通过止口安装于轴承座上部。

3 安全机构功能与工作原理

安全机构用于在升船机全平衡系统遭到破坏时，避免灾难性事故的发生。在正常工况下，安全机构的旋转螺杆在驱动机构的驱动下旋转，在船厢升降过程中保持与螺母柱之间的螺纹副间隙。当船厢升降过程中发生漏水事故时，随着驱动机构齿轮载荷的增加，驱动机构液气弹簧油缸的载荷检测装置将发出停机信号，驱动电机停止运转，制动器上闸制动，当不平衡载荷达到液气弹簧的预紧载荷时，液气弹簧油缸产生位移使安全机构螺纹副间隙逐渐减小直至消失;在船厢对接期间发生沉船或超载等事故时，不平衡载荷将首先作用于对接锁定装置，超过对接锁定装置的设定载荷后，超出的不平衡载荷直接作用于安全机构。借助安全机构螺母与螺杆的自锁，由事故引发的承船厢不平衡力通过撑杆、旋转螺杆传递至螺母柱，再经螺母柱传到塔柱结构上，从而实现承船厢的安全锁定。

此外，升船机安装、检修时，可通过事故安全机构将承船厢锁定。

4 设计工况和载荷

工况1：船厢内的水全部漏空或船厢空厢检修，不平衡载荷为全部水重，共44650kN。

工况2：对接状态水满厢，最大不平衡载荷为12400kN。

工况3：与闸首对接时发生沉船事故，不平衡载荷按10000kN计。

在以上工况中，对安全机构设计起控制作用的工况为工况1和工况2。前者使安全机构撑杆产生最大压力，总载荷为44650kN;后者使撑杆产生最大拉力，总载荷为12400kN。

5 安全机构不同工况下的动作情况

5.1  对接位状态

5.1.1  船厢水量减少

在对接期间，船厢水减少导致升船机全平衡被打破，平衡重侧重量大于船厢侧重量，导致对接锁定支承油缸上位缸无杆腔压力增大，当船厢的附加载荷超出锁定机构的锁定能力时，支承油缸将通过限压阀卸载，导致船厢向上移动，船厢的竖向位移使安全机构螺纹副的间隙消除，船厢的附加载荷将通过安全机构传递到塔柱，可确保升船机安全。

5.1.2  船厢水量增多

在对接期间，船厢水增多导致升船机全平衡被打破，船厢侧重量大于平衡重侧重量，导致对接锁定支承油缸下位缸有杆腔压力增大，当船厢的附加载荷超出锁定机构的锁定能力时，支承油缸将通过限压阀卸载，导致船厢向下移动，船厢的竖向位移使安全机构螺纹副的间隙消除，船厢的附加载荷将通过安全机构传递到塔柱，可确保升船机安全。

5.2  非对接状态

5.2.1  船厢运行中

当承船厢发生漏水、沉船或超载等不平衡载荷事故时，随着驱动机构齿轮载荷的增加，驱动机构的载荷检测装置将发出停机信号，驱动电机停止运转，制动器上闸制动，当不平衡载荷达到液气弹簧的预紧载荷时，液气弹簧油缸产生位移使安全机构螺纹副间隙逐渐减小直至消失。借助螺母与螺杆的自锁，由事故引发的船厢不平衡力通过撑杆、旋转螺杆传递至螺母柱，再经螺母柱传到塔柱结构上，从而实现船厢的安全锁定。

5.2.2  船厢检修位

船厢检修时，船厢运行至265.8m高程，工作制动器和安全制动器依次上闸，对接锁定机构、纵导向及顶紧机构均不投入，开启船厢底部排水阀，随着船厢水量较少小齿轮受力逐渐增大，当船厢的不平衡载荷超过液气弹簧的预紧力时，驱动液气弹簧油缸动作，驱动位移适应机构随着动作，导致船厢动作，从而使安全机构螺纹副间隙逐渐减小直至消失，安全机构锁死。

6 安全机构动作后的恢复流程

6.1 对接状态位时安全螺母柱动作后恢复流程

关闭闸首通航门：

检查工作门内液压系统管路有无渗漏、密封框有无变形、水封有无漏水情况;检查船厢各液压泵站及管路是否正常;

调节船厢水深至正常通航水位（3m±0.1m）;

关闭船厢门，泄间隙水;

退对接密封框，再次检查水封及密封框变形情况;

操作纵导向及顶紧机构退回，如不能退回执行后续操作;

驱动机构液气弹簧充压×N次，如果充不上压，检查液压管路，待四个液气弹簧充压到位;

对接锁定解锁×N次，如果不能解锁，检查液压管路，待四个点对接锁定均解锁完成;

观察螺纹副间隙，若间隙过小，重复对接锁定→液气弹簧泄压→液气弹簧充压→对接锁定解锁，直到螺纹副间隙在标准中位附近。

6.2  非对接位安全螺母柱动作后恢复流程

通过布置在塔柱两侧的补排水管对船厢进行补水或者排水，使水位到达正常通航水位;

驱动机构液气弹簧充压×N次，如果充不上压，检查液压管路，待四个液气弹簧充压到位;

對接锁定解锁×N次，如果不能解锁，检查液压管路，待四个点对接锁定均解锁完成;

观察螺纹副间隙，若间隙过小，重复对接锁定锁定→液气弹簧泄压→液气弹簧充压→对接锁定解锁，直到螺纹副间隙在标准中位附近。

7 安全机构动作对其他机构的影响

对接状态时安全机构动作会使密封框及油缸受到竖直方向的力，可能会导致C形橡胶拉扯变形甚至破裂，密封框金属结构变形，液压油缸及密封损坏等情况。

由于船厢漏水或者水满厢升船机全平衡打破，导致船厢金属结构受力变形，可能会影响船厢门等活动机构的动作及密封件的密封效果，船厢水增多会导致平衡重系统钢丝绳拉伸。升船机运行过程中安全机构动作，可能会导致小齿轮及齿条受力过大，断裂或者变形。

8结论

通过对向家坝升船机机械结构、工作原理以及不同工况下安全机构动作情况的介绍，并结合现场实际情况对安全机构动作后的恢复以及安全机构动作对其他机构造成的影响进行了分析，从而可以确定升船机安全机构动作对其他设备的影响较大，为了保证升船机安全稳定运行，可通过建立相关水位监测沟通共享机制、提高船厢助航人员及操作人员的业务能力及责任心，合理安排检修工期，减少船厢无水检修时间及周期等措施，避免船厢长时间受不平衡载荷，对船厢等设备造成不可逆损伤，不断提高升船机运行维护水平。