人字门顶门施工中自动保顶方案

张 杰

(长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002)

船闸人字门顶门施工工序复杂，场地逼仄，施工难度大[1]。人字门结构尺寸及质量大，且中心偏于门体几何中心，顶落过程中有门体倾覆危险，同时顶升与下落的位置精度要求高[2-3]。根据交通运输部水运工程一级工法SYGF-1-009—2014《人字门检修顶落门施工工法》，人字门顶落门施工通常采用液压千斤顶同步顶升系统完成门体起升和下落工作，配套使用机械顶作为保护顶，但机械顶的人工操作一直处于起重人字门的底部，工作强度高、时间长[4]，而且保顶操作也有严格的要求，若操作出现失误很可能影响施工安全。

1 保顶在人字门顶门施工中的应用

1.1 人字门顶门施工需求

人字门用于承受单向水头的船闸中，运行安全，灵活可靠，启闭力小，是船闸最常用的门型。人字门门体外形高大且自质量大，如葛洲坝2号闸下游人字门尺寸为19.7 m×34.0 m×2.72 m(宽×高×厚)，总质量600余吨(图1)。人字门底枢长时间在水下复杂环境中工作，按规定应进行检查保养，因此须将人字门顶升至检修位以便进行底枢检查。

图1 葛洲坝2号船闸人字门3D模型

1.2 顶门施工顶具使用及布置

人字门顶落门施工涉及施工设备及工器具较多。门体起重最主要的施工设备为液压千斤顶同步顶升系统和机械顶。液压千斤顶同步顶升系统一般称作工作顶，主要用于人字门的起重，即顶升或下落人字门到目标高度；机械顶一般用于人字门顶落门施工的安全保护，因此，该顶在顶门施工中被称作保顶。

一般来说，在人字门顶门施工中门体底部布置有4处门体起重位(图2)，每处起重位布置1台工作顶和1台或多台保顶，其中保顶数量根据人字门底部起重底座设计情况进行调整。

图2 人字门底部起重位布置

以葛洲坝2号船闸下游人字门顶门施工为例(图3)，人字门每处起重位设有1台工作顶和1台保顶，工作顶布置于门体两侧的牛腿处，保顶布置于门体底部的起重底座处。

在顶门施工过程中，工作顶由液压顶同步顶升系统控制，根据初始设定运行速度及顶升行程等参数，由系统控制自动升落；保顶则完全由人工操作，每个保顶处安排2名工人旋转螺杆跟随门体上升或者下落，保顶的行程一般不满足一次顶门要求，往往需要中途暂停，为保顶加减垫墩，对顶门效率和施工安全均有一定的影响。

1.3 保顶作用

保顶在人字门顶门施工中的安全保护作用主要体现在2个方面：1)在人字门顶升或下落过程中保障人字门的安全，在施工过程中保顶的顶面与门体始终保持一定的间隙跟随人字门上升或下落，在液压千斤顶出现故障或者其他危险状况时，保顶能够及时锁紧并支撑门体重力，从而保护人字门顶、落门过程中的安全；2)在门体顶升到位或中途暂停时支撑人字门，保顶在锁紧后能够承载部分门体重力或完全承载门体重力，而且保顶锁定方式为机械自锁，其可靠度相对液压工作顶的锁定更高。

2 保顶在顶门施工中的操作要求

2.1 顶升门体

同步顶升门体时，先设定顶升位移、顶升速度等操作参数，启动同步升降系统驱动各顶升点平稳同步上升。顶升过程中操作保顶使其与门体保持0～5 mm间隙。

2.2 落门

同步下落门体时，设定下落位移、下落速度等操作参数，启动同步升降系统驱动各顶升点平稳同步下落。下落过程中操作保顶使其与门体保持5～10 mm间隙。

2.3 保顶锁定

工法中提出在门体顶升到位后将保顶与门体顶紧并锁定；每次顶升停机后，操作保顶使其与门体顶紧；每次下落停机后，操作保顶使其与门体顶紧。

根据《人字门检修顶落门施工工法》的操作要求，在人字门顶落门施工时，必须匀速转动保顶使其随工作顶一同运动，并保持保顶顶面与门体的间距在允许值范围内；人字门达到顶升要求位置或施工中途工作顶停止时，须操作保顶锁紧，使保顶也参与人字门门体的支撑。

3 自动保顶方案

3.1 自动保顶的控制方案

3.1.1控制要求

根据《人字门检修顶落门施工工法》关于工艺流程及操作要点的规定，对于顶落门过程中保顶的运动控制相对简单，在顶升或下落时，顶面与门体的间隙大小保持在工法规定的范围内即可，与工作顶同步控制系统协同工作，其中最主要的控制参数有：

1)运行方向，即上升或者下落；

2)顶面与门体的间隙值，根据保顶上升或下落工况设置为不同的允许范围值；

3)保顶运行速度，保顶初始速度与工作顶设置速度一致，运行中根据间隙大小自动调整。

3.1.2控制方案

根据保顶的控制要求，保顶处于随动的状态[5]，同时保顶的控制参数相对较少，特别是在运行过程中控制参数只有间隙值，因此自动保顶控制方案可考虑采用联动的方式，由工作顶同步顶升系统完成启动与停止等操作，联动保顶控制系统启动与停止。控制方案如下：

1)预备状态。自动保顶控制系统可设定顶升时顶面与门体的间隙允许值范围和下落时的间隙允许值范围等控制参数及其他相关参数，将保顶设置为预备状态，预备状态分为上升或下落预备，进入预备状态时各点保顶将自动调整顶门与门体的间隙到允许值范围内，完成调整后提示自动保顶控制系统完成预备。

2)启动控制。当自动保顶控制系统处于预备状态、工作顶系统执行顶升或下落的启动命令时，启动命令信号并将工作顶设定的起重速度传递给自动保顶控制系统，该系统随即将保顶的运行速度设定为工作顶起重速度，根据顶升或者下落的启动命令信号控制各点保顶上升或下落，运行速度与工作顶一致。

3)运行控制。在保顶启动工作后，根据工作顶的顶升或下落速度同步运行，当某台保顶顶面与门体的间隙值超过或者低于允许值时，自动保顶控制系统能够适当调整保顶的运动速度，以将间隙值控制在允许范围内，保证顶落门施工的安全。

4)运行停止。当工作顶顶升到位或者中途停止时，其停机信号传递给自动保顶控制系统，自动保顶控制系统收到信号后保顶将停止运行。

5)保顶锁定。保顶停止工作后，可保顶将慢速运行至顶面与门体接触，锁定保顶。

自动保顶控制方案的实现可采用可编程序控制器(PLC)控制系统，与工作顶PLC同步控制系统一致，便于信号传递和联动控制。PLC控制系统须根据保顶操作要求及控制方案开展全面完整的需求分析及控制逻辑分析，定制开发配套的控制系统，便于自动保顶在顶落门施工中与液压工作顶协调工作(图4)。

图4 自动保顶方案

3.2 保顶初步设计方案

3.2.1结构形式

保顶采用机械千斤顶结构，其主要原因是机械顶的锁定为摩擦自锁，在突发状况时能够直接支撑门体，无需额外的锁定，操作快捷方便，结构可靠，而且机械顶运动控制相对简单，为扭转运动。为实现自动保顶控制，须在普通机械顶的基础上增加驱动机构和传感器等部件，才能满足自动控制的要求。

3.2.2驱动机构

在保顶上增加驱动机构，主要是为保顶的上升或者下落提供动力。可选用工业控制电机作为动力输出装置，PLC系统能够高精度地控制电机转速，从而调整保顶上升或者下落的运行速度，实现保顶的方向控制和速度控制。

3.2.3传感器选用

人字门在顶升或者下落过程中，对保顶与门体之间的间隙是有严格要求的，保顶在工作时须实时监测保顶与门体的间隙大小，将间隙参数反馈给自动保顶控制系统，并根据顶升或者下落时间隙要求控制保顶的旋转速度。

保顶上须设置间隙传感器，行程要求不低于10 mm。该传感器可安装在机械顶顶面处，嵌入安装在顶面或者顶面的侧部，其间隙测量精度要求较高。经多种传感器比选后可采用回弹式的电阻尺测量，其工作原理是利用改变阻值的线性变化量达到量测目的，精度较高，结构尺寸较小，抗冲击和振动的性能较好。

3.2.4保顶初步方案

保顶采用一般机械顶的螺纹传动结构形式，按照控制要求增加驱动机构以及间隙传感器等的布置。保顶须重新设计，其行程与工作顶一致，以免顶落门施工中需要加减垫墩，增加安全风险和工作时间；驱动机构与机械顶的结构形式紧密结合，选用合适的驱动和传动方式；间隙传感器可布置于顶面，由于间隙传感器的直径较小，可嵌入式安装于顶面中心位置，亦可安装在螺杆侧面，传感器测量零点位置略低于顶面(图5)，可在机械顶锁紧时不会损坏传感器。

图5 保顶方案

4 结论

1)机械保顶自动化控制是可行的，利用成熟的PLC系统及工业控制电机，可满足运行中顶门间隙大小和精度的要求，实现人字门顶升中的保护功能。

2)机械保顶在人字门顶升过程中主要为跟随运动，顶面与门体的间隙大小是自动保顶运行中的重要控制参数。

3)自动保顶的控制方案提出保顶自动控制功能流程，仍须进一步在控制逻辑上细化控制方案，以及紧急状态下的系统处置方式。

4)对于配套机械保顶的螺纹传动形式和驱动传动形式，需要进一步在技术上和经济上进行多方案比选。