安全机构在全平衡式升船机中的实际应用

何海波 魏飞 陆海洋 余勇

摘 要：全平衡式升船机的安全可靠运行离不开安全机构这一重要的安全保护装置。当事故发生平衡被打破后，安全机构可以保证船厢安全地被锁定在任何位置，避免船厢失稳倾斜乃至倾覆。本文对向家坝升船机各类工况下载荷传递方式进行阐述分析，结合向家坝升船机安全机构动作的相关实例，将设计中的事故预想转化成了标准细致的现场处置恢复措施且成功实际应用，对同类升船机的运维管理具有指导意义。

关键词：安全机构;平衡;事故;锁定;处置;实例

中图分类号：U642              文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）10-0052-03

向家坝升船机采用的是齿轮齿条爬升、螺母柱保安式全平衡升船机。全平衡体现在承船厢两侧用钢丝绳通过塔柱顶部的定向滑轮转向，连接平衡重。配置的平衡重重量相当于承船厢加载水重量之和的大部分或全部。在这样的全平衡状态下，船厢提升功率仅需承担整个系统的摩阻力、惯性力和承船厢载水深度允许误差内的水体重量，大大节约运行能耗。而安全机构则是在全平衡状态遭到破坏时，让船厢安全自锁，仍让船厢保持平衡，是升船机安全运行最重要的保障机构。

1 安全机构简介

安全机构共有四套，采用“长螺母—短螺杆” 式，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在上、下两个方向均有60mm的间隙。

4套安全机构分别通过机械轴系统与相邻的驱动机构耦合，通过传动设备适当的传动比保证驱动机构小齿轮的爬升速度与螺杆的旋升速度严格同步。

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。事故工况下，安全机构螺母与螺杆的自锁，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。

2 其他平衡保障机构简介

2.1驱动机构

驱动机构共4套，分别布置在船厢两侧的4个侧翼平台上，4套驱动机构通过布置在船厢结构中的同步轴系统相连。小齿轮托架系统是船厢驱动的支撑系统，同时将小齿轮受力以2：1的杠杆比传递给液气弹簧机构。

液气弹簧油缸作为液气弹簧机构的组成部分为双活塞油缸，油缸两有杆腔与高位补油油箱连接，无杆腔通过液压管路与控制系统及蓄能器连接。

液气弹簧油缸无杆腔预张力530kN，对应船厢水深偏差为31.1cm，无杆腔最大张力750KN，对应船厢水深偏差44cm。即当水深偏差达到31.1cm后，液气弹簧活塞杆开始移动，安全机构螺纹间隙开始减小;当水深偏差达到44cm时，液气弹簧油缸无杆腔被压缩至极限值，此时安全机构螺纹间隙为0。

2.2对接锁定机构

对接锁定机构共4套，用于在船厢与闸首对接期间，承担船厢竖直方向的不平衡荷载。由撑紧油缸、支承油缸、液气弹簧、框架结构、导向装置等组成。撑紧油缸用于使机构获得对轨道的压紧力及竖向静摩擦力，支承油缸用于向撑紧油缸传递船厢的竖向附加载荷。

在支承油缸的油路设置平衡阀和溢流阀。不平衡力反映到支承油缸压力上，超过溢流阀设定值则溢流限压。

支承油缸的无杆腔溢流压力整定为5.7MPa，有杆腔溢流压力整定为6.7MPa。即船厢减水37.9CM，无杆腔开始溢流，船厢上移;船厢增水34.6CM有杆腔开始溢流，船厢下移。

3 各工况下载荷传递过程

3.1正常运行工况

船厢由非对接工况转入对接工况时，对接锁定机构锁定机构的撑紧油缸推出，并以一定的压力压紧摩擦轨道，随后在整个对接期间撑紧油缸由高压小流量泵和蓄能器联合保压。然后驱动机构液气弹簧再泄压，小齿轮上不再承受载荷，竖向载荷就转移到了对接锁定机构上，再通过摩擦副传至塔柱。

船厢由对接工况转入非对接工况时，在对接密封框退回后，驱动机构的液气冲压保持预张力，然后锁定机构的支承油缸缓慢卸载，直至上、下位油缸承载腔的油压消除，使船厢竖向载荷平稳转移到船厢驱动机构由小齿轮承担。以上正常工况下，安全机构不参与载荷的承担。

3.2事故工况

3.2.1非对接期间

非对接期间，当升船机船厢因漏水导致船厢内水深不断降低时，驱动系统承受的载荷也逐渐加大。根据2.1中的驱动机构的整定参数，当减少水深31.1cm时，液气弹簧载荷也超过了预张力530KN，活塞杆将缩回，无杆腔油液进入活塞式蓄能器内对气体进行压缩，这时安全机构螺纹副间隙将变小。当水深减少44cm时，活塞杆全部缩回，安全机构螺纹副间隙完全消失，无杆腔达到最大张力750KN。船厢水深如继续降低，增加的不平衡载荷将由安全机构全部承担，船厢保持安全锁定。

当通过补水措施恢复船厢水深时，安全机构承受的不平衡载荷也将减小直至为0。如果船廂水深继续恢复，则液气弹簧活塞杆将在蓄能器的压力下伸出，安全机构螺纹副间隙也将从0开始增大，直到蓄能器提供的动力减小至不能克服船厢的惯阻力和平衡重定滑轮的摩擦力。此时虽然船厢已恢复平衡，但螺纹副间隙不再增大。

3.2.2 对接期间

当升船机对接期间因下游水位变化导致船厢水深不断降低（或升高）时，对接锁定机构承担的竖向载荷也逐渐增大。根据2.2中的对接锁定机构整定参数，当减少水深37.9CM时（或增加水深34.6CM），这支承油缸上（下）油缸的无（有）杆腔油压将在竖向载荷的带动下升高到5.7MPa（6.7MPa），达到安全溢流阀设定压力，开始溢流限压，支承油缸上（下）油缸活塞也随之开始移动，安全机构螺纹间隙减小直到消失。增加的载荷将由安全机构全部承担，船厢保持安全锁定。

但船厢水深恢复正常时，随着水位恢复，安全机构承担载荷逐步减小，直至为0，如果船厢水深繼续恢复，则这支承油缸上（下）油缸的无（有）杆腔油压将会降低，直至竖向载荷变为0，支承油缸内的油压也趋于0，过程中活塞杆行程没有变化，故安全机构间隙也就不会恢复至正常值。

3.3 小结

（1）锁定机构中支承油缸与驱动机构中的液气弹簧油缸退让原理不同，锁定机构中支承油缸的退让方式为超压溢流，驱动机构中的液气弹簧油缸退让方式为压缩蓄能。

（2）不平衡载荷消失后，驱动机构液气弹簧油缸活塞杆可以在蓄能器压力下复位到正常行程，安全机构可以自行恢复部分间隙。而锁定机构的支承油缸由于没有蓄能器作为压力源，还需进行人工操作干预，才能帮助安全机构恢复正常间隙。

4 安全机构动作实例

4.1对接期间动作

此类动作发生在船厢已完成下游对接期间，正在进行下行船舶出厢或上行船舶进厢流程。通航门开启后恰遇出库流量降低，下游水位开始下降，在此期间船厢水深随着下游水位下降而缓慢下降，直到4个安全机构螺纹副间隙同为0，属于3.2.2中的事故工况。

4.2对接过程中动作

此类动作发在船厢正在进行下游对接过程的期间，由于停位到开通航门有约5min钟间隔时间，在此期间下游水位下降了0.2m左右，通航门开启后船厢水因水位差的作用开始急速流出。因水流惯性作用，上厢头部位水流向下厢头，造成上厢头水位下降比下厢头大。此时对接工作还未完全完成，安全机构即开始动作，但因此时船厢水位不水平而不同步，属于3.2.2中事故工况的急速变化情形。

4.3检修期间提供安全保障

进行船厢检修工作时，船厢处于非对接状态，此时竖向载荷由驱动机构的小齿轮托架机构承担。如检修工作涉及小齿轮托架及相关的液气弹簧机构。则驱动机构就无法承担船厢的竖向载荷，此时人为模拟3.2.1中的事故工况来让安全机构来承担竖向载荷，为检修工作提供不可替代安全保障。

5 动作后的处置恢复措施

5.1 阻止不平衡扩大

关闭船厢门或通航门，船厢水域与引航道水域被隔断后，航道水深变化就不会传递到船厢内，船厢水深就能保持稳定。

实际操作中选择手动发“关闭闸首通航门”令，因事故处理较为紧迫，也可直接发“紧急关门”令。两种发令方式下的后续处置措施略有不同。为了事故处理的连贯性，在条件允许的情况下应选择发“关闭闸首通航门”令。

5.2 恢复船厢平衡

恢复船厢平衡的措施就是恢复船厢水体重量，即将船厢水深调整到向家坝升船机的正常工作水位3M。

即如果前一个处置步骤是发“紧急关门”令，就需先将船厢门打开，再发“调节船厢水深”令，如果前一个处置步骤是发“关闸首通航门”令，就可直接调节船厢水深，根据充泄水系统的设计流量，调节0.5M的船厢水深需约9分钟。

5.3 解除对接状态

船厢恢复平衡后，按照关闭船厢门，泄间隙水，退回闸首密封框的步骤进行对接解除操作。由于船厢位置与闸首密封框有约6CM的相对位移，在退回闸首密封框后应仔细检查密封框的橡胶密封件有无异常变形或破损。闸首密封框退回后再将顶紧机构退回，至此对接状态解除。

5.4 恢复船厢姿态

解除对接后由于锁定机构的支承油缸没有蓄能器作为压力源在载荷消失后让支承油缸活塞行程复位至正常的上极限位，安全机构螺纹副还未恢复正常间隙。

此时利用驱动机构液气弹簧提供的压力来恢复安全机构的间隙，通过让驱动机构液气弹簧充泄压配合对接锁定机构的锁定解锁动作，一般可让安全机构螺纹副间隙恢复至正常值的一半，即3mm左右。

随后发令让船厢运行。船厢上下运行过程中，静摩擦力消除，惯阻力也大大减少，小齿轮托架即可在液气弹簧的预张力的作用下自动恢复姿态，安全机构的螺纹副间隙也就能恢复至正常值了。

6 结语

向家坝升船机的安全机构沿用国内外成熟设计，其技术参数、构造形式、机构运动方式等技术条件，经过实际运用检验。其高可靠性确保在任何工况下均能投入工作，实现船厢安全自锁。同时动作后船厢仍能保持水平，不需采取复杂特殊的调平工艺，只需进行日常运行的常规操作，即可让船厢恢复运行，过程快速简便，有助于提高升船机的运行效率，更好地发挥通航效益。

参考文献：

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