三峡升船机建成试运行

◎ 文 | 田宗伟 ◎编辑 | 吴冠宇

三峡升船机建成试运行

◎ 文 | 田宗伟 ◎编辑 | 吴冠宇

运行中的三峡升船机 摄影/刘华

2008年，三峡水库开始试验性蓄水，三峡工程全面发挥其综合效益。本来，按照初步设计，升船机要同电站、船闸一同建成投入使用，但鉴于三峡升船机的规模和技术难度均远远超过国内外已建和在建升船机，基于安全可靠性的考虑，1995年5月，国家决定三峡升船机工程缓建，重新进行方案比选及论证设计。2003年9月，国家批准三峡升船机型式由初始设计的“钢丝绳卷扬全平衡垂直提升式”调整为“齿轮齿条爬升式”。2007年10月，三峡升船机续建工程恢复施工。经过9年精心施工，2016年 9月18日，三峡工程的收官之作——三峡升船机启动试通航。

为什么要重新进行方案比选

对三峡升船机型式的研究起始于1958年，经对钢丝绳卷扬全平衡垂直升船机等多种型式的研究，1993年通过审查的三峡工程初步设计确立三峡升船机型式为“钢丝绳卷扬全平衡垂直提升式”。

上世纪七八十年代，钢丝绳卷扬全平衡垂直升船机是当时国际上比较主流的升船机型式之一，三峡升船机建成前世界提升高度最大的比利时的斯特勒比升船机即是这一型式。我国建造第一个升船机水口升船机以及丹江口升船机、隔河岩升船机也是选择这一型式。鉴于三峡工程的重要性和社会影响，三峡升船机必须在任何情况下都确保安全。而试验研究和国外的运行实践表明，齿轮齿条爬升式升船机可以在船厢水漏空、地震等极端情况下导致承船厢出现不平衡载荷时自锁，克服了钢丝绳卷扬方案中承船厢可能因不平衡力发生倾覆的问题，故而三峡升船机最终采用了比钢丝绳卷扬全平衡垂直升船机更为安全的齿轮齿条垂直升船机。尽管这种型式升船机的建设成本高昂，设备制造困难重重，混凝土浇筑和设备安装存在诸多挑战。

升船机规模、运行工况及要求

三峡升船机过船规模为3000吨级船舶,船厢带水最大提升重量1.55万吨（相当于12万个130斤成人的重量）,最大提升高度113米（相当于37层楼房的高度），正常升降速度0.2米每秒。

三峡升船机建成前，全球提升重量最大、提升高度最高的升船机是比利时斯特勒比升船机，其过船规模为1350吨级船舶，最大提升高度73米。

三峡升船机通航水流条件复杂。上游航道最高通航水位175米，最低通航水位145米，变幅30米。下游航道最高通航水位73.8米，最低通航水位62米，变幅11.8米，下游水位变化最快时每小时达0.5米。

长江是我国黄金水道，设计要求升船机投运后必须高效运行，达到年平均工作335天，每日工作22小时，平均日运转18次。

升船机鸟瞰 摄影/陈臣

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。上闸首兼有挡水坝段及升船机闸首双重功能，为整体式U型混凝土结构。高达146米的承重塔柱支承着承船厢及平衡重共3.1万吨的重量，支承着船厢最高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卧倒门，关闭时承担阻隔上、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。

承船厢为盛水钢结构，船厢外形尺寸长132米、宽23米、高10米。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。船厢上下行走的齿轮、对接锁定安全机构的短镙杆安装在船厢的两侧，船厢弧形工作门以及闸首与船厢的间隙密封装置安装在船厢上下游两端。

运行过程

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，间隙充水至于上游水位齐平，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。

平衡重使升船机“举重若轻”

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，根据阿基米得定律，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。

齿轮齿条为升船机装上了“轮子”和“轨道”

安装在承船厢两侧的四个齿轮和安装在混凝土塔柱上的四根齿条，有如机车的轮子与轨道。驱动机构推动四个齿轮在四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，终于制造出不开裂的齿条。其后建设者们对升船机齿轮齿条进行疲劳试验，结果试验机坏了，升船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。

升船机结构图。制图/ Hieeow

齿轮托架机构：使升船机具有自动适应塔柱变形变位能力

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，能够自动调整工作状态，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。

安全装置力求升船机运行“万无一失”

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。在升船机驱动机构设有工作制动器和安全制动器，形如汽车碟刹。相较于钢丝绳卷扬升船机，齿轮齿条爬升升船机则多出了一套短螺杆长螺母柱安全保障机构。

这套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度左右敞开状态，以使嵌套在长螺母柱里而安装在船厢上的短螺杆能随升船机爬升行走机构同步上升或下降。

如图所示，上方的短螺杆配合长螺母柱是升船机的对接锁定机构，对接锁定机构只在承船厢与闸首工作门对接时工作。承船厢与闸首工作门对接时，对接锁定机构上下锁定块在液压驱动下张开与螺母柱锁定，承担对接时垂直方向载荷。

下方的短螺杆配合长螺母柱是为船厢安全机构，螺杆螺牙与螺母柱螺牙间上下各有60毫米间隙。承船厢正常升降运行时，两个短螺杆在长螺母柱里作不接触螺母毫无摩擦的空转，随船厢同步升降。而一旦遇有船厢漏水、沉船甚或发生地震, 不平衡力将首先导致齿轮齿条爬升机构的驱动力超载而停机，随后承船厢即产生不规则的上升下降运动。当船厢某侧的配重重于滑轮另侧的船厢时，螺杆上升，轻于滑轮另侧的船厢时螺杆下降，直至短螺杆与长螺母柱的间隙最终消失，短螺杆螺牙与长螺母柱螺牙贴合，上下抵紧。借助螺母与螺杆的自锁，由事故引发的承船厢不平力通过支撑杆、旋转螺杆传至螺母柱，再经螺母柱传到混凝土塔柱结构上，从而实现船厢的安全锁定。