亭子口电站升船机主提升机安全制动系统

(嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，四川 苍溪，628400)

1 亭子口电站升船机概况

亭子口水利枢纽电站位于四川省广元市苍溪县境内，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，工程主体建筑物从左岸至右岸依次布置有左岸非溢流挡水坝段、左岸厂房坝段、底孔坝段、表孔坝段、升船机坝段和右岸非溢流坝段等建筑物，升船机通航建筑物过船规模为2×500t级，采用钢丝绳卷扬提升式全平衡垂直提升形式，最大提升高度85.4m，承船厢结构、设备及厢内水体总重约6250t，电站总装机容量1100MW。

船舶过坝时，通过上、下闸首驶入装有水的钢质承船厢，承船厢由136根钢丝绳悬吊，其重量由平衡重系统全部平衡，并通过主提升机驱动，在船厢室内沿埋设在塔柱墙壁上的导轨垂直升降运行，运送船舶过坝。

主提升机的正常停机制动和一般故障工况下的快速停机制动通过电机的电气控制系统实施，停机后主提升机的制动则由安全制动系统承担。

2 主提升机布置与技术参数

2.1 设备布置与组成

亭子口升船机的主提升机布置在塔柱顶部的主机房内，机房地面高程468.5m。主提升机主要由8套卷扬提升机构、8套平衡滑轮组、2套安全制动系统、1套机械同步轴系统、8套干油润滑系统及相应的电力拖动、控制、检测等设备组成。

每套提升机构各由一台200kW的交流电机驱动，8套提升机构间通过机械同步轴联接，形成封闭的同步轴系统。每个卷筒上绕有8根φ66mm的钢丝绳，其中4根提升绳通过液压均衡油缸与船厢连接，另4根反向缠绕的转矩平衡绳与转矩平衡重相连。在提升机构的上、下游分别布置1组平衡滑轮组，每个滑轮组有9片滑轮，绕过滑轮的重力平衡绳两端分别与船厢和重力平衡重相连。主提升设备平面布置见图1。

每套卷扬提升机构包括2套卷筒组、1台减速器、1台交流变频电动机以及2套安全制动器、1套工作制动器等设备。卷筒组布置在减速器的两侧，工作制动器布置在电机与减速器间的带制动盘联轴器上，安全制动器布置在每只卷筒的外端。安全制动器与工作制动器共用液压泵站，主提升机设2套液压泵站，布置在主提升机房的两端，分别控制4套卷扬提升机构的8套安全制动器和4套工作制动器，液压泵站与制动器之间通过管路系统连接。

每套安全制动器由6对制动头和相应的连接件等组成；每套工作制动器由1对制动头、1个支架和相应的连接件等组成。

图1 主提升设备平面布置

2.2 主提升机主要技术参数

主提升机主要技术参数见表1。

表1 主提升机主要技术参数

2.3 安全制动系统主要技术参数

安全制动系统主要技术参数见表2。

3 安全制动系统运行特点

3.1 正常停机与快速停机制动

在主提升机电气传动装置正常运行的条件下，卷扬提升机构的正常停机制动(制动减速度0.01m/s2)和快速停机制动(制动减速度0.04m/s2)均由电动机-变频器执行；在电动机转速接近零速时，工作制动器全压上闸，延时10s～15s后，安全制动器全压上闸。

表2 安全制动系统主要技术参数

3.2 紧急停机制动

当电气传动装置发生故障不能实施正常停机制动和快速停机制动时，卷扬提升机构由安全制动系统实施紧急停机制动。当主提升机提升载荷方向与船厢运动方向一致时，制动减速度不大于0.08m/s2；当主提升机提升载荷与船厢运动方向相反时，制动减速度不大于0.3m/s2。

3.3 正常启动松闸

首先电机接电，并按照停机时载荷的大小与方向施加力矩，然后工作制动器松闸，再根据本次运行实际载荷的大小与方向调整输出力矩，使卷扬提升机构的机械传动系统予紧，消除传动间隙。然后，安全制动器松闸。最后电机正式启动，主提升机投入运行。

4 制动器的性能要求及其型号选择

根据亭子口升船机的运行特点和使用条件，亭子口升船机采用了江西华伍制动器股份有限公司制造的制动器，其主要性能特点有：常闭、盘式制动器，机械弹簧上闸、液压松闸；构件少，制动安全可靠，维护方便；设计精巧，结构紧凑，安装简单，调试方便；能适应升船机工作环境湿度大、制动盘表面锈蚀、运转频繁、静止上闸、安全可靠性要求高的运行条件与要求；制动器摩擦片的摩擦系数受压力、温度、湿度与对偶件材质、表面粗糙度等因素的影响很小，能适应制动盘水湿及锈蚀的工况条件，并便于更换；每个制动头均设上闸到位检测装置和松闸到位检测装置，检测信号可在现场显示，并参与主提升机的集控等性能。

4.1 制动器型号选择及验算

4.1.1 工作制动器

亭子口升船机的工作制动器布置在主提升高速电机与高速减速器之间的联轴器上，其主要作用是在电气制动失效的情况下将主机紧急制动。亭子口升船机的工作制动器初步选型为SB30，每对制动头制动力(正压力)为2×30kN，碟簧通过有关寿命验算，工作寿命≥200万次，高于相关要求的50万次以上，满足要求；一套工作制动器(SB30)所产生的制动力矩Mn=30000×0.4×(0.6-0.09)=6120(N·m)，电机转矩为Md=200×9550/739=2585(N·m)，安全系数n=6120/2585=2.36>2；因此，工作制动器选择型号SB30满足相关要求。工作制动器SB30结构如图2所示。

图2 工作制动器SB30结构示意

4.1.2 安全制动器

亭子口升船机安全制动器布置在每只卷筒的外端，安全制动器初步选择型号为SB400，共设置有16套，每套制动头数量6对。每对制动头夹紧力(正压力)为2×400kN，每对制动头摩擦力≥2×160kN，碟簧通过有关寿命验算，工作寿命≥200万次，高于相关要求的50万次以上，满足要求；圈筒上2套(12对)安全制动器(SB400)所产生的制动力矩Mn=12×400×0.4×(5.2-0.28)=9446.5kN·m；减速机低速轴端转矩Mds=2585×619=1600kN·m；安全系数n=9446.5/1600=5.9>5；因此，安全制动器选择型号SB400(每套制动器装6对制动头)满足相关要求。SB400安全制动器结构如图3所示。

图3 安全制动器SB400结构示意

4.2 关键技术

亭子口升船机的制动系统中，各制动器均需要通过液压缸驱动，故对同步、保压、调速、超载保护、顺序动作、比例卸载等液压控制技术有着不同的要求，其制动器采用的技术主要有：

(1)制动器的每个制动单元均设上闸、松闸到位检测装置，检测信号能在现场显示，并参与主提升机集控；

(2)液压站配置备用油泵电机组和控制阀组，当遇泵组或控制阀组故障时，能发讯报警并及时切换。液压系统的所有电磁控制阀均采用双冗余配置。主要电磁阀带阀芯位置反馈；

(3)制动器对制动盘的尺寸、形位误差及变形等具有一定的适应能力；

(4)安全制动系统的所有电控装置将预留相应接口，以参与主提升机集控；

(5)工作制动器上闸压力采用比例阀调节，可根据外载大小由自身的电气控制装置(PLC)调节；

(6)液压站设油位、油温、油压检测装置，设带除湿功能的空气滤清器。当油位、油温、油压超过设定值时发讯报警，检测信号参与主提升机集控；

(7)电器控制元件的电压等级为24V直流电源；开关量信号采用无源开关接点，模拟量信号采用两线制、4mA～20mA，比例阀控制信号为0～9V。

5 结语

亭子口升船机在设计、安装施工中，采用了可控的安全制动系统，很大程度地提高了升船机运行的安全可靠性。为使制动系统的性能更加满足亭子口升船机的稳定运行要求，并确保系统自身的安全可靠性，设计时已经尽可能地作了相应的考虑，并采取了相应措施，在安装施工过程中，也对存在的问题作了论证并进行了调整与修改。2018年亭子口升船机顺利进行现场调试，计划同年10月进行通航试运行。