岩滩250 吨垂直升船机对接密封装置同步问题分析

吴华明

岩滩水电站1×250 吨级垂直升船机是国内第一个建成投运的垂直升船机，建设过程基本没有可借鉴的成熟经验。本文通过对垂直升船机对接密封装置无法同步推出与收回的原因进行分析，提出了解决的办法，可以对同类型问题起到借鉴作用。

一、岩滩升船机上闸首对接系统总体概况

岩滩升船机2000 年5 月建成正式通航，是我国最先建成并最早投入运行的升船机。设计年货运量180 万吨，最大通航船舶吨位为250 吨。最大船舶型长37 米、型宽9 米、满载吃水深1.27米，最大提升高度68.5 米。岩滩升船机主要由主提升机、平衡重装置、承船厢总成、液压平衡装置、上闸首工作闸门及相关设备（通航卧倒门、对接密封装置、充泄水装置等）、电力拖动及监控系统、检测系统等组成。

对接功能的实现依靠对接密封装置、上游通航卧倒门、承船厢上游卧倒门和充泄水装置共同完成。上游通航卧倒门位于上闸首工作闸门顶节门页内，起上游航道挡水的作用。承船厢上游卧倒门位于承船厢上游端部，起承船厢挡水的作用。充泄水装置位于工作闸门第一节箱体内，用于对两扇卧倒门之间的间隙充泄水。对接密封装置呈U 形，置于上闸首工作闸门内、通航卧倒门之下，由12 个油缸控制，可向下游方向推出，油缸工作行程200 毫米。它与承船厢对接，起对接止水作用，是升船机运行的重要部件，可靠性要求很高。

二、岩滩升船机对接密封装置运行存在的问题

（一）对接密封装置及液压启闭机的结构原理

对接密封装置的结构较复杂，它由U 形钢结构伸缩框、C 形水封、L 形水封、液压推送系统、外侧支承轮和内侧导向轮等组成。L 形水封高3.76 米、宽12.7 米，固定在伸缩框下游端面板上，用于伸缩框与承船厢之间止水。液压系统由泵站、管路和12 个推送油缸组成。12 个油缸、18 个支承轮和14 个导向轮都均布在U 形伸缩框上。液压原理如图1 所示。

图1 对接密封装置启闭机液压原理图

根据图1，对接密封装置启闭机12 个油缸全部并联在一起，均布在U 形密封框上。其中1 号、2 号油缸和11 号、12 号油缸分别安装在U 形密封框的左右两个立面上，3—10 号油缸安装在U形密封框底部。

（二）对接及解除对接流程

升船机通航时的对接流程：工作大门保持在高出上游水面0.9—1.2 米之间，当承船厢按工作大门高程停靠时，工作大门与承船厢就处在正确的对接位置。液压启闭机的12 只油缸同时伸出将对接密封装置向下游推出约200 毫米，到达工作位置，对接密封装置上的L 形橡胶压到承船厢的对接平面，并保持有10—30 毫米的压缩量，在工作大门与承船厢之间形成一个密封间隙。充泄水装置从上游引水向对接形成的密封间隙充水，平衡上游和承船厢的水位后，打开工作大门上通航卧倒门和承船厢上游卧倒门，就实现了承船厢水体和上游航道水体连通，对接完成。

解除对接流程：关闭工作闸门上通航卧倒门和承船厢卧倒门，充泄水装置把对接形成的密封间隙充水排到下游，液压启闭机的12 只油缸同时收回，将对接密封装置收回到工作大门内，解除对接完成。

（三）对接密封装置运行存在的问题

升船机初期投入运行时，对接密封装置12只液压油缸的动作同步性由于受诸多因素影响，不易达到同步误差小于3 毫米的要求，但其运行并无卡阻或爬行现象，伸缩平稳。

几年后，随着运行次数增多，运动部件之间的摩擦增大，对接密封装置的U 形左、右立面同步偏差越来越大，最终变为7—12 号油缸先推出，对接密封装置右侧立面先碰到承船厢对接面后，左侧立面1—6 号油缸才开始动作，同步误差最大约有170 毫米以上。对接密封装置左右两边运行轨迹呈“ N ”字形，由于装置底部10 个承重支承轮不是直线运动，支承轮及导轨都出现明显偏磨痕迹，部分支承轮轴承损坏无法转动，装置推出及收回都出现很大卡阻摩擦噪声。

出现卡阻故障初期，每年都对密封装置进行全面检查维护：检查密封装置液压启闭机运行情况，清洗启闭机液压阀组及油箱，过滤液压油，对密封装置的18 个支承轮和14 个导向轮轴承及导轨加油润滑，检查油缸活塞杆与密封装置连接处是否松动卡阻，并对所有运动摩擦部件进行润滑。每次经过维护保养，密封装置的运行卡阻情况都有所改善，卡阻噪声减小。但经常是运行半年后，对密封装置的运行卡阻情况又逐渐加重，最终又变为右侧立面先碰到承船厢对接面后，左侧立面才开始动作，装置推出及收回又出现很大卡阻摩擦噪声。

2017 年，由于设备磨损老化加剧，对密封装置进行全面大修，更换了油泵电机、液压阀组、液压油，更换了全部支承轮及导向轮，对装置底部水平度进行了调整，对磨损的导轨进行平整处理，尽量使密封装置重量在各个支承轮间均匀分配，并对所有运动摩擦部件进行润滑。试验运行时，对接密封装置推出收回顺畅，左右不同步误差最大约有50 毫米，没有卡阻摩擦噪声。但升船机通航运行一年后，密封装置运行状况又开始逐渐恶化，运行卡阻情况又逐渐加重，左右不同步误差又逐渐变大，最终又回到大修前的状态。

三、对接密封装置油缸无法同步原因分析及解决办法

（一）对接密封装置油缸无法同步原因分析

经过多年对密封装置维护检修经验证实，希望通过常规维护保养使设备恢复正常，最终是失败的。仅仅依靠维护保养更换设备，无法彻底解决密封装置动作不同步问题。以设备运行时受力不均衡为起点，分析设备结构和液压启闭机的动作原理，才能找到解决问题的办法。

从图1 密封装置液压原理可知，启闭机12只油缸全部并联在一起，在受到的阻力相同的情况下，当电磁阀动作导通后，每个油缸同时受到油压的作用力，理论上应该是同时推出同时收回。但在实际工况中，每个运动构件受到的阻力不可能相同，所以在相同的油压的作用力下，启闭机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 形密封框为刚性金属结构，可以平衡一些运动阻力，但还是无法使得油缸同步运行。对接密封装置设备初期投入和维修后，由于各运动机构的工况良好，运动阻力相差不大，油缸的不同步情况并不严重。但设备运行时间稍长，各运动机构的工况就发生变化，各油缸受到的阻力跟着变化，油缸的不同步问题就会突出，并且会向着某一种趋势劣化，最终同步误差越来越大。靠经常维修更换设备尽量使各油缸受到的阻力均衡来促使油缸同步运行，既不现实，也不经济。

（二）对接密封装置油缸同步运行的解决办法

通过以上分析得出结论，要实现对接密封装置油缸同步运行，必须要使各油缸能够克服不同的阻力，并且使各油缸速度具有可调节性。以对接密封装置中心线为界线，对于右侧7—12 号油缸先推出，左侧1—6 号油缸后推出的问题，只要把1—6 号油缸和7—12 号油缸分开控制，在油路中加上调速阀控制两边速度，就可以解决对接密封装置油缸运行不同步问题。这个方案不用对对密封装置结构及液压设备进行大的改动，经济上比较节省成本，技术上也比较容易实现。改造后对接密封装置启闭机液压原理如图2 所示。

图2 改造后对接密封装置启闭机液压原理图

根据图2 液压原理，把油缸并联总管在6 号和7 号油缸之间截断分开，在出口阀组上再引出2 根液压软管，把1—6 号油缸和7—12 号油缸分开控制，并在4 根供油总管上增加4 个调速阀。当7—12 号油缸推出速度过快时，只要把右侧管路上的油缸推出调速阀开度调小，把左侧管路上的调速阀开度调大，就能减慢7—12 号油缸推出速度，加快1—6 号油缸推出速度，就能解决对接密封装置两侧油缸推出运行不同步问题，最终纠正对接密封装置运行轨迹。

四、对接密封装置启闭机液压回路改造及试验

2021 年，按设想方案对启闭机液压回路进行了改造，设备选型及改造安装工艺全部根据现场条件确定。由于液压启闭机及管路布置在工作大门内部，空间非常狭小，为了便于施工，对改造涉及到的液压管路先拆除，在修配车间切割焊接完成后再到现场安装，避免现场施工受场地环境制约。尽量做到既安全又利于施工，方便人员操作调试。

改造完成后，把4 个新加装的调速阀调到全开，现场调试测量，油缸推出时左右偏差较大，右边比左边快约170 毫米；油缸收回时刚好相反，左边比右边快约80 毫米。针对这种情况，把调试分为三步实施：

（一）对接密封装置推出试验

把左侧油缸推出的调速阀开到最大，逐步关小右侧油缸推出的调速阀，当左右侧油缸不同步值逐渐减小到小于10 毫米时，保持阀门开度，停止调试。

（二）对接密封装置收回试验

把右侧油缸收回的调速阀开到最大，逐步关小左侧油缸收回的调速阀，当左右侧油缸不同步值逐渐减小到小于10 毫米时，保持阀门开度，停止调试。

（三）对接密封装置推出、收回综合试验

由于油缸收回的出油阀就是推出时的回油阀，在收回试验中，当关小左侧油缸收回的调速阀时，就改变了推出试验时的同步数值。经过反复推出、收回试验微调，最终得到试验结果：推出同步误差稳定在15 毫米左右、收回同步误差稳定在10 毫米左右，密封装置推出与收回速度与未改造前相差不大。

五、结论

岩滩升船机是集水力学、机械、液压、电气和电子、动力学及金属结构等多个学科的系统工程，是我国第一台投产运行的1×250 吨级钢丝绳卷扬平衡重式垂直升船机。由于当时国家没有这方面的技术标准，也没有成熟的经验可以借鉴，因此在岩滩升船机的设计中存在一些不足。

本次改造取得以下成果：

1.改造后对接密封装置推出时左右不同步误差由170 毫米降到15 毫米左右；收回时误差由80 毫米降到10 毫米左右。

2.改造后对接密封装置运行平顺，装置底部承重支承轮及导轨已无偏磨现象，密封装置推出和收回时卡阻摩擦噪声消失，大大改善了设备运行工况，提高了设备使用寿命。

3.改造后如果设备受力工况发生变化，左右不同步情况出现变化，可以根据设备运行工况变化重新试验，调整各调速阀的开度，继续保持设备同步动作。

对接密封装置启闭机液压回路改造后，升船机经过一年的通航运行，对接密封装置推出和收回动作正常，动作时无卡阻摩擦噪声。近期经过复核测量，推出和收回左右误差均保持在10—20毫米之间，对接密封装置运行同步情况良好，证明岩滩升船机对接密封装置启闭机液压回路改造是成功的。