向家坝升船机对接密封装置运行可靠性浅析

姚明明 叶子蜻

摘 要：对接密封装置是湿运升船机承船厢与闸首实现对接的密封止水装置，是升船机正常安全运行的关键设备之一。对接密封装置运行的可靠性对确保通航效率，保障设备安全具有重要意义。本文从三个方面对向家坝升船机对接密封装置运行的可靠性作简要分析和研究。

关键词：升船机;对接密封装置;液压系统;传感器;水封

中图分类号：U642           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）09-0113-03

向家坝升船机是继三峡升船机后国内又一座采用齿轮齿条爬升螺母柱保安的大型湿运升船机，过坝代表船型为2×500t级一顶二驳船队，并兼顾1000t级单船，最大提升高度114.2m。向家坝升船机自调试和试通航期间多次出现对接密封框对接失败的情况，影响通航效率和设备安全。因此，对接密封装置运行可靠性的研究对确保通航效率，保障设备安全具有重要意义。

向家坝升船机上、下闸首工作门顶节门叶的U型结构中各设置1套对接密封装置，用于上、下闸首航槽与船厢水域的连通，保障船只安全通行。对接密封装置主要由U形密封框及其支承导向装置、水封装置、驱动装置、碟簧组等组成。驱动装置共10套，每套驱动装置的液压缸活塞杆经过碟簧组与密封框腹板连接。船厢与闸首实施对接时，驱动装置的液压缸同步驱动密封框，密封框伸出接触船厢端面后，液压缸继续施加压力，碟簧组被继续压缩，液压缸活塞杆推出至工作行程后，完成对接运行。本文從三个方面重点分析对接密封装置如何可靠的运行及影响其安全运行的主要因素。

1液压系统

对接密封装置与闸首通航门、闸首工作门锁定共用一套液压系统，泵站布置在闸首工作门（门叶间隙）内，每套泵站设二台手动变量泵-电动机组，同时开启互为备用。液压系统对对接密封装置的影响主要体现在两个方面。

1.1  油质和油温

经过长时间运行，油品中会有铁屑等杂质造成油品质量下降，对管路、阀件等造成堵塞，密封装置部分油缸达不到动作压力值，油缸未动作或动作速度异常等都会造成对接密封框对接失败。向家坝升船机2018年6月频繁出现对接密封装置对接失败的情况，油液送检发现油液的颗粒度等级超出了液压系统对油液清洁度的要求，油液质量不合格。对液压油进行了过滤并更换液压系统滤芯后，有效降低油品颗粒度等级，提高了油品质量，对接密封装置对接失败的频率大幅降低。

油温的影响主要在于改变了油液的运动粘度。冬季油温低（尤其气温降低到10 ℃以下时），油液的运动粘度变大，油液流动性变差，对接密封装置动作失败的情况更容易发生。在发令动作设备之前，启动油箱加热器，手动启泵空载循环将油箱油温加热到20℃以上能大大降低因油温低而引发的液压系统的一系列故障。

1.2  油缸动作的同步性

对接密封装置由10个液压缸驱动，将运行工况基本相同的回路组合成对，由7个比例换向阀控制。对接密封装置伸出和退回要求10个油缸同步动作，当某时刻油缸中行程最大值与行程最小值偏差超过设定值，系统会报三类故障停机。不同回路必然存在负载压力不等的问题，对接密封装置10个油缸在负载压力不同的情况下按如下方式实现同步动作。

执行元件（ 液压缸） 运动速度由流量控制阀来调节时，其调速机理在于一定压差条件下，改变节流口液阻的大小来控制通过节流口的流量。

节流口过流量与其前后压力差的关系：

Q=K×A×ΔPm

式中：

Q——节流口过流量;

K——与节流口的几何形状及液体性质有关的节流系数;

A——节流口通流面积;

ΔP——节流口前后压力差;

M——由节流口的形状（ 即孔径与孔长的相对大小）决定的指数，0.5

由上述节流口流量特性可知，在不考虑流体体积压缩和温度影响的前提下，节流口过流量只取决于节流口前后的压力差ΔP。而在开式恒压系统中，此压力差在油泵出口压力和油箱压力为常数时，直接与负载压力有关。

负载压力变化致使节流口前后压差ΔP变化，流量控制阀过流量则随之变化，进而影响执行元件的运动速度。为保证负载压力变化时，节流阀仍能起到流量控制的作用，为节流阀串联定差减压阀与梭阀配合构成一个二通进口压力补偿器。应用定差减压阀来保证节流阀前后压力差ΔP恒定，进而使节流阀过流量不受负载变化的影响。

二通压力补偿器（见图1和图2）的阀芯左边作用着比例换向阀进口压力P1，右边作用着比例换向阀出口压力P2及弹簧力。略去液动力，在阀芯平衡位置可得

当弹簧很软，调节位移又很短时，弹簧力的变化也就很小，从而压力差近似为常数。只有当弹簧进一步压缩时，调节阀芯才使调节阀口A1的过流断面变化。只要外加压力差Pp-P2大于Ff/Ak（调定的ΔP值）时，阀能很好地起到流量调节作用。

压力补偿器选用时应注意液动力对补偿精度的影响，很多厂家已对传统的定差减压阀进行了修正，有效地消除了液动力对补偿精度的影响。

2 信号检测装置

信号检测装置在保证对接密封装置运行可靠性方面的作用不言而喻。向家坝升船机密封装置动作到位是通过驱动油缸压力和行程进行综合判断。油缸上压力和行程检测装置将实时采集到模拟量数据经AI模块送给现地控制站的PLC，PLC根据压力和行程值做出判断，将指令送给输出模块，进而使相应电控设备按要求动作。以1#缸为例，油缸带动密封框推出，水封与船厢端面接触，油缸继续推出压缩碟型弹簧，以适应非正常工况下（如地震）船厢纵向位置发生变化时，水封仍能压紧船厢端面。当行程不小于380mm，无杆腔压力大于120bar，表明密封框1#缸进到位，进到位后允许油缸行程在360mm（含）以上范围内波动，进到位信号自保持（图3）。10个油缸都进到位后密封装置整体显示进到位。如果密封装置长时间处于对接状态，可能出现油缸无杆腔压力降至11MPa，且进到位信号丢失（即油缸行程小于360mm），程序做了一个自动补压的流程，见图4。密封框退到位只看行程，当油缸行程值不大于5mm，即表明退到位，同样退到位后行程允许稍有变化，只要不大于10mm，都认为密封框退到位且信号自保持（图5），不会影响后续流程。

除了通过油缸上行程和压力的模拟量值来判断密封装置到位情况，还布置了3组传感器，用开关量信号作为补充判断，开关信号不到会使相应闭锁条件不满足导致流程中断。上、下闸首对接密封装置传感器共28个，上、下闸首各14个。分别为5个推出到位信号传感器、5个压紧到位信号传感器、4个退回到位信号传感器。对接密封装置传感器均使用接近开关，分布情况如图6所示。

信号检测系统工作的可靠性直接关系到对接密封装置能否正常运行以及能否进行后续流程。周围环境温差以及设备运行过程中的振动容易导致支架变形或传感器固定螺母松动，使传感器的稳定检测距离超过其感知范围，最终导致对接密封框对接失败。因此，需要维护人员定期对传感器安装支架螺母及线缆等进行检查，对信号端子箱内端子进行紧固，确保整个信号检测系统运行的安全可靠。

3水封装置

每一次过机流程都伴随着密封装置的进退，水封装置也频繁往复运动，因此水封（尤其是C形水封）的结实耐用程度是升船机安全运行至关重要的因素之一。对接密封装置包含2道水封，密封框与闸首工作闸门之间的密封采用C形橡胶，与船厢端面的密封采用L形水封，如图7所示。

2019年4 月14日，向家坝升船机上闸首对接密封装置的C形水封在退回过程中发生撕裂，在这之前，升船机累计运行1148厢次。事后分析认为：闸首对接密封框转角部位结构受力复杂，该部位C形水封受弯拉应力集中，水封橡胶频繁往复运动产生磨损。同时，水封压板不锈钢螺栓因往复运动出现弯曲、伸长，导致水封压板与座板压紧程度减弱（转角区域尤为突出），使水封螺栓孔承受螺栓集中载荷，加剧水封的磨损。多种原因叠加导致橡胶水封紧固螺栓孔处发生撕裂。

在2019年停航检修期间，升船机设备维护人员对对接密封装置水封进行了更换，C形水封橡皮整体设置一层化纤织物里衬，提高了水封的耐用程度，降低了水封动作过程中撕裂的风险。更换了更厚更宽的水封压板，增大压板与水封受力面积，使水封固定更加牢固。将原来的全螺纹不锈钢螺栓更换为半螺纹镀锌格高强螺栓，一方面提高了螺栓强度减小变形，一方面螺栓与橡胶接触面没有螺纹更利于密封。

4结语

以上从设计角度对二通进口压力补偿器在10组油缸动作的同步性中所起到的作用进行了说明，对信号检测系统在向家坝升船机对接密封装置中如何参与状态监测和电气控制进行了详细介绍，结合笔者在升船机实际运行过程中发现的影响对接密封装置运行可靠性的因素及采取的处理方法，希望能对国内相关的升船机运维人员提供参考和借鉴。

参考文献：

[1]BOSCH REXROTH公司有關产品样本.

[2]赵应樾.液压控制阀及其修理[M].上海：上海交通大学出版社，1999.

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