科普∣三峡升船机主体结构及功能

三峡升船机布置在枢纽工程的左岸,双线五级船闸的右侧。其核心建筑是上闸首、下闸首、承重塔柱。高达146米的 承重塔柱支撑着承船厢及平衡重共3.1万吨的重量,支撑着承 船厢最高113米的垂直升降。

升船机的承船厢为钢结构,作为船舶进出承船厢通道的上、下闸首为整体式U型混凝土结构。上、下闸首皆设有一道可翻转的卧倒门,关闭时阻隔上、下游航道里的水体,卧倒打 开时船厢与上下游航道的水连为一体,航道贯通。

承船厢外形尺寸132×23×10米(长×宽×高)。升船机的主要机电设备如驱动系统、船厢门及其启闭机等皆安装在船厢上。承船厢上下行走的齿轮、对接锁定安全机构的短镙杆安装在承船厢的两侧,承船厢弧形工作门以及闸首与承船厢的间隙密封装置安装在承船厢上下游两端。

三峡升船机为上、下双向通行,其上、下行工作流程一致。以上行为例,升船机设备的动作及船舶的移动依次为:船 厢下降至船厢水位与下游航道水位齐平位置停靠下来,伸出安装在船厢下游端的间隙密封机构顶紧下闸首工作门,向船厢工作门与下闸首工作门之间的间隙充水,下游端船厢弧形门与下 闸首卧倒门打开,船厢水域与航道水域连通,船只进入承船厢。然后,船厢门和下闸首卧倒门关闭,间隙水泄水,下游间 隙密封机构退回,船厢对接锁定的上、下锁定螺杆复位,与螺 母柱脱开。

驱动机构启动,齿轮沿齿条爬行,船厢以每秒0.2米的速度匀速上升,与此同时,驱动机构驱动安全机构、对接锁定机构的螺杆沿螺母柱空转,同步运行;当船厢运行至上游航道水位时,船厢停车,船厢对接锁定机构动作,上、下锁定螺杆与螺母柱接触,上游间隙密封机构伸出与上闸首工作门对接,间隙充水至与上游水位齐平,闸门开启,船厢水域与上游引航道水域连通,船只驶离船厢。单程通过时间约为37分钟。

盛水承船厢是运载船舶升降过坝的载体。3.5米标准运行水深的承船厢总重是1.55万吨,根据阿基米德定律,船只驶入承船厢会排出同等重量的水,承船厢依旧保持在1.55万吨。由于运用物理学平衡原理在船厢两侧设置了同等质量的配重,提升或者放下承船厢,驱动机构仅需克服不平衡质量和运动阻力(约提升400吨左右重量的力,相当于承船厢总重的2.5%左右),船厢即可轻松升降。

配重设置在船厢两侧塔柱内,滑轮设在塔柱的顶部,钢丝绳绕过滑轮,一端连着船厢,一端连着配重。滑轮两侧钢丝绳的长度相等时,滑轮两边钢丝的重量也相等,处于绝对平衡状态。运行过程中,承船厢与配重一上一下,滑轮两边的钢丝绳也就随之一短一长,长边的重量增加,平衡被打破。于是,通过在承船厢和配重下面悬挂平衡链补偿,使得滑轮两边的承船厢和平衡重处于任何位置皆可保持平衡。

安装在承船厢两侧的4个齿轮和安装在混凝土塔柱上的4根齿条,有如机车的轮子与轨道。驱动机构推动4个齿轮在4根齿条上啮合升降带动承船厢升降,齿轮齿条是升船机行走的导向机构。

船厢在上下升降过程中,齿轮齿条处于受力状态。安装在混凝土塔柱上的齿条承担着经啮合齿轮向混凝土塔柱传递船厢驱动力的作用,发生地震时,齿条还作为承载设备,传递船厢与塔柱之间的横向地震力。

齿轮齿条是升船机的关键部件,其抗磨损能力如何,对升船机的安全运行至关重要。当初齿轮齿条交由德国厂商生产,但他们在加工过程中出现了裂纹等瑕疵。三峡集团组织郑州机械研究所、中国第二重型机械集团对德方工艺的制造材质进行调整。经过两年探索,制造出不开裂的齿条。其后,建设者们对其齿轮齿条进行疲劳试验,结果试验设备累坏了,齿轮齿条样品没出现问题。经测算,三峡升船机齿轮齿条寿命约为70年,超过设计规定的35年使用寿命。

作为升船机行走机构的齿轮与齿条,需要精确啮合,同时还需要呈弹性接触,具有自动适应塔柱和船厢变形变位的能力。因为无论是混凝土还是钢结构,都会因温度变化产生变形变位。

齿轮与齿条这一变形变位适应性技术是通过一个巧妙的齿轮托架机构来实现的。齿轮托架机构是一个可前后摇摆的四连杆支架,具有传递、监测并限制齿轮载荷、适应塔柱和船厢变形, 从而保持小齿轮与齿条精确啮合的功能。齿轮托架系统与可伸缩联轴器联合作用,能自动调整工作状态,自动适应传动轴位置误差,使船厢及其设备系统适应混凝土塔柱因日照等因素产生的温度变形,保证升船机升降运行过程不会发生卡阻现象。当船厢与平衡重系统之间的不平衡力超过驱动机构齿轮载荷的设定值时, 升船机控制系统电气制动停机,随不平衡力逐步增加,直至安全机构将船厢锁定。

齿轮齿条构成升船机的行走机构,短螺杆长螺母柱则是升船机的安全保障机构。短螺杆长螺母柱安全锁定装置简单而巧妙。长螺母柱埋设在承船厢两侧的混凝土塔柱上,全高125米,从塔顶一直贯通到塔底。螺母柱为不相连接的两个螺母柱片组成,多节拼装,螺母柱面向船厢一侧呈90°左右敞开状态,以使嵌套在长螺母柱里的短螺杆能随升船机爬升行走机构同步上升或下降。短螺杆安装在船厢上。