岩滩垂直升船机设计案任劳任怨，成功实现

4.5.5.1 概述

岩滩升船机位于广西红水河岩滩水利枢纽上，设计水头68.5m，通航水位变幅：上游11m，下游8.1m，为部分平衡船厢下水钢丝绳卷扬提升式垂直升船机。设计通航1 艘250t铁驳船，船长37.0m，宽9.0m，满载吃水深1.27m，承船厢有效尺寸40m×10.8m×1.8m，结构、设备重465t，载水重965t，承船厢带水总重1430t，平衡重总重1100t，其中重力平衡重260t，转矩平衡重840t。承船厢运行速度，在空气中为0.19m／s，在水中为0.03m／s。承船厢由64根φ52mm的钢丝绳悬吊，根据承船厢下水的特点，提升卷筒在靠承船厢一侧，布置提升绳48 根，在靠平衡重一侧布置转矩平衡绳32 根，另外布置16 根重力平衡绳。主机的4个吊点区8 台减速器分别驱动2 只卷筒，每个吊点区的2 台低速减速器由1 台标准的ZLY型高速减速器传动，高速减速器的输出轴与低速减速器输入轴，锥齿轮箱、同步轴及支座等联成封闭的同步轴系统，主机由4 台339kW 的直流电动机驱动。

岩滩垂直升船机于1999年12月建成试运行，2000年5月通过竣工验收投入正式运行。

4.5.5.2 总体布置

升船机布置在枢纽左岸施工期导流明渠的位置，由上游引航道、挡水坝段、中间渠道、船厢室段、下游引航道等部分组成，航线中心线总长度905.8m。

上游引航道位于坝轴线上游的水库内，设有混凝土重力式靠船墩和长65m的钢筋混凝土浮式导航堤。挡水坝段的航槽净宽12m，设有2道门槽，用于汛期停航或中间渠道检修时，关闭闸门挡水。升船机布置在坝后，挡水坝段和升船机上闸首间，通过中间渠道连接，渠道全长39.5m，渠宽12m，采用钢筋混凝土碾压混凝土的整体实心U形结构，槛上最小通航水深3m。

升船机主体段包括上闸首、船厢室段、下闸首3 部分。

上闸首是升船机的上游挡水建筑物的一部分，上接中间渠道，下接升船机船厢室段，顺水流长17.5m，主要布置有工作闸门、防撞梁、冲沙管道及启闭设备等。上游通航水位变幅由带卧倒小门的下沉式工作大门适应，工作大门由2 套2×3000kN接力式液压启闭机操作，卧倒小门由2套2×160kN液压启闭机操作，工作门上游布置下沉式防撞梁，由固定卷扬机操作。防撞梁上游设2 孔船厢室冲砂孔进水口。进水口闸门采用定轮式平板门，由250kN固定卷扬机启闭。上闸首上游端，设2 道检修门槽，工作大门上设对接密封框机构、闸门间隙充泄水系统、液压泵站等设备。

升船机船厢室段长45.3m，由船厢室、承重塔柱、主机房和中控室等组成。

船厢室宽16.5m，底高程149.5m，底板厚4.5m。船厢室在下游最低通航水位时有5m水深，满足船厢下水的要求。

承重塔柱下端由船厢室U形结构的挡墙支承，顶部由现浇钢筋混凝土梁板结构连接，形成封闭式结构，以增强结构的整体刚度和稳定性。4个塔柱采用薄壁肋形钢筋混凝土结构。塔柱薄壁结构高度为77m，单边宽7.75m。

每个塔柱由1 个内侧顺水流方向的腹板和4个垂直水流方向的翼缘，以及外侧的3 组圈梁组成。腹板、翼缘和圈梁厚均为1m，在空间上构成了3 个平衡重井。塔柱的3 组圈梁分别位于顶部、中部和下部。

塔柱顶部为钢筋混凝土梁板结构，由12根垂直于水流方向的主梁和7 根顺水流方向的次梁，以及面板组成。根据结构布置的条件和所承受的荷载条件，主梁采用预应力叠合梁结构。塔柱顶板与塔柱整体连接。

在塔柱内侧设有承船厢的导向轨道和锁定装置。

塔柱顶部机房高度17.57m，平面尺寸为32m×50m，为框架结构。机房内布置有驱动承船厢运行的机电设备，如卷筒、锥齿轮箱、低速减速器、平衡滑轮组、安全制动器、制动器液压站、高速驱动装置、整流变、传动柜、分屏配电箱等。在主机层上游，右侧布置有工作桥与坝顶沟通，左侧布置有钢梯与上闸首屋顶相连；在主机层的左、右侧及下游侧，均设有2m宽的外走廊。主机房屋面采用钢网架支承结构。

中控室位于主机房的底部，2根现浇大梁分别位于上游一侧塔柱的下游翼缘、下游一侧塔柱的上游翼缘相对应的位置，与左右塔柱刚接。现浇大梁上部为现浇钢筋混凝土板。

此外，在塔柱内部，布置有楼梯、电梯、交通平台、平衡重轨道、电缆道等。

下闸首是船厢室检修时下游的挡水建筑物，长13.8m，侧墙在一期混凝土浇筑时预留了一个缺口，作为承船厢浮运进入船厢室的通道，待承船厢进入船厢室后，用二期混凝土封堵。下闸首设一扇提升式平板检修门，由1 台2×800kN固定卷扬机操作，升船机运行时，检修门锁定在通航净空以上。

下游引航道全长486.8m，由导航段、调顺段和停泊段组成，引航道底宽由下闸首端部处的10.4m逐渐拓宽至28.0m，可满足250t船舶通航需要。经水工模型试验测定，引航道口门区纵向流速1.45m／s、横向流速0.22m／s、回流流速0.37m／s，均满足通航要求。引航道停泊段设有8个靠船墩，中心间距15m，各墩在最低通航水位154.5m至墩顶167.5m高程之间，各设1 组间距为1.5m的系船钩。在引航道左侧195m高程设有1 座灯塔。

4.5.5.3 主提升机

在主提升机的每个卷筒上，设有一套安全制动器，由3 对制动单元构成，靠承船厢一侧1 对，靠平衡重一侧2 对，每台电机的出轴上，各设1 套工作制动器。全部安全制动器，由同一台油泵站操作，油泵站布置在机房中央靠上游的位置，管路对称铺设，安全制动器采用盘式，弹簧上闸、液压松闸，工作制动器采用集成控制的液力弹簧式，分别操作。

制动器正常制动和准正常事故制动的程序，都是先电机停机，待转速接近于零速（约8rpm）时，工作制动器上闸，停机后，安全制动器上闸。主机起动时，则是安全制动器先松闸，然后电机施加反力矩，工作制动器再松闸，最后电机起动。

低速减速器载荷大，要求结构紧凑、重量轻，是升船机中重要性和技术难度最大的设备。采用3 级硬齿面传动，焊接箱体、泵站强制喷油润滑。

提升机卷筒直径3.2m，每个缠绕3 根提升绳和2 根转矩平衡绳，其中2 根提升绳和2根平衡绳为同一根绳，由压板在卷筒上固定。

同步轴系统的4个矩形边上分别设置2 套胀套联轴器，以消除同步轴系统的装配应力，锥齿轮模数25mm，采用泵站强制润滑。其他轴承采用油嘴，由手提式油枪定点润滑。

4.5.5.4 承船厢及其设备

承船厢采用单腹板主纵梁结构，为便于出、入水，在主纵梁腹板和横梁腹板上，经过计算开有足够面积的孔洞，底铺板做成背脊形，以减少船厢出入水时底部空气产生的阻力。现场运行显示，承船厢出、入水平稳，无明显下吸或托浮的现象。船厢门采用卧倒门，由设在门两侧的2台液压启闭机操作。此外，承船厢上还设有对接需要的顶紧及夹紧机构和升降运行需要的导承机构、液压调平装置、锁定机构等设备，液压泵站及电控柜布置在承船厢两侧的走道板上。

承船厢分段浮运至船厢室进行安装。

承船厢可在任意高程进行调平，水平误差由设在承船厢上的水平传感器检测，并控制各组油缸进油路上的比例换向阀进行调平。静态调平精度小于5mm（即为承船厢4 角高度差，按规定此值应小于20mm）。承船厢升降时，每组18只油缸相互串通。

卧倒门启闭机油缸布置在水下，防撞设备布置在卧倒门上，采用弹簧吸收船只撞击的动能。(www.xing528.com)

4.5.5.5 承船厢出、入水控制

原设计承船厢出水时按设定运行速度运行，直接启动加速、匀速出水，然后再按5 阶段速度曲线运行。由于下游水位变率较大，在承船厢停靠下游期间，厢内水深会发生超过提升能力的变化，在调试过程中，增加了出水前根据承船厢1.8m正常水深的微调程序，以便在厢门关闭前，控制水深在±50mm误差范围以内，再按正常程序关闭厢门及提升承船厢。

4.5.5.6 关于承船厢漏水问题

由于升船机按非全平衡设计，主机制动功力较大，即使船厢内水体全部漏空，制动器仍能将承船厢制动，不至于发生承船厢失控上冲的事故。在运行过程中，曾发生过厢内水体在24h内漏掉20cm的事故，检查后发现原因是由于粗钢丝卡在厢门底止水处，造成厢门关闭不严。

4.5.5.7 主拖动系统

岩滩升船机的电气传动系统，分别由4套全数字直流调速系统驱动，4 台直流电动机通过机械刚性同步轴驱动卷筒垂直提升承船厢。电气传动系统的任务就是完成承船厢提升、下降的电力拖动和速度控制，是整个工程的关键项目之一。

岩滩升船机电气传动系统是一个多电机驱动的传动系统。4 台电机通过机械刚性同步轴连接，保持转速同步。为保证整个系统的速度受控和4台电机的出力均衡，传动系统采用4套设备共用1 个速度外环，4个独立电流内环。

系统传动的关键点在于解决多套传动共用一个速度环和多传动出力均衡的问题。为此，岩滩升船机采用Master／Follow（主／从）控制方式。4套传动装置中设置1 套为主传动，另3 套为从传动，4套传动装置共用主传动的速度外环，对整个系统进行速度控制，按指定的速度曲线运行。而计算机控制系统通过读取主传动速度调节器的输出值和各传动的转矩值，经过处理、修正等一系列计算，动态分配给3 套从传动，从而实现4套传动的力矩均衡，保证各台电机的出力基本一致。但由于各传动参数不一致，各电机参数也不完全一样，主传动速度调节器的输出，没有直接硬连接地分配给其他3 套从传动，而通过控制系统根据当前的各个传动的输出转矩来修正、调整、分配，以增强系统的灵活性，提高控制精度。

同时，岩滩升船机系统在保证升降的快速性、平稳性的基础上，并没有追求过高的系统响应速度，避免了对主机系统造成冲击，影响系统的平稳性。

为了预防主提升电气控制系统故障的发生，除了采用电源冗余和网络双电缆冗余外，最重要的布置是PLC的双CPU热备。主提升热备控制系统PLC的双CPU，在主CPU故障时，热备系统能自动切换到后备CPU，主CPU和从CPU可以实现无扰动切换，减少了由于CPU故障而引发的系统故障，系统的可靠性大大提高。

岩滩升船机电气传动系统目前达到的性能：4套传动或3 套传动出力均衡控制，各套传动的电流与4套传动电流平均值之差，不大于平均值的4%，各传动的均衡性很好；主提升控制系统对电气传动的预加转矩控制，实现了升船机启、停平衡；船厢出、入水力矩过零平衡，船厢出、入水整个过程平稳；船厢高速、中速、低速升降过程平稳，船厢内水面观测平稳；船厢升降过程中系统加、减速过程平稳；电气传动系统能适应轻载、重载、零载、变载工况，稳定运行；电气传动系统实现船厢在水中微行程调节，确保船厢内、外水位差值在给定范围，适应下游水位由于电站负荷调节引起的变幅较大的水位变化。

4.5.5.8 承船厢供电

针对升船机68.5m扬程，进入承船厢的动力电缆，选用重型橡套电缆（YCW），电缆从主机房接出，垂直悬挂，下端设电缆卷筒，随承船厢升降而自动收放。升船机试运行一年，电缆运行情况尚好，但电缆的最大悬挂长度约86m，重约400kg，长期承受机械应力，对机械强度、绝缘寿命将产生很大影响。

图4-53 为岩滩下水式垂直升船机上游鸟瞰图。图4-54为岩滩下水式垂直升船机下游鸟瞰图。

图4-53 岩滩下水式垂直升船机上游鸟瞰图

图4-54 岩滩下水式垂直升船机下游鸟瞰图

附：下水式升船机主提升机构设计有关问题

（1）下水式垂直升船机的平衡重数量。下水式升船机，平衡重总重少于承船厢加水重量。平衡重总重的取值有两种方法。其一是采用主机电机等功率原则，即承船厢在空气中运行时的电机功率等于承船厢出、入水过程中的最大功率。承船厢在空气中运行及出、入水过程中，主机外载均以承船厢加水重量与平衡重重量之差为主，只是方向相反，数值取决于平衡重的重量。承船厢在空气中的运行速度由升船机通过能力确定，在出、入水过程中的速度，由水力学条件确定。根据等功率原则列出等式，即可求出平衡重总重。该原则使主提升机能耗最省。其二是采用主机设备等效载荷最小原则：承船厢在出、入水过程中的主机负荷，大于承船厢在空气中运行的主机负荷，但持续时间较短。因此，可根据承船厢在一次运行行程中载荷的变化规律，确定主机的等效载荷。平衡重的重量的大小，影响承船厢在空气中运行时主提升机的定常载荷和船厢入水时主机的尖峰载荷的大小。平衡重的重量越大，主机的定常载荷越小，但尖峰载荷越大；反之亦然。主机等效载荷根据定常载荷和尖峰载荷的大小及所计算零部件相关部位承受该载荷的循环次数，通过疲劳累计损伤理论加以计算。在设计的初始阶段，可以直接以影响主提升机轴向布置的零件——减速器低速级的齿轮为计算对象，其他根据主机提升力设计零件，对主机布置影响不大。由于每次尖峰负荷持续时间短，一次运行不能构成齿轮的一次以上的循环；如果简单地将每次入水当作一次循环，则尖峰负荷成为齿轮设计的主要控制载荷，不能达到减小等效负荷的目的。实际上由于下游水位的变化，每次运行承受尖峰负荷的轮齿不同，因此，更加合理和符合实际的计算方法是根据下游水位变幅的统计规律，计算小齿轮尖峰负荷可能发生次数最多的轮齿，在整个服役寿命期间达到尖峰负荷的概率统计次数，以此作为减速器低速级齿轮设计计算的尖峰负荷的循环次数。等效载荷最小原则使主机机械传动设备的规模最小。由等功率原则所确定的平衡重重量，常常大于由等效载荷最小原则确定的平衡重重量，但差别不是很大。由于下水式升船机主提升机沿纵向的布置及主机规模是影响该型式升船机可行性的主要问题，因此，一般优先采用等效载荷最小原则，或分别按两原则计算平衡重重量，经综合权衡后确定。平衡重总重确定后，可将所有平衡重全部作为转矩平衡重，也可根据主机布置情况，取少量的重力平衡重。

（2）下水式垂直升船机的运行速度。下水式升船机的运行过程，包括出、入水运行和船厢在空气中运行两部分。船厢在出、入水过程的速度的确定，主要需考虑出、入水过程的水力学条件，即使船厢入水过程平稳，并尽量减小船厢出、入水过程中的下吸力，其具体的数值可根据水力学试验确定。船厢在空气中的速度则由升船机通过能力确定。

（3）下水式垂直升船机主提升机的中心距。对于下水式升船机，船厢结构大部分或全部由提升绳悬吊，纵倾稳定性较好。主机主要由卷扬提升设备组成，滑轮数量较少，主机中心距较大，所以，一般可根据主机设备布置自然形成主机中心距。

（4）下水式垂直升船机的提升力。下水式升船机的提升力，指承船厢在空气中正常运行需克服的载荷。除了与平衡重式垂直升船机相同的载荷因素之外，还包括承船厢加水的理论重量与平衡重总重的差值，因此，下水式升船机的提升力较同规模的全平衡升船机大。下水式升船机在承船厢出入水过程中，需经受瞬时尖峰负荷。如岩滩升船机一般情况下的提升力为4400kN，瞬时尖峰负荷为7700kN，为一般情况下提升力的1.75 倍。

（5）下水式垂直升船机的电气传动与控制系统。下水式升船机是卷扬提升垂直升船机的另一种型式，通常采用部分平衡、承船厢直接下水的运行方式。这种型式的升船机，是解决下游水位变幅大且变化率高的水利枢纽通航问题的有效途径。

1）下水式升船机的特点。承船厢下水的升船机相对于不下水的升船机有如下特点：①下水式升船机承船厢直接进入水中（通常是与下游航道联通的水域），根据下游航道水位变化，可随机简便地寻找适当的减速点和准确的停位点，控制其减速停机。当在船只进出船厢期间，水位发生超限的变化，亦可随时启动主拖动系统调节船厢的入水深度来适应水位的大幅度变化。②由于这种型式升船机一般省去了下闸首，承船厢的下游端就不必与下闸首进行对接，也就省却了顶紧、密封机构等部分辅助设备。③由于省去了部分对接机构，运行过程的程序减少了许多，既提高了运转的可靠性，又缩短了船只过坝时间，有可能提高通过能力。④由于承船厢下水过程实际上相当于失水过程，驱动机构按适应这种工况进行设计。所以，即使承船厢内的水全部漏光，也不会招致失控事故，安全性大为提高。由于下水式升船机对应于全平衡不下水式升船机具有以上特点，在某些日调节频繁的大中型水电站，下水式升船机是解决船只过坝问题的可取途径之一。

2）下水式升船机驱动容量的确定。下水式升船机只能采用部分平衡，其驱动容量比相应规模的全平衡不下水升船机的驱动容量大得多。下水式升船机驱动容量的选取，在很大程度上取决于平衡重块重量的选取。过去在选择升船机电气传动调速系统时，考虑较多的是采用恒转矩调速系统，选择驱动容量的原则是通过计算，选择适当的平衡重块的重量，使承船厢在水下运行和在空气中运行的牵引力相等。但由于承船厢在升降过程的后期，需要减速慢行以寻找准确的停靠位置，特别是承船厢下水运行的行程和速度，远比全行程和水上速度小。这样，依据牵引力相等的原则选择驱动功率，将会造成很大的浪费。

电气传动系统的另一类被广泛采用的调速方式，是恒功率调速，即在调速过程中保持驱动功率不变，而转矩随转速反比变化。承船厢在慢速下水过程中，由于浮力和厢内水体逐渐失重，不平衡力在下水过程中逐渐增大，直到厢内外水面齐平的瞬间达到最大值并停机。因此，可以把承船厢出、入水的运行设计成：入水前高速小转矩运行，而下水过程则采用低速（基速或以下）大转矩运行，按功率相等的原则选择平衡重并计算驱动功率。

采用恒功率调速解决承船厢下水问题，可在不同程度上节减电动机功率，可根据不同的电动机弱磁调速范围d 值的取值，比较计算出采用恒功率调速可较恒转矩调速节省的功率，计算结果表明：d 的取值越大，节减的功率越多，当d 取2时，所需驱动功率只是恒转矩调速的1／1.5，当d 取3 时，所需驱动功率只是恒转矩调速的1／2。毫无疑问，这将带来一系列的好处。国内生产的直流他激电动机，弱磁调速范围可在2～4 之间选取，交流电机一般为2。但采用恒功率调速来节减驱动功率是要付出一定代价的。d 取值越大，平衡重值越大，显然，当船厢下水后，最终所引起的不平衡力越大。但相比之下，还是功率节减的收益更大。因此，可得结论如下：①电动机弱磁调速取值越大，平衡重值越大。一方面，水上牵引力越小，驱动功率越小，运行时间很长，而最终的水下牵引力虽然很大，但运行时间却很短，因而驱动功率的利用率很高；另一方面，由于最大牵引力出现在将要停机的瞬间，还可利用过载能力降低机械设计强度和进一步节减驱动功率。②电动机弱磁调速取值越小，平衡重值越小。水上牵引力越大，水上驱动功率越大，运行时间又很长，虽然水下驱动功率较小，但运行时间却很短，这样，驱动功率的利用率就越低，十分浪费。

为了简明地说明问题的实质，上述推论忽略了一些次要因素，事实上传动系统还存在着误载水量、摩阻力矩、启制动力矩和钢丝绳长短变化及僵性阻力等会影响计算结果的因素，因此在进行技术设计时，这些因素仍是必须考虑的。