三峽工程齒輪齒條爬升式升船機(jī)設(shè)計(jì)

鈕新強(qiáng)，覃利明，于慶奎

（長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010）

1 前言

升船機(jī)工程布置在樞紐左岸，是三峽工程的通航設(shè)施之一，與雙線五級(jí)船閘聯(lián)合運(yùn)行，其主要作用是為客貨輪和特種船舶提供快速過(guò)壩通道。三峽升船機(jī)過(guò)船規(guī)模為3 000 t級(jí)，最大提升高度113 m，上游通航水位變幅30 m，下游通航水位變幅11.8 m，設(shè)計(jì)下游最大水位變率±0.50 m／h，具有提升重量大、提升高度大、上游通航水位變幅大和下游水位變率快的特點(diǎn)，是目前世界上技術(shù)難度和規(guī)模最大的垂直升船機(jī)。

三峽升船機(jī)工程由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道幾部分組成，全線總長(zhǎng)約6 000 m。

三峽升船機(jī)采用齒輪齒條爬升式，其方式比選經(jīng)歷了漫長(zhǎng)過(guò)程。自1958年開(kāi)始，長(zhǎng)江水利委員會(huì)會(huì)同國(guó)內(nèi)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位、大專(zhuān)院校對(duì)三峽升船機(jī)的形式進(jìn)行了平衡重式、浮筒式、水壓式、液壓式、水力式及半水力式和帶中間渠道的兩級(jí)齒輪齒條爬升式等多方案的研究比較。在1993年5月國(guó)家審查通過(guò)的《三峽工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中，升船機(jī)形式推薦采用“鋼絲繩卷?yè)P(yáng)全平衡垂直提升式”。

1995年之后，為進(jìn)一步提高升船機(jī)的安全可靠性，充分借鑒和吸收國(guó)外在升船機(jī)建設(shè)方面的成功經(jīng)驗(yàn)，受三峽集團(tuán)公司的委托，長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院對(duì)齒輪齒條爬升式升船機(jī)方案進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)研究，提出了《三峽齒輪齒條爬升式升船機(jī)主體部分設(shè)計(jì)研究》和《三峽垂直升船機(jī)主體部分方案比選》等報(bào)告。2003年3月，經(jīng)三峽集團(tuán)公司審查通過(guò)，三峽升船機(jī)方案由鋼絲繩卷?yè)P(yáng)提升式改為齒輪齒條爬升式，并上報(bào)國(guó)務(wù)院三建委，同年9月，三建委第十三次全體會(huì)議批準(zhǔn)了對(duì)三峽升船機(jī)形式的修改。

2004年至2007年，三峽集團(tuán)公司組織長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院聯(lián)合德國(guó)“拉麥爾－K＆K”設(shè)計(jì)聯(lián)營(yíng)體（JV）對(duì)三峽工程齒輪齒條爬升式升船機(jī)進(jìn)行了深化設(shè)計(jì)。2007年6月，依據(jù)深化設(shè)計(jì)成果長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院編制完成了“長(zhǎng)江三峽水利樞紐升船機(jī)總體設(shè)計(jì)報(bào)告”。同年7月，三建委質(zhì)量專(zhuān)家組通過(guò)了對(duì)該報(bào)告的審查，以此為標(biāo)志，三峽工程升船機(jī)建設(shè)進(jìn)入了設(shè)計(jì)和施工的重要階段。

2 升船機(jī)總體布置設(shè)計(jì)

升船機(jī)上、下游由閘首建筑物擋水，形成承船廂的全平衡運(yùn)行條件，閘首上布置有滿(mǎn)足擋水和過(guò)船需要的閘門(mén)及其啟閉機(jī)等設(shè)備。位于上、下閘首之間的船廂室段，為升船機(jī)的主體段，由塔柱結(jié)構(gòu)及其頂部機(jī)房、承船廂、平衡重系統(tǒng)，以及電力拖動(dòng)、控制、檢測(cè)等建筑物和設(shè)備組成。

船廂外形總長(zhǎng)132 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面外形寬23 m，有效尺寸120 m×18 m×3.5 m（長(zhǎng)×寬×水深），船廂結(jié)構(gòu)及其設(shè)備，連同廂內(nèi)水體總重約15 500 t，由相同重量的平衡重平衡，通過(guò)256根φ 74 mm的鋼絲繩懸吊，在兩側(cè)塔柱結(jié)構(gòu)和上、下閘首圍成的船廂室內(nèi)升降運(yùn)行。

船廂兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置四個(gè)側(cè)翼結(jié)構(gòu)，其位置與4個(gè)塔柱筒體的凹槽相對(duì)應(yīng)，在每個(gè)凹槽的墻壁上，分別鋪設(shè)一條驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒條和一條安全機(jī)構(gòu)螺母柱。船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和安全機(jī)構(gòu)，布置在4個(gè)側(cè)翼結(jié)構(gòu)上，通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)小齒輪沿齒條的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)船廂的垂直升降。船廂升降時(shí)，在船廂上與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)同步運(yùn)行的安全機(jī)構(gòu)短螺桿在螺母柱內(nèi)空轉(zhuǎn)，當(dāng)遇到平衡被破壞的事故時(shí)，可通過(guò)螺母柱將船廂鎖定在塔柱結(jié)構(gòu)上。

船廂與閘首對(duì)接時(shí)，由鎖定機(jī)構(gòu)鎖定，4套鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)在安全機(jī)構(gòu)的上方，在船廂升降過(guò)程中與安全機(jī)構(gòu)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，船廂停位后作為豎向支承將船廂鎖定在螺母柱上；與閘首對(duì)接時(shí)，船廂與閘首之間的間隙，由布置在廂頭的間隙密封機(jī)構(gòu)密封；船廂的升降運(yùn)行通過(guò)兩套縱向?qū)驒C(jī)構(gòu)和4套橫向?qū)驒C(jī)構(gòu)導(dǎo)向，縱向?qū)驒C(jī)構(gòu)布置在船廂中部?jī)蓚?cè)，橫向?qū)驒C(jī)構(gòu)分別布置在四套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的下方；船廂兩端由下沉式弧形閘門(mén)擋水，閘門(mén)內(nèi)側(cè)設(shè)有防撞裝置，其活動(dòng)桁架兼作船廂兩側(cè)聯(lián)系的人行橋；在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)下方和船廂中部及兩端設(shè)有電氣室與機(jī)房，內(nèi)設(shè)不同功用的電氣、液壓等設(shè)備。

船廂室段的建筑物平面尺寸為121.0 m×58.4 m，建基面高程 47.0 m，船廂室底板高程50.0 m，塔柱頂高程196.0 m，機(jī)房頂高程217.0 m。承重塔柱結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)布置在船廂兩側(cè)，由墻體、筒體、聯(lián)系梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其布置總長(zhǎng)119 m、寬16 m，兩塔柱之間距離25.8 m。墻與筒體之間，通過(guò)設(shè)在不同高程的縱向聯(lián)系梁實(shí)現(xiàn)縱向連接。兩側(cè)塔柱凹槽的尺寸，順?biāo)飨?9.1 m，垂直水流向7.0 m。

平衡重分成16組對(duì)稱(chēng)布置在塔柱結(jié)構(gòu)的16個(gè)平衡重井內(nèi)，沿鋪設(shè)在混凝土墻壁上的軌道升降，每組平衡重底部懸掛一條平衡鏈，用于平衡滑輪兩側(cè)鋼絲繩長(zhǎng)度變化的自重載荷。

兩側(cè)塔柱結(jié)構(gòu)在高程196.0 m以上，分別布置了一個(gè)長(zhǎng)119 m、寬21.7 m、高21 m的機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)布置有平衡滑輪組和供檢修用起吊設(shè)備。在兩個(gè)機(jī)房之間，布置有升船機(jī)中控室和觀光平臺(tái)。升船機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等電氣設(shè)備布置在中控室內(nèi)。升船機(jī)總體布置見(jiàn)圖1，外觀效果見(jiàn)圖2。

圖1 升船機(jī)總體布置縱剖面圖Fig.1 Longitudinal profile of general layout of ship－lift

圖2 升船機(jī)外觀效果圖（下游視）Fig.2 Appearance of ship－lift（from the lower reach）

3 塔柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置

每側(cè)塔柱由兩個(gè)筒體和三個(gè)承重墻組成，筒體與墻相間布置，每個(gè)筒體長(zhǎng)40.3 m，寬16.0 m，壁厚1.0 m。筒體在平面上呈凹槽形，螺母柱和齒條裝設(shè)在凹槽的側(cè)壁上，在凹槽外圍布置有樓梯間、電梯井和電纜豎井。在高程84.5 m設(shè)平衡重在下游的安裝平臺(tái)，同時(shí)兼作升船機(jī)塔柱與下游間的交通通道；高程185.0 m平臺(tái)為升船機(jī)與壩頂間的交通通道；高程175.0 m、高程189.0 m平臺(tái)為平衡重在上游的安裝檢修平臺(tái)。

兩側(cè)塔柱在頂部高程196.0 m，通過(guò)7根橫梁和兩個(gè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)橫向連接，中控室平臺(tái)和觀光平臺(tái)分別布置在上、下游塔柱筒體凹槽的上方。

在塔柱與承重墻之間的開(kāi)敞式區(qū)域和筒體內(nèi)，布置有平衡重井道，兩側(cè)共16組。塔柱筒體在高程84.0 m、98.0 m、112.0 m、126.0 m、140.0 m、154.0 m、168.0 m、175.0 m、189.0 m 和 192.5 m 分別設(shè)有平臺(tái)，用于滿(mǎn)足平衡重安裝、檢修以及結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定的構(gòu)造需要。開(kāi)敞區(qū)域的縱向聯(lián)梁與筒體內(nèi)的平臺(tái)高程相對(duì)應(yīng)。

塔柱筒體內(nèi)還設(shè)有電纜豎井、電梯井、樓梯間及防煙豎井等結(jié)構(gòu)。塔柱結(jié)構(gòu)外觀見(jiàn)圖3。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

塔柱結(jié)構(gòu)的載荷種類(lèi)與作用工況十分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中主要考慮的荷載包括永久荷載、活荷載、偶然荷載和運(yùn)行荷載等。其中，永久荷載包括結(jié)構(gòu)自重、船廂與平衡重重力、塔柱基礎(chǔ)底板揚(yáng)壓力等；活荷載主要包括各樓層活荷載、風(fēng)荷載和溫度荷載等；偶然載荷主要為地震載荷；運(yùn)行荷載主要包括螺母柱載荷、齒條載荷、船廂縱導(dǎo)軌載荷、船廂橫導(dǎo)軌載荷以及平衡導(dǎo)軌載荷等。

圖3 塔柱結(jié)構(gòu)外觀效果圖Fig.3 Appearance of tower structure

采用的荷載組合包括基本組合和特殊組合。其中，基本組合包括永久荷載組合、永久荷載+樓層活荷載+風(fēng)荷載、永久荷載+樓層活荷載+風(fēng)荷載+0.5×溫度荷載；特殊組合包括船廂事故鎖定工況和地震組合工況，即永久荷載+活荷載+風(fēng)荷載+事故荷載、永久荷載+活荷載+0.2×風(fēng)荷載+地震作用。

塔柱結(jié)構(gòu)需滿(mǎn)足承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算。采用三維有限元塊體單元對(duì)塔柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了線彈性計(jì)算，其中，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果為：在永久荷載作用下，底板建基面上的豎向正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，墻體部位的壓應(yīng)力值為1.5～3.5 MPa，底板表面在墻體部位的水平向應(yīng)力為拉應(yīng)力，拉應(yīng)力值小于2 MPa；墻體在靜力荷載作用下的豎向正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，最大值約6 MPa。

塔柱結(jié)構(gòu)的變形對(duì)齒輪齒條爬升式升船機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行有很大影響，特別是螺母柱、齒條和導(dǎo)軌等部位的變形對(duì)船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、安全機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等設(shè)備有著直接的影響。計(jì)算分析表明，塔柱左、右側(cè)結(jié)構(gòu)的最大變形發(fā)生在頂部，左、右側(cè)結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形發(fā)生在中部。

根據(jù)三峽工程的地震危害性分析，對(duì)塔柱地震下的變形進(jìn)行了動(dòng)力計(jì)算，動(dòng)力計(jì)算采用振型分解反應(yīng)譜法和振型分解時(shí)程分析法，其中設(shè)計(jì)地震加速度代表值采用0.067 g。計(jì)算結(jié)果表明，地震荷載作用下塔柱的變形基本上是協(xié)同的，沒(méi)有相對(duì)變形。

靜力與動(dòng)力計(jì)算結(jié)果表明，在各種載荷及其不同組合作用下，塔柱水平橫向最大變形不超過(guò)80 mm，最大相對(duì)變形不超過(guò)30 mm。船廂機(jī)構(gòu)必須能適應(yīng)上述最大變形的要求，考慮設(shè)備制造、安裝誤差和不可預(yù)見(jiàn)因素后，確定船廂機(jī)構(gòu)適應(yīng)縱、橫向相對(duì)變位的能力為±120 mm。

4 船廂及其機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)備布置

船廂采用盛水結(jié)構(gòu)與承載結(jié)構(gòu)合為一體的自承式結(jié)構(gòu)。船廂上布置了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、安全機(jī)構(gòu)、縱導(dǎo)向及頂緊機(jī)構(gòu)、橫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、船廂對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)、船廂門(mén)及啟閉機(jī)、防撞機(jī)構(gòu)、間隙密封機(jī)構(gòu)、充泄水系統(tǒng)、液壓泵站等機(jī)械設(shè)備，以及變壓器、控制柜、現(xiàn)地控制等電氣設(shè)備。

船廂兩端設(shè)下沉式弧形閘門(mén)，每扇閘門(mén)由兩臺(tái)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，閘門(mén)開(kāi)啟后臥于船廂底鋪板以下的門(mén)龕內(nèi)。在船廂門(mén)的內(nèi)側(cè)設(shè)有帶液壓緩沖的鋼絲繩防撞裝置，工作時(shí)鋼絲繩橫攔在閘門(mén)前，過(guò)船時(shí)鋼絲繩由桁架提起。船廂兩端分別布置一套間隙密封機(jī)構(gòu)，在船廂與閘首對(duì)接時(shí)，U形密封板從U形槽推出，形成密封區(qū)域。

船廂上設(shè)有4個(gè)驅(qū)動(dòng)室，對(duì)稱(chēng)布置在船廂兩側(cè)的4個(gè)側(cè)翼上。每個(gè)驅(qū)動(dòng)室內(nèi)分別布置有船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、事故安全機(jī)構(gòu)、對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的電氣和液壓設(shè)備。4套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)機(jī)械軸聯(lián)結(jié)，形成機(jī)械同步系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)船廂豎直升降。安全機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)螺桿通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)軸與相鄰的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，二者同步升降。船廂對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)布置在安全機(jī)構(gòu)上方，通過(guò)機(jī)械軸與安全機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)螺桿連接，與安全機(jī)構(gòu)共用螺母柱承載。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的齒條和安全機(jī)構(gòu)的螺母柱安裝在混凝土塔柱上。船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、安全機(jī)構(gòu)和對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)備布置見(jiàn)圖4。

在每套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的下方各布置有一套橫導(dǎo)向裝置。橫導(dǎo)向裝置除用于船廂的橫向?qū)蛲猓€用于承受橫向地震耦合力。船廂縱導(dǎo)向及頂緊裝置布置在船廂橫向中心線處，除用于船廂的縱向?qū)蛲?，還用于對(duì)接期間的頂緊以及承受船廂的縱向地震耦合力。

圖4 船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、安全機(jī)構(gòu)、對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)備布置Fig.4 Layout of driving mechanism，safety mechanism and docking－locking device of ship chamber

在船廂兩端的底部及主縱梁內(nèi)各設(shè)有一套水深調(diào)節(jié)與間隙充／泄水系統(tǒng)，呈反對(duì)稱(chēng)布置，二者能同時(shí)運(yùn)行并互為備用。在船廂兩端的機(jī)艙內(nèi)和4個(gè)船廂驅(qū)動(dòng)室內(nèi)分別布置有一套液壓泵站，其中兩端機(jī)艙內(nèi)的液壓泵站，用于操作布置在船廂兩端的間隙密封機(jī)構(gòu)、防撞裝置、船廂門(mén)啟閉機(jī)及其鎖錠以及船廂橫導(dǎo)向裝置的液壓油缸；布置在驅(qū)動(dòng)室內(nèi)的液壓泵站，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液氣彈簧、對(duì)接鎖定裝置以及船廂縱導(dǎo)向與頂緊裝置的操作。

船廂上設(shè)有10個(gè)電氣設(shè)備室，其中8個(gè)布置在驅(qū)動(dòng)室的底層，2個(gè)布置在船廂端部的機(jī)艙內(nèi)，用于布置變壓器、控制柜、開(kāi)關(guān)站等電氣設(shè)備。船廂設(shè)備布置見(jiàn)圖5。

圖5 船廂及其設(shè)備布置三維效果圖Fig.5 3D effect of ship chamber and its equipment arrangement

4.2 船廂結(jié)構(gòu)

船廂為槽形薄壁鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu)，由主縱梁、次縱梁、主橫梁、普通橫梁、底鋪板結(jié)構(gòu)、廂頭結(jié)構(gòu)及側(cè)翼結(jié)構(gòu)等構(gòu)成船廂的主承載結(jié)構(gòu)；由兩側(cè)箱形主縱梁的內(nèi)腹板、底鋪板及兩廂頭門(mén)構(gòu)成船廂的盛水結(jié)構(gòu)。兩側(cè)主縱梁外腹板外側(cè)伸出兩對(duì)側(cè)翼平臺(tái)，用于布置船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與事故安全機(jī)構(gòu)及相關(guān)電氣設(shè)備。船廂外形長(zhǎng)132 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面寬23 m、高10 m，側(cè)翼平臺(tái)處寬39.2 m，安全機(jī)構(gòu)橫梁處高11.5 m。廂內(nèi)兩側(cè)壁各裝有三道厚200 mm的護(hù)弦，兩主梁之間凈寬18.4 m。

箱形主縱梁外形尺寸132 m×2.3 m×10 m（長(zhǎng)×寬×高），2根主縱梁之間由2根安全機(jī)構(gòu)橫梁、2根驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)橫梁及26根普通橫梁連接。

船廂結(jié)構(gòu)總重約4 270 t，主承載結(jié)構(gòu)采用Q345D，擬分成53個(gè)分段制造，在船廂室現(xiàn)場(chǎng)拼焊成整體。

對(duì)船廂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元計(jì)算分析，計(jì)算成果表明，主要構(gòu)件的強(qiáng)度均基本滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，船廂在齒輪、螺母柱、鎖定、縱導(dǎo)向、橫導(dǎo)向、廂頭閘門(mén)支鉸處及間隙密封機(jī)構(gòu)等主要部位的變形值，能夠滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)運(yùn)行協(xié)調(diào)條件，主縱梁、螺母柱橫梁及齒輪處橫梁等結(jié)構(gòu)的屈曲計(jì)算分析結(jié)果均能滿(mǎn)足要求。

4.3 船廂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)稱(chēng)布置在船廂兩側(cè)，由小齒輪托架機(jī)構(gòu)、可伸縮萬(wàn)向聯(lián)軸器、機(jī)械傳動(dòng)單元、同步軸系統(tǒng)以及向安全驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞動(dòng)力的錐齒輪箱和傳動(dòng)軸等組成。每套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的小齒輪由兩組機(jī)械傳動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)。每組傳動(dòng)單元包括一臺(tái)交流變頻電機(jī)、一臺(tái)平行軸減速器、一套工作制動(dòng)器、一套安全制動(dòng)器及相關(guān)的聯(lián)軸器等設(shè)備。4套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由布置在船廂底部的同步軸系統(tǒng)聯(lián)為一體，用于在某驅(qū)動(dòng)單元的電機(jī)失效時(shí)傳遞動(dòng)力。按照兩臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)生故障時(shí)其余電機(jī)能驅(qū)動(dòng)船廂繼續(xù)完成本次運(yùn)行的原則，確定每臺(tái)電機(jī)的額定功率為315 kW。船廂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖6所示。

圖6 船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備布置三維效果圖Fig.6 3D effect of ship chamber driving mechanism

小齒輪托架機(jī)構(gòu)由小齒輪、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向架、擺桿、軸承和液氣彈簧等組成，具有傳力、適應(yīng)塔柱和船廂之間的相對(duì)變位和限制齒輪載荷等功能。其中液氣彈簧是控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的關(guān)鍵。液氣彈簧的初始預(yù)緊力可根據(jù)需要，通過(guò)改變液氣彈簧蓄能器的油壓來(lái)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)齒輪載荷小于由蓄能器油壓確定的彈簧變形設(shè)定載荷時(shí)，液氣彈簧保持初始位置。當(dāng)齒輪負(fù)荷超過(guò)彈簧變形初始載荷時(shí)，油壓迫使活塞產(chǎn)生位移，進(jìn)而呈現(xiàn)彈簧的特性。當(dāng)齒輪的嚙合力恢復(fù)至設(shè)定載荷后，彈性位移消失，油缸復(fù)位。使小齒輪可適應(yīng)塔柱相對(duì)于船廂的橫向相對(duì)變位和齒條的各種位置誤差。

船廂在±0.1 m誤載水深條件下升降運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)小齒輪的最大工作載荷約為4×1 050 kN，運(yùn)行過(guò)程中遇到超載事故工況，電機(jī)停機(jī)、制動(dòng)器上閘的載荷通過(guò)液氣彈簧預(yù)先設(shè)定，每個(gè)小齒輪的停機(jī)載荷為1 650 kN；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)停機(jī)后，齒輪載荷將持續(xù)增加，直至安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙消失，繼續(xù)增加的不平衡載荷由安全機(jī)構(gòu)承擔(dān)，齒輪載荷達(dá)到最大，每個(gè)小齒輪的極限載荷約為2 200 kN。

4.4 事故安全機(jī)構(gòu)

安全機(jī)構(gòu)的主要作用是：運(yùn)行時(shí)，當(dāng)升船機(jī)的全平衡系統(tǒng)遭到破壞時(shí)，將船廂安全地鎖定在塔柱結(jié)構(gòu)上，避免事故的進(jìn)一步擴(kuò)大；在船廂空廂檢修時(shí)，作為船廂的支撐鎖定。4套安全機(jī)構(gòu)分別與4套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)應(yīng)，對(duì)稱(chēng)布置在船廂兩側(cè)的側(cè)翼平臺(tái)上，與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間通過(guò)機(jī)械軸系統(tǒng)連接，二者同步升降。安全機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)螺桿、撐桿、球面軸承、導(dǎo)向架、齒輪箱、傳動(dòng)軸、螺母柱及其埋件等組成。安全機(jī)構(gòu)布置如圖4所示。

在船廂升降過(guò)程中，旋轉(zhuǎn)螺桿隨驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的小齒輪同步旋轉(zhuǎn)，螺牙與螺母柱螺紋面不接觸，在安裝時(shí)，二者之間在上下兩個(gè)方向均有60 mm的間隙。當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的小齒輪超載后，液氣彈簧發(fā)出停機(jī)信號(hào)，制動(dòng)器上閘使齒輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著載荷的繼續(xù)增加，液氣彈簧產(chǎn)生位移，造成船廂與小齒輪之間的相對(duì)位置改變，從而造成安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙改變，間隙完全消失后，螺母與螺桿的螺旋面相接觸，借助螺紋副的自鎖，將船廂的不平衡力傳至螺母柱，再經(jīng)螺母柱傳到塔柱結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)船廂的安全鎖定。

安全機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要考慮船廂水全部漏空、承船廂與閘首對(duì)接期間沉船、對(duì)接狀態(tài)水滿(mǎn)船廂、船廂室進(jìn)水船廂受浮力，以及平衡重井進(jìn)水平衡重受浮力等事故工況。其中，船廂室進(jìn)水船廂受浮力和平衡重井進(jìn)水平衡重受浮力為兩個(gè)方向事故載荷的控制工況。最大載荷分別為123 MN和33 MN。

撐桿的上、下端分別通過(guò)球面軸承與旋轉(zhuǎn)螺桿及軸承座連接，軸承座通過(guò)螺栓安裝在船廂主橫梁的上方。旋轉(zhuǎn)螺桿由導(dǎo)向小車(chē)沿螺母柱的4個(gè)導(dǎo)軌面進(jìn)行導(dǎo)向，使其升降運(yùn)行時(shí)相對(duì)于螺母柱對(duì)稱(chēng)中心的位置保持不變。當(dāng)船廂與塔柱之間有縱、橫向相對(duì)變位時(shí)，由導(dǎo)向小車(chē)帶動(dòng)螺母柱內(nèi)的旋轉(zhuǎn)螺桿一同變位，撐桿則以下端球頭為支點(diǎn)發(fā)生相應(yīng)的偏轉(zhuǎn)，確保在任何情況下，安全機(jī)構(gòu)能適應(yīng)船廂和塔柱之間的水平相對(duì)變位。

安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙是齒輪齒條爬升式升船機(jī)的一個(gè)十分重要的參數(shù)。間隙值的大小應(yīng)適中，過(guò)大將造成安全機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)備規(guī)模的無(wú)謂加大，過(guò)小則將影響升船機(jī)的正常運(yùn)行。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的制造誤差、塔柱及船廂的變位、設(shè)備的制造安裝誤差等因素的影響，螺紋副的間隙將在船廂升降過(guò)程中隨機(jī)變化，但在船廂113 m的全行程內(nèi)，該間隙均應(yīng)保持適當(dāng)?shù)挠嗔?，以確保在升船機(jī)正常運(yùn)行工況下，螺紋副的上、下螺紋面均不接觸。設(shè)計(jì)確定的間隙值為±60 mm，通過(guò)對(duì)影響螺紋副間隙變化因素的分析計(jì)算，在確保設(shè)備制造、安裝和塔柱施工精度的條件下，該間隙可以滿(mǎn)足三峽升船機(jī)的實(shí)際運(yùn)行需要。

4.5 對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)

船廂對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)的主要作用，是在船廂與閘首對(duì)接期間，承擔(dān)船廂豎直方向的附加荷載。對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)共4套，布置在安全機(jī)構(gòu)的正上方，與安全機(jī)構(gòu)共用螺母柱，主要由旋轉(zhuǎn)鎖定螺桿、鉸接柱、上下導(dǎo)向架等組成。對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)備布置如圖4所示，構(gòu)造如圖7所示。

旋轉(zhuǎn)鎖定螺桿采用開(kāi)合式結(jié)構(gòu)，由作為上下鎖定塊且?guī)в型饴菁y的油缸缸體和作為油缸活塞桿的中心軸等部件組成。上下鎖定塊之間由8根螺桿連接，螺桿兩端與鎖定塊之間裝設(shè)有壓縮彈簧，在油缸油壓卸載后，張開(kāi)的上下鎖定塊在彈簧的作用下自動(dòng)閉合復(fù)位。鎖定塊外螺紋的螺距與安全機(jī)構(gòu)相同，上下鎖定塊閉合后，其螺牙上、下表面成為連續(xù)的螺紋面。船廂升降過(guò)程中，開(kāi)合式螺桿處于閉合狀態(tài)，并與安全機(jī)構(gòu)螺桿同步在螺母柱內(nèi)空轉(zhuǎn)；船廂與閘首對(duì)接期間，開(kāi)合式螺桿在油壓作用下張開(kāi)，使螺紋副間隙消失，從而將船廂沿鉛垂方向鎖定。對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)的螺紋副間隙設(shè)計(jì)值為±74 mm，大于安全機(jī)構(gòu)的螺紋副間隙值，因此，在船廂升降過(guò)程中遇漏水事故時(shí)，將由安全機(jī)構(gòu)螺桿承受事故載荷；在對(duì)接期間船廂不平衡載荷超出對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷時(shí)，對(duì)接鎖定承載油缸將發(fā)生退讓?zhuān)钩龅牟黄胶廨d荷作用于事故安全機(jī)構(gòu)。

圖7 對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)造示意圖Fig.7 Internal structure of docking－locking device

在船廂退出對(duì)接狀態(tài)前，將通過(guò)船廂水深調(diào)節(jié)系統(tǒng)消除大部分鎖定載荷，為避免對(duì)接鎖定裝置的殘存載荷對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪、齒條造成沖擊，對(duì)接鎖定裝置的上下油腔需緩慢泄壓。對(duì)接鎖定裝置最大工作載荷為船廂±0.6 m水體重量，每套機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)載荷為3 700 kN。

4.6 船廂橫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

船廂上設(shè)4套橫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，4套機(jī)構(gòu)對(duì)稱(chēng)布置在船廂兩側(cè)，位于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正下方，以齒條作導(dǎo)軌。每套機(jī)構(gòu)由雙活塞桿導(dǎo)向油缸、導(dǎo)向架、補(bǔ)償油缸和液壓站等組成。設(shè)計(jì)通過(guò)將船廂一端兩導(dǎo)向油缸的兩油腔油路交叉互聯(lián)，使船廂的橫向載荷發(fā)生變化時(shí)，不致使船廂產(chǎn)生橫向位移。此種管路連接方式可使船廂能在塔柱任何變位條件和齒條制造、安裝誤差條件下，均處于左、右兩個(gè)齒條的正中位置。

船廂同一端兩只油缸的油路還與一套液壓補(bǔ)償系統(tǒng)聯(lián)接，補(bǔ)償系統(tǒng)由補(bǔ)償油缸和液氣彈簧組成，液氣彈簧則與液壓控制系統(tǒng)聯(lián)接。液壓補(bǔ)償系統(tǒng)的主要作用是吸收油缸內(nèi)液壓油的熱膨脹，并補(bǔ)充油缸的泄漏。補(bǔ)償系統(tǒng)由兩個(gè)液壓缸串聯(lián)組成，其連接方式保證兩個(gè)導(dǎo)向缸的兩個(gè)油腔的體積有相同的變化量。

每個(gè)導(dǎo)向架上安裝了8組正、反向彈性導(dǎo)輪和4組正、反向彈性支承滑塊，均以齒條兩側(cè)底板的正、反面作為軌道踏面。彈性導(dǎo)輪通過(guò)一組予緊的碟簧支承，碟簧預(yù)緊力按導(dǎo)輪在船廂承受正常工況載荷時(shí)不發(fā)生退縮予以確定。船廂正常升降時(shí)，通過(guò)予緊的正、反向?qū)л唽?dǎo)向并承受船廂上的橫向載荷，使滑塊與踏面之間保持2 mm的間隙；當(dāng)船廂受到超過(guò)導(dǎo)輪彈簧預(yù)緊力的載荷后，導(dǎo)輪彈簧被壓縮，2 mm間隙消失后滑塊與軌面接觸，滑塊碟簧受壓縮，實(shí)現(xiàn)地震載荷通過(guò)油缸傳遞至導(dǎo)向架，最后經(jīng)齒條傳遞至混凝土結(jié)構(gòu)的目的。每套橫向?qū)蜓b置的地震載荷為3 400 kN，其彈簧系統(tǒng)總剛度65 MN／m。船廂橫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)備布置示意見(jiàn)圖8。

圖8 船廂橫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)備布置示意圖Fig.8 Layout of horizontal guiding mechanism of ship chamber

4.7 船廂縱向?qū)蚺c頂緊機(jī)構(gòu)

船廂縱向?qū)蚺c頂緊裝置用于在船廂升降過(guò)程中對(duì)船廂實(shí)施縱向?qū)颍趯?duì)接期間承擔(dān)并傳遞作用于船廂的縱向水壓力，以及在地震工況下向塔柱結(jié)構(gòu)傳遞船廂與塔柱之間的耦合力。

船廂縱向?qū)蜓b置位于船廂橫向中心線，由一根彎曲梁及2套“導(dǎo)向—頂緊裝置”組成。彎曲梁安裝在船廂底鋪板結(jié)構(gòu)下方，2套“導(dǎo)向—頂緊裝置”分別裝設(shè)在彎曲梁的兩端?！皩?dǎo)向—頂緊裝置”由彈性導(dǎo)輪、頂緊機(jī)構(gòu)和箱體結(jié)構(gòu)等組成。導(dǎo)輪及頂緊機(jī)構(gòu)裝設(shè)在箱體內(nèi)，箱體通過(guò)螺栓與彎曲梁的端部聯(lián)結(jié)。每套裝置內(nèi)包括2套由予緊彈簧支承的導(dǎo)向輪和2套頂緊機(jī)構(gòu)，頂緊機(jī)構(gòu)由“頂緊板”、偏心軸和驅(qū)動(dòng)油缸等構(gòu)成。

彎曲梁采用箱形結(jié)構(gòu)，梁高2 m、寬4 m、長(zhǎng)約23 m，采用Q345鋼拼焊而成，水平方向具有合適的剛度，可滿(mǎn)足地震對(duì)縱向支承剛度的要求。彎曲梁的中部通過(guò)彈性支座支承在船廂底部結(jié)構(gòu)上，水平支座將承受作用于彎曲梁的正常運(yùn)行縱向載荷、對(duì)接頂緊載荷及地震載荷。船廂縱導(dǎo)向“導(dǎo)向—頂緊裝置”構(gòu)造示意見(jiàn)圖9。

圖9 船廂縱導(dǎo)向“導(dǎo)向—頂緊裝置”構(gòu)造示意圖Fig.9 Structure of vertical“guiding－pushing device”of ship chamber

5 電氣傳動(dòng)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船廂的主電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)主要承擔(dān)著驅(qū)動(dòng)船廂作升降運(yùn)行的作用，它包括4個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。

船廂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的4個(gè)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)稱(chēng)布置在船廂的4個(gè)驅(qū)動(dòng)室內(nèi)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元由1個(gè)傳動(dòng)齒輪和2臺(tái)交流變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)組成，2臺(tái)315 kW驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)齒輪上的一根短的剛性軸相互連接，一個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)內(nèi)的2臺(tái)電動(dòng)機(jī)平均負(fù)擔(dān)該點(diǎn)的負(fù)荷。4個(gè)驅(qū)動(dòng)單元采用“工”形剛性機(jī)械同步軸連接，組成了多電動(dòng)機(jī)“機(jī)械同步”傳動(dòng)“齒輪—齒條”爬升系統(tǒng)。該同步軸是船廂作水平運(yùn)動(dòng)的后備保障，正常運(yùn)行時(shí)幾乎不承擔(dān)扭矩負(fù)荷。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器由整流／回饋單元、逆變單元兩部分組成，采用“交—直—交”變流結(jié)構(gòu)。其中整流／回饋單元采用主動(dòng)前端、自換向、脈沖式結(jié)構(gòu)，它與逆變器的功率器件均為絕緣柵雙極型晶閘管（IGBT）。在制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，整流／回饋單元將能量回饋至電網(wǎng)。

三峽升船機(jī)在已有“機(jī)械同步”的基礎(chǔ)上，再增加了“電氣行程同步”控制。正常運(yùn)行情況下，“電氣行程同步”控制使得船廂4個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的行程差≤±2 mm。當(dāng)某個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的電氣傳動(dòng)裝置失效時(shí)故障點(diǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，由其他驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的電動(dòng)機(jī)增加近似相同的輸出轉(zhuǎn)矩，通過(guò)同步軸傳遞。當(dāng)任何一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的2套“變頻器—電動(dòng)機(jī)”都因故障退出工作時(shí)，4個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的電氣同步控制功能失效，該點(diǎn)所需的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩全部需要由其他3個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)承擔(dān)，并通過(guò)“工”形同步軸傳遞。

系統(tǒng)允許8套驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)中的任何2套因故障退出，并可在剩余的6套電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下完成本次升降運(yùn)行后再停機(jī)檢修。

6 結(jié)語(yǔ)

目前，三峽升船機(jī)工程建設(shè)已全面展開(kāi)，正在進(jìn)行塔柱結(jié)構(gòu)混凝土澆筑和主體設(shè)備的制造、采購(gòu)。盡管在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，中、德設(shè)計(jì)方對(duì)三峽齒輪齒條爬升式升船機(jī)進(jìn)行了深入的設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)中的主要技術(shù)問(wèn)題已基本落實(shí)解決，并且該形式的升船機(jī)在國(guó)外已有成功的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，但由于三峽升船機(jī)在提升高度、過(guò)船規(guī)模、技術(shù)復(fù)雜程度和通航水力學(xué)條件等方面，均遠(yuǎn)超已建升船機(jī)，國(guó)內(nèi)也沒(méi)有同類(lèi)升船機(jī)的設(shè)計(jì)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可借鑒，因此，在升船機(jī)施工和設(shè)備制造、安裝、調(diào)試過(guò)程中，將不可避免地面臨諸多預(yù)想之中或之外的技術(shù)難題，需要設(shè)計(jì)、管理、建設(shè)、制造等參建各方繼續(xù)聯(lián)合攻關(guān)，為將三峽升船機(jī)建設(shè)成為運(yùn)行安全、技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量?jī)?yōu)良的工程而共同努力。