三峽升船機(jī)主體部分方案比選專題研究一、升船機(jī)工程概況三峽升船機(jī)是三峽工程的永久通航設(shè)施之一，布置在樞紐左岸，主要用于為大型客輪提供快速過壩通道。升船機(jī)工程由上游引航道、上閘首、升船機(jī)主體、下閘首和下游引航道等建筑物組成。升船機(jī)過船規(guī)模為3000T級，最大提升高度113M，上游通航水位變幅30M，下游通航水位變幅118M。具有提升重量大、升程高、上下游通航水位變幅大、水位變率快、通航條件受河流泥沙淤積、船閘充泄水及樞紐泄流影響的特點(diǎn)，是目前世界上規(guī)模和技術(shù)難度最大的升船機(jī)。二、三峽升船機(jī)型式研究和比較方案的提出三峽升船機(jī)的規(guī)模和技術(shù)難度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國內(nèi)外已建和在建升船機(jī)，自1958年開始，長江水利委員會（以下簡稱長江委）會同國內(nèi)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位、大專院校對升船機(jī)的型式進(jìn)行多方案的研究比較。研究過的主要型式有平衡重式、浮筒式、水壓式、液壓式、水力式及半水力式垂直升船機(jī)；平衡重式縱向斜面升船機(jī)；平衡重式橫向斜面升船機(jī)；自行式縱向斜面升船機(jī)等。其中，對帶中間渠道的兩級齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)、帶中間渠道的兩級鋼絲繩卷揚(yáng)提升式垂直升船機(jī)和一級鋼絲繩卷揚(yáng)垂直升船機(jī)進(jìn)行了比較深入的重點(diǎn)研究設(shè)計(jì)。在三峽工程初步設(shè)計(jì)階段，長江委推薦升船機(jī)采用“全平衡鋼絲繩卷揚(yáng)一級垂直升船機(jī)”方案并通過初步設(shè)計(jì)審查。三峽升船機(jī)作為承擔(dān)客輪過壩的通航設(shè)施，必須確保其運(yùn)行的安全可靠。在升船機(jī)已確定為全平衡垂直提升式前提下，升船機(jī)型式取決于安全保障體系的型式。三峽升船機(jī)初步設(shè)計(jì)階段制定的安全標(biāo)準(zhǔn)，參考型式與之相同的比利時斯特勒比升船機(jī)的設(shè)計(jì)原則，即只以船廂部分漏水確定安全裝置的防事故能力。初步設(shè)計(jì)的三峽升船機(jī)安全保障系統(tǒng)，除設(shè)置在主提升機(jī)上的安全制動器外，還根據(jù)三峽工程的實(shí)際條件和運(yùn)行需要，在船廂上增設(shè)沿程鎖定裝置。長江委設(shè)計(jì)院深入研究鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案安全保障體系的同時，受中國三峽總公司委托，對三峽升船機(jī)結(jié)合三峽工程的實(shí)際條件，采用齒輪齒條爬升式方案的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行深化研究。對鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案和齒輪齒條爬升方案進(jìn)行綜合、客觀的技術(shù)比較，為三峽升船機(jī)方案的最終選型提供技術(shù)基礎(chǔ)。三、方案簡介鋼絲繩卷揚(yáng)提升式升船機(jī)與齒輪齒條爬升式升船機(jī)都屬于全平衡垂直提升型式，升船機(jī)的規(guī)模、功能、總體布置基本相同，其上、下閘首的設(shè)備布置及結(jié)構(gòu)型式完全相同。兩種方案的主要不同之處在于升船機(jī)主體部分，而主部分的關(guān)差異是船廂的驅(qū)動方式、安全保障體系的結(jié)構(gòu)型式及其工作機(jī)理。（一）鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案鋼絲繩卷揚(yáng)提升式升船機(jī)的主要特點(diǎn)，是船廂完全由鋼絲繩懸吊，通過卷揚(yáng)機(jī)驅(qū)動升降運(yùn)行，主提升機(jī)及其電力拖動、控制設(shè)備布置在主機(jī)房內(nèi)。船廂結(jié)構(gòu)、設(shè)備加水體總重約11800T，由144根88MM的鋼絲繩懸吊。由相同重量的平衡重完全平衡，其中重力平衡重5600T，轉(zhuǎn)矩平衡重6200T。提升鋼絲繩經(jīng)過液壓均衡油缸與船廂連接。船廂室兩側(cè)對稱布置4個相對獨(dú)立的混凝土塔柱結(jié)構(gòu)，4個塔柱在頂部連接成一體，上部為整體式主提升機(jī)機(jī)房。主提升機(jī)設(shè)備分成4個吊點(diǎn)區(qū)在機(jī)房內(nèi)對稱布置，每個吊點(diǎn)區(qū)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)之間由機(jī)械軸連結(jié)，構(gòu)成封閉的同步軸系統(tǒng)。卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)卷筒直徑56M，交流電動機(jī)功率8250KW。主提升機(jī)的額定提升力6800KN，允許船廂誤載水深02M。主提升機(jī)的安全制動系統(tǒng)是鋼絲繩卷揚(yáng)提升式升船機(jī)安全保障體系的重要組成部分，由工作制動器、安全制動器等設(shè)備組成。工作制動器和安全制動器均采用液壓盤式制動器，主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時松閘、停機(jī)后上閘。在出現(xiàn)船廂大量漏水事故時，安全制動系統(tǒng)可隨時上閘制動，安全制動器總制動能力78000KN。作為安全保障體系的一部分，在船廂兩側(cè)還設(shè)置最大鎖定能力為38000KN的8套沿程鎖定裝置，與主提升機(jī)的安全制動器聯(lián)合作用，可將水漏空的船廂可靠制動。為滿足船廂升降運(yùn)行和與閘首對接的需要，船廂上還設(shè)置頂緊機(jī)構(gòu)、密封框機(jī)構(gòu)、廂門啟閉機(jī)、可逆水泵系統(tǒng)、液壓均衡裝置、消防與疏散等設(shè)備。（二）齒輪齒條爬升方案齒輪齒條爬升式升船機(jī)，其船廂總重約13000T，全部由重力平衡重平衡，由1616根70MM的鋼絲繩懸吊。船廂驅(qū)動系統(tǒng)采用齒輪齒條爬升式，4套驅(qū)動機(jī)構(gòu)之間通過機(jī)械同步軸連接。驅(qū)動機(jī)構(gòu)由開式齒輪、齒條、搖臂機(jī)構(gòu)、液氣彈簧、減速器、電動機(jī)等設(shè)備組成。開式齒輪由雙電機(jī)和雙減速器驅(qū)動，齒輪與塔柱上的齒條相嚙合，驅(qū)動船廂升降運(yùn)行。驅(qū)動系統(tǒng)允許船廂誤載水深5CM，電機(jī)功率8250KW。當(dāng)船廂與閘首對接過程中誤載水深超過5CM時，需啟動船廂兩端的可逆水泵系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。船廂的安全機(jī)構(gòu)采用“短螺桿長螺母柱”方案，與驅(qū)動機(jī)構(gòu)相鄰布置，螺桿與驅(qū)動機(jī)構(gòu)的齒輪之間通過機(jī)械軸連接，船廂升降時，螺桿由齒輪軸驅(qū)動在螺母柱內(nèi)空轉(zhuǎn)，旋升速度與齒輪的爬升速度同步。螺紋副間隙設(shè)計(jì)值為50MM，并預(yù)留適當(dāng)?shù)脑Ａ俊Ｂ菽钢捎弥锌臻_槽結(jié)卡鋼結(jié)構(gòu)調(diào)整架安裝在混凝土塔柱上。安全機(jī)構(gòu)按照船廂水漏空以及船廂室進(jìn)水船廂承受浮力進(jìn)行設(shè)計(jì)。在塔柱頂部設(shè)兩個獨(dú)立的機(jī)房，內(nèi)部布置平衡滑輪組及檢修橋機(jī)等設(shè)備。另外，船廂上還設(shè)有與鋼絲繩卷揚(yáng)方案相類似的對接鎖定裝置、頂緊機(jī)構(gòu)、可逆水泵系統(tǒng)等機(jī)械設(shè)備。驅(qū)動機(jī)構(gòu)和安全機(jī)構(gòu)安裝在船廂兩側(cè)的4個側(cè)翼平臺上。除增加4個側(cè)翼外，船廂結(jié)構(gòu)型式與鋼絲繩卷揚(yáng)方案的船廂結(jié)構(gòu)基本相同。四、方案比較（一）主要技術(shù)特征比較1鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案能適應(yīng)較大提升高度；主提升設(shè)備制造、安裝均為圓點(diǎn)難度較小；塔柱的施工精度容易保證；塔柱結(jié)構(gòu)的變形對設(shè)備運(yùn)行影響小；對船廂誤載水深的適應(yīng)能力較大；船廂與主機(jī)之間的相互影響?。魂P(guān)鍵技術(shù)問題通過科研攻關(guān)已經(jīng)得到初步解決；國內(nèi)有同類升船機(jī)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。遇船廂漏水事故不能自行制動；對船廂液壓均衡系統(tǒng)的工作可靠性要求高；停航期間船廂對接鎖定裝置需處于工作狀態(tài)；對安全制動器的可靠性要求高。2齒輪齒條爬升方案遇船廂漏水事故可按限定荷載自行鎖定；主提升設(shè)備規(guī)模小、布置緊湊；船廂運(yùn)行水平度較高；升船機(jī)停航期間設(shè)備處于非工作狀態(tài)；可利用安全機(jī)構(gòu)進(jìn)行船廂檢修；塔柱頂部機(jī)房設(shè)備布置簡單。主要設(shè)備的制造、安裝難度較大；船廂厚板結(jié)構(gòu)現(xiàn)場焊接技術(shù)難度較大；塔柱施工精度要求相對較高；塔柱結(jié)構(gòu)變形對升船機(jī)正常運(yùn)行有直接影響；影響驅(qū)動機(jī)構(gòu)和安全機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行的因素復(fù)雜；驅(qū)動機(jī)構(gòu)適應(yīng)船廂水深誤差的能力相對較小；船廂供電技術(shù)比較復(fù)雜。（二）防漏水事故能力及安全可靠性比較兩種方案的事故荷載標(biāo)準(zhǔn)相同，僅實(shí)施事故停機(jī)的設(shè)備型式與工作原理不同。齒輪齒條爬升式升船機(jī)在升降過程中發(fā)生船廂漏水事故時，驅(qū)動機(jī)構(gòu)可自動停機(jī)，隨后安全機(jī)構(gòu)發(fā)生作用，船廂被鎖定在螺母柱上。安全機(jī)構(gòu)的作用過程，不需要外部控制信號介入，安全可靠性高。鋼絲繩卷揚(yáng)提升式升船機(jī)防船廂漏水安全裝置動作的可靠性，依賴于相關(guān)檢測、監(jiān)測和控制信號的準(zhǔn)確性與可靠性。鋼絲繩卷揚(yáng)方案無需對船廂室內(nèi)進(jìn)水事故工況進(jìn)行專門的設(shè)防。齒輪齒條方案防事故能力按照船廂室進(jìn)水、船廂承受浮力進(jìn)行設(shè)計(jì)，最大載荷115000KN，同時可有效防御船廂內(nèi)9000T水體全部漏空的事故。（三）關(guān)鍵設(shè)備制造技術(shù)難度比較1鋼絲繩卷揚(yáng)方案的卷筒、減速器卷筒直徑56M，長73M，重量約130T，屬于超大型設(shè)備。由于卷筒的規(guī)模大，且對繩槽底徑誤差有較高的精度要求，具有一定的加工難度。減速器采用硬齒面?zhèn)鲃?，中心?8M，外形寬32M，重量約120T，屬于超大型的低速、重載減速器。末級齒輪模數(shù)達(dá)到40MM，國內(nèi)現(xiàn)有的大型磨齒機(jī)的參數(shù)尚不能滿足要求，需要采取特殊的工藝并配置相應(yīng)的工裝。2齒輪齒條爬升方案的螺母柱、齒輪及齒條螺母柱中徑124M，單節(jié)長625M，總長約480M，采用合金鑄鋼鑄造。齒輪、齒條模數(shù)60MM，屬于低速重載齒輪，齒面滲碳、淬火處理，對齒面接觸精度有較高要求。上述設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)已經(jīng)超出國家標(biāo)準(zhǔn)范圍，國內(nèi)尚缺乏成熟的制造經(jīng)驗(yàn)，具有較大的制造技術(shù)難度。但利用國內(nèi)現(xiàn)有設(shè)備，研究制定嚴(yán)格的加工工藝措施，齒輪、齒條和螺母柱國內(nèi)可以加工制造。3齒輪齒條爬升方案的行星齒輪減速器、液氣彈簧行星齒輪減速器、伸縮式聯(lián)軸器、制動器以及“液氣彈簧”的關(guān)鍵部件等，需要從國外引進(jìn)。4鋼絲繩卷揚(yáng)方案的安全制動器安全制動器的規(guī)模大、數(shù)量多、可靠性要求高。選用國外定型產(chǎn)品，質(zhì)量、性能可以得到保證。（四）設(shè)備安裝及塔柱施工技術(shù)難度比較1鋼絲繩卷揚(yáng)方案主提升機(jī)設(shè)備的安裝精度對船廂正常運(yùn)行影響較小，對安裝精度的要求相對較低。采用的安裝方式簡單，調(diào)整方便，精度容易得到保證，同時該類設(shè)備國內(nèi)具有豐富的安裝經(jīng)驗(yàn)。鋼絲繩卷揚(yáng)方案的船廂沿程鎖定軌道、頂緊軌道等均通過二期埋件安裝，安裝精度容易保證。塔柱結(jié)構(gòu)相對簡單，施工精度對升船機(jī)正常運(yùn)行的影響小，塔柱施工精度要求低，技術(shù)難度較小。2齒輪齒條爬升方案螺母柱和齒條的安裝精度對船廂的正常運(yùn)行有直接影響，安裝精度要求高。受升船機(jī)設(shè)備布置空間限制，采用的安裝方式比較復(fù)雜，安裝、調(diào)整困難?，F(xiàn)場焊接變形不容易控制，安裝精度難以保證。另外，國內(nèi)外尚無該類設(shè)備的安裝經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。船廂的安裝方案與鋼絲繩卷揚(yáng)方案基本相同，不同之處是鋼板厚度較大的船廂側(cè)翼只能在現(xiàn)場焊接，拼焊的精度要求高，安裝技術(shù)難度比較大。螺母柱和齒條通過埋件與塔柱結(jié)構(gòu)連接，為達(dá)到設(shè)計(jì)要求的設(shè)備安裝精度，需要塔柱施工時確保混凝土的澆筑精度和埋件的埋設(shè)精度。安裝螺母柱和齒條的局部結(jié)構(gòu)載荷大、精度要求高、施工難度較大，國內(nèi)沒有類似的施工經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，施工工藝有待進(jìn)一步研究、落實(shí)。五、結(jié)語鋼絲繩卷揚(yáng)提升升船機(jī)和齒輪齒條爬升升船機(jī)都屬于全平衡垂直提升式升船機(jī)，主要差異在于升船機(jī)運(yùn)行的安全可靠度、事故應(yīng)對措施、主體建筑物結(jié)構(gòu)型式、設(shè)備布置、設(shè)備制造安裝技術(shù)難度等方面。經(jīng)綜合分析表明，兩種方案應(yīng)用于三峽工程，在技術(shù)上都是可行的，其工作原理和運(yùn)行可靠性都經(jīng)過了工程驗(yàn)證，在設(shè)計(jì)方面均不存在難以逾越的重大技術(shù)難題。兩種方案關(guān)鍵設(shè)備的制造、安裝難度沒有本質(zhì)的差異，但齒輪齒條方案的安全可靠性明顯高于鋼絲繩卷揚(yáng)方案。鑒于三峽工程的重要性和社會影響，確保升船機(jī)的安全可靠運(yùn)行是方案比選的首要