新技术新材料在桂林象山升船机工程中的应用

2010-05-04卢剑华周瑞祥

水利规划与设计 2010年4期

卢剑华周瑞祥黄刚

(广西南宁水利电力设计院南宁 530001)

1 概述

桂林市 “两江四湖”工程是桂林市城市治理改造的系统工程,是将漓江、桃花江与榕湖、杉湖、桂湖、木龙湖相互连通,形成环绕桂林市中心城的环城水系。工程的成功规划和建设,历史性地改变了桂林市的面貌和建设格局,带来了极佳的环境效益和生态效果。

桂林象山升船机工程是 “两江四湖”系统工程中一座重要的通航设施,位于桃花江出口与漓江交汇处,距离象鼻山约100m,是连通桃花江与漓江的枢纽建筑物。象山升船机通航船只为旅游专用船只,船只最大外形尺度为 (长×宽×高)15m×3.7m×2.3m,吃水深度0.5m,承船厢的升降运行速度按1.0m/min～3.0m/min,一次过船所需时间约为6min～10min,设计日通航能力为3000人/日,通航保证率92%。工程建成后,实现了连通内湖、外江和贯穿市区的 “环城”水上游览,实现了从 “象鼻山→漓江→木龙湖→桂湖→桃花江→象鼻山”船只循环通航。

桂林象山升船机的设计和建设很好地实现了与周围自然人文景观完美结合,做到高效、安全可靠的运行,这与设计中采用潜没式液压顶推升船方式,大量成功应用新技术和新材料有着密切的联系。

2 象山升船机工程中采用的新技术和新材料

2.1 潜没式液压顶推升船方式

桂林是世界著名的旅游城市,象山升船机工程位于桂林市城徽象鼻山附近。象鼻山是桂林最经典的自然景观,每年到这里游览的中外游客络绎不绝。为了解决新的建筑物与自然人文景观的和谐,经过对多个设计方案的研究比较,综合分析,在现有的新技术和新材料的基础上,勇于创新,突破原有的升船方式,采用一种新颖的、结构独特的升船方式,即 “潜没式液压顶推升船”方案。升船机主体和升降动力设备设置在水中,潜没于水下,出露地面的建筑物仅为液压泵站和控制房,整个建筑物体量小,对周围环境影响很小,基本保持原有的景观,实现了新建的建筑物与周围环境融为一体,较好地解决水利工程建设与城市环境保护、自然人文景观间的协调统一问题 (见图1)。

图1 纵剖面示意图

2.2 升船机主升降设备采用的先进液压启闭设备

通航建筑物主要是船闸和升船机,船闸是利用水位升降和水的浮力,升船机的动力设备一般是卷扬机或螺杆启闭机。象山升船机的升降采用液压传动作为动力,四个主顶推液压缸设置在承船厢的底部,潜没在水下,通过液压系统和电控系统控制主顶推液压缸的升降。液压启闭机的油缸结构简单,传动平稳,具有结构紧凑、体积小,重量轻,承载能力大等优点,同时液压传动与电气控制结合便于实现自动化。这种升船方式充分利用液压技术的先进性,实现升船机快速、平稳的运行。

2.3 升船机液压系统中的调速控制技术和多缸同步纠偏控制技术

(1)升降系统的调速控制采用新技术,实现了升船机的平稳运转。

在液压升降回路中,设置了带有超速控制功能和压力补偿功能的调速阀,采用了双阀尾对尾安装方式,可实现流量的双向的精细调节,这样就保证了在事实上的各油缸负载不均匀时各油缸仍然能得到相同的流量,从而使升船机各支撑点获得相同的升降位置,避免了在动作初始阶段阀口开得过大而导致不可预期的大流量通过,从而避免了超速危险,实现了平稳运转。

(2)升船机升降系统的同步纠偏控制技术,实现四个主液压油缸的同步运行控制。

当升降系统中出现四个油缸位置不同步的情况且偏差超过预设的报警值时,系统将进入纠偏控制模式。纠偏控制模式分为正常闭环控制和应急开环控制两种方式。在正常闭环控制中,利用各油缸中绝对位移传感器配合旁路比例阀的控制方式实现各回路流量的稳定性和一致性。在位移检测系统或者比例阀出现故障而系统又发生不同步现象时,系统将处在应急开环控制模式中。在应急开环控制模式中,各比例阀支路将被电磁球阀隔离,大的偏差可以通过人工手动调节应急节流阀实现一定偏差范围内的位置同步,然后借助带压力补偿功能的调速阀控制实现四缸的基本同步。

在上升过程中,以四个油缸中速度慢的一个为基准,为其余三个回路中需要纠偏油缸的比例阀提供适当的电控信号进行旁路节流,用以可实现四缸的同步运行。在下降过程中,以四个油缸中速度快的一个为基准,为其余三个回路中需要纠偏油缸的比例阀提供对应于起偏差值的电控信号进行旁路节流,实现四缸同步。

(3)液压系统设置了两用一备的主泵模式,设定了三种工作压力,节能效果明显。

在液压系统中,除升降回路外还有各翻板门和检修门及防撞链油缸,各油缸的压力和流量需求变化都比较大。为此,系统设置了两用一备的主泵模式,可以根据不同的工况动作进行单泵或双泵启动。主泵都采用恒压变量泵,这使得油泵有能力适应各种工况下流量的需求变化,适时减小了流量引起的能量损失。系统还设定了三种工作压力,能够适应各油缸回路不同的负载要求,适时减小了压力引起的能量损失。这使得系统的功率浪费大大减少,节能效果明显。

(4)设置多重保护,保证系统运行安全可靠。

在安全性上,考虑了整个系统的多重压力保护,实现了各重要元件的保护。系统还采用了PQT测量系统,能够方便快捷地监测系统的压力、流量和温度。系统还设置了油箱液位和油液温度的监测设备,能够适时发出报警和连锁控制。在控制软件中,系统设置了主油缸同步超差报警值,一旦某主油缸同基准油缸之间的偏差超过此值,系统将发出报警停机,从而避免安全事故。系统设置了液压锁,从而可使操作人员能够根据现场情况方便地进行调整和控制。主泵采用两用一备的运行模式,保证了单泵故障时系统仍然能正常工作。

(5)多种运行控制模式,方便操作控制。

整个系统设计了三种运行模式:系统联合自动控制模式、系统各动作的单独控制模式和手动控制模式。这种组合具有先进的自动控制模式,又保证操作人员的自主性,还考虑了应急情况下的手动控制模式,能够满足不同情况和不同层次的操作模式,便于升船机的操作控制。

2.4 升船机主推液压缸采用的多项技术

(1)主推液压缸活塞杆采用了陶瓷活塞杆,提高油缸的寿命。

由于升船机长期在水下运行,所有油缸长期浸入没于水质变化的河水中,这种工况对油缸各部件尤其是活塞杆的腐蚀很严重。为此,系统采用了国际领先的陶瓷活塞杆技术,为所有的活塞杆 (包括主推液压缸和配套油缸)喷涂了陶瓷涂层,极大地提高了活塞杆应对恶劣环境的能力,提高了油缸使用寿命,从而保证了整个系统的寿命、可靠性和技术先进性。

(2)主推液压缸支座材料、活塞杆与乘船厢的接触面采用的特殊新材料

主油缸的活塞杆端头和主油缸缸体的安装座面采用了特殊塑料,这些特殊塑料具有在水中的膨胀率小、寿命长、重量轻、高强度、高耐磨和自润滑的特性,保证了油缸在大负载的静压、动压和扭矩作用下的性能和寿命。此外,在这两个连接部位采用了球面结构,能够保证油缸只受轴向力,从而保证了油缸的活塞杆端盖及其密封件的使用寿命。

(3)主推液压缸的行程检测装置

对于主油缸的行程检测,系统采用了巴鲁夫的绝对位移传感器,安装方式为内置分体式。该传感器的检测精度可达到0.01mm。由于是内置式安装,对检测系统的保护性好;分体式安装则避免了当出现传感器故障时要对整个油缸拆解维修,只需要检修传感器的电动头,安装维修极为方便。给电动头加罩后检测元件的防护等级达到IP68。

2.5 金属结构设计中大量采用新技术和新材料

自润滑材料使用于卧倒门的支座,检修门顶枢、底枢、轴承,闸门侧、反向装置等的轴套、关节轴承和球面轴承。

工程塑料合金用于承船厢的侧、反方向装置中。

这些材料耐腐蚀、无须密封,可在水中和潮湿空气中工作,无需加油润滑,完全自润滑,解决了老化、变形、卡阻的问题,运行管理方便,运行维护费用低。

2.6 基坑支护采用门架式围护结构型式

本项目施工难点主要是承船厢室的砂质性软基基坑的开挖施工。由于建筑物距离滨江路较近,基坑开挖过程中以及成坑后,承船厢室的设计基底距河岸地面高差约8.7m,与滨江路路面高差约为13m。较高的临空面和地下水的影响,对基坑支护结构产生较大的侧向推力。通过对工程地质资料和周围环境的具体分析,结合该工程深基坑开挖的有关技术要求,在滨江路一侧设置三排钻孔灌注桩,且设桩顶连系梁构成门架式支护结构;灌注桩间布置单排高压旋喷桩,使固结土体形成侧壁垂直防渗帷幕。由于该支护结构无内支撑,对坑内的施工没有任何阻碍,支护结构施工方便,安全可靠,在整个施工过程中起到很好的防护作用,加快了施工进度,节省土建开挖工程量。