三峡“超级电梯”：托举万吨轮船过大坝

三峡“超级电梯”：托举万吨轮船过大坝

三峡升船机由中德联合设计，令德方诧异的是，德国自己设计的升船机还未动工，我们的工人已经在三峡大坝上飞檐走壁了。而升船机提升精确度误差小于两毫米，更刷新了世界标准。

9月18日，作为工程的收官之作，被誉为三峡工程最后的“谜底”——三峡升船机的神秘面纱终于被揭开。

据悉，三峡升船机是世界上规模最大、技术含量最高的垂直升船机。它系统众多，功能复杂，大部分设备型式及运作方式为国内首次采用，其技术、制造、安装难度和规模均为升船机世界之最。那么，被称为“超级电梯”的它到底神在哪儿？

精准度刷新了世界标准

这座世界上最大的升船机，初步设计于上世纪50年代。1993年通过审查，基于安全可靠性考虑，1995年5月国务院三峡工程建设委员会决定缓建三峡升船机，重新进行方案比选及论证设计。

三峡集团机电工程局副局长吴小云从2004年接手升船机研制，12年磨一剑，最终在他们这一代人手中“亮剑”。

据悉，当时在升船机技术比较成熟的德国、比利时等国家，升船机主要是应用在运河上，水流平缓，水文条件相对简单。而要在三峡大坝上建造升船机，却必须面对极为复杂的水文条件。

此外，齿轮齿条爬升式和钢丝绳卷扬提升式是世界垂直升船机主要采用的两种设计型式，建造当初，采用何种方式，争议不断。

由于钢丝绳卷扬提升式技术问题相对容易解决，多数专家同意采用钢丝绳卷扬提升方案，部分专家对这一方案的安全可靠性表示质疑。

专家们面临的挑战是，三峡升船机的规模比一般电梯大很多，钢丝绳卷扬提升的设计方案，无法从根本上解决安全可靠性问题。

三峡升船机的首倡者之一、中国工程院院士陆佑楣对此进行了理性论证。

“三峡升船机要通过3000吨级的船，这个吨位的客船可以载员1000多人。升船机最大提升重量15500吨，平衡重也是15500吨，两个加起来3万多吨，这个庞然大物绝对不能出问题。如果用钢丝绳卷扬方案，一旦船厢漏水，整个升船机系统就失去了平衡，平衡重系统会一下把船厢拉上去。要解决这种失衡状况下的制动问题，显然不能寄希望于卷扬机抱死。这么大的重量，无法抱死怎么办？”经过审慎论证，决定采用世界先进的齿轮齿条爬升式。

升船机在启动、加速、运行、停机各个阶段严格按照平滑的速度曲线运行。有人测试，将一枚一块钱硬币立在承船厢上，待升船机升到上游时，硬币依然直立不倒，甚至未见轻微的晃动

如今，三峡升船机创下了多个世界第一的纪录。伟岸壮观的三峡升船机塔柱结构，却有着极高的精度。

吴小云介绍说，三峡升船机承重塔柱结构高146米，塔柱混凝土全高的垂直度偏差不大于30毫米。令人叫绝的是，升船机同步提升精确度误差小于两毫米，刷新了世界标准。

德国是世界上对升船机建造设计经验丰富的国家，三峡升船机由中德联合设计，合作中，令德方最为诧异的是，三峡升船机的超快建造速度。

“德国自己设计的升船机还停留在图纸上，我们的工人已经在三峡大坝上飞檐走壁了。”

“四两拨千斤”关键在平衡

据介绍，三峡升船机就是在通航河流的大坝上，建造一座供船舶乘坐的快捷“电梯”，作为三峡五级船闸“楼梯式过坝”的有效补充，实现“大船爬楼梯、小船坐电梯”的分流。

中船重工所属武汉船舶公司副总经理岳秋良介绍，三峡升船机投入运行后，客船及部分货船可借助其“电梯式”服务快速通过三峡大坝，由目前的3个多小时缩短至40分钟，大大提高船舶过坝效率。

据了解，与船闸相比，升船机过坝还具有不耗水的特点，可提高三峡工程的通航调度灵活性和通航保障能力，使长江黄金水道通航能力提升20%。

升船机虽然能托举万吨重量，但用的是巧劲，可谓“四两拨千斤”。关键就是其平衡之术。

“升船机耗水耗电量都很低，靠的就是物理的平衡作用，即以平衡重保持受力平衡。”该项目总工程师胥福尧介绍。

升船机采用一只装有水的承船厢作为载体，运载船舶升降。利用这一条件，就在两侧设置同等质量的平衡重，来平衡带水船厢的总质量，从而实现系统“全平衡”的要求。

升船机现场负责人刘科青打了个比喻，升船机就像一个天平，只需少量电力相助，就能轻松载万吨。

平衡一旦打破，就十分危险，因此保证船厢的水平状态，是最为关键的技术之一。

三峡升船机采用4吊点8台315千瓦电机的驱动方式，带动小齿轮转动，实现承船厢的上、下行运行。

4个驱动点之间必须在任一时刻保证高程同步，控制采用“电气行程同步+机械同步”的模式，同时以“电气出力均衡+机械同步”模式作为备用控制方案。

在升船机启动、加速、运行、停机各个阶段严格按照平滑的速度曲线运行。

有人测试，将一枚一块钱硬币立在承船厢上，待升船机升到上游时，硬币依然直立不倒，甚至未见轻微的晃动。

“四点驱动，就像4个轿夫抬轿子，必须始终保持步调一致。但是，如果给4个人发命令，因为‘听’到命令还有时间误差，按照原有的国外设计做不到完全同步。”胥福尧说，技术人员通过自己设计研发，终于克服了这个瓶颈。

追求顶级的“零事故”

作为三峡工程的永久通航设施之一，“安全”两个字贯穿始终。

专家解释称，升船机建设在长江高水头的三峡枢纽工程上，其过船规模，特别是提升高度、提升重量、上下游水位变幅都大大突破了世界上已建的齿轮齿条爬升式垂直升船机，如此“大块头”的升船机，在建设中没有可供参考的基本标准。

没标准，那就自己立“规矩”。而时任三峡集团副总经理的杨清立下的规矩之严苛，令参与升船机建设的团队，乃至业界咋舌。

最严苛的莫过于设计定位于顶级的“零事故”标准，即出现任何特殊情况，如发生沉船、船厢水全部漏空等事故状况，升船机都要能确保安全。

杨清撂下狠话：“无论地震、火灾、断电、洪水任何情况，三峡升船机都绝不能因本身原因造成人员被困或受到伤害。”

自此，三峡升船机定下“首稳千闸次”的标准，即在升船机试通航后，确保持续稳定过船1000闸次，视为质量合格，这也成为行业内的国际标准。

三峡升船机是采用齿轮齿条爬升平衡重式的垂直升船机，有螺母柱螺杆安全机构。

这种形式升船机最大特点就是安全可靠性高，在船厢水漏空、沉船和地震等任何事故工况下，都能确保不发生承船厢坠落等重大设备和人身事故。

除此之外，升船机还实现了驱动系统故障运行的冗余控制。三峡升船机的四个驱动单元采用行程同步控制，每个驱动单元的两台电机采用出力均衡控制，当8台电机中的一台、两台甚至三台出现故障时，安定装置根据设定的规则无扰动地实现控制模式切换和故障单元退出，系统连续运行不受影响。

通俗地说，系统的设备装置都有“备胎”，一用一备，一旦一台机器出了问题，“备胎”就能立即顶上。加之传感器对设备实时监测，如发生故障，传动装置有制动器应对。

此外，三峡升船机还有迅速疏散旅客的设施，并与应急疏散口连接，旅客可以通过活动走道，经承重结构疏散、离开升船机。

从源头上杜绝一切可能的隐患苗头，标准制定绝无讨价还价的余地，对三峡升船机建造者而言，最大的价值追求是人的生命安全。

（《中国青年报》2016.11.15、《科技日报》2016.10.20）