新技術(shù)新材料在桂林象山升船機工程中的應(yīng)用

盧劍華 周瑞祥 黃 剛

(廣西南寧水利電力設(shè)計院 南寧 530001)

1 概述

桂林市 “兩江四湖”工程是桂林市城市治理改造的系統(tǒng)工程,是將漓江、桃花江與榕湖、杉湖、桂湖、木龍湖相互連通,形成環(huán)繞桂林市中心城的環(huán)城水系。工程的成功規(guī)劃和建設(shè),歷史性地改變了桂林市的面貌和建設(shè)格局,帶來了極佳的環(huán)境效益和生態(tài)效果。

桂林象山升船機工程是 “兩江四湖”系統(tǒng)工程中一座重要的通航設(shè)施,位于桃花江出口與漓江交匯處,距離象鼻山約100m,是連通桃花江與漓江的樞紐建筑物。象山升船機通航船只為旅游專用船只,船只最大外形尺度為 (長×寬×高)15m×3.7m×2.3m,吃水深度0.5m,承船廂的升降運行速度按1.0m/min～3.0m/min,一次過船所需時間約為6min～10min,設(shè)計日通航能力為3000人/日,通航保證率92%。工程建成后,實現(xiàn)了連通內(nèi)湖、外江和貫穿市區(qū)的 “環(huán)城”水上游覽,實現(xiàn)了從 “象鼻山→漓江→木龍湖→桂湖→桃花江→象鼻山”船只循環(huán)通航。

桂林象山升船機的設(shè)計和建設(shè)很好地實現(xiàn)了與周圍自然人文景觀完美結(jié)合,做到高效、安全可靠的運行,這與設(shè)計中采用潛沒式液壓頂推升船方式,大量成功應(yīng)用新技術(shù)和新材料有著密切的聯(lián)系。

2 象山升船機工程中采用的新技術(shù)和新材料

2.1 潛沒式液壓頂推升船方式

桂林是世界著名的旅游城市,象山升船機工程位于桂林市城徽象鼻山附近。象鼻山是桂林最經(jīng)典的自然景觀,每年到這里游覽的中外游客絡(luò)繹不絕。為了解決新的建筑物與自然人文景觀的和諧,經(jīng)過對多個設(shè)計方案的研究比較,綜合分析,在現(xiàn)有的新技術(shù)和新材料的基礎(chǔ)上,勇于創(chuàng)新,突破原有的升船方式,采用一種新穎的、結(jié)構(gòu)獨特的升船方式,即 “潛沒式液壓頂推升船”方案。升船機主體和升降動力設(shè)備設(shè)置在水中,潛沒于水下,出露地面的建筑物僅為液壓泵站和控制房,整個建筑物體量小,對周圍環(huán)境影響很小,基本保持原有的景觀,實現(xiàn)了新建的建筑物與周圍環(huán)境融為一體,較好地解決水利工程建設(shè)與城市環(huán)境保護、自然人文景觀間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一問題 (見圖1)。

圖1 縱剖面示意圖

2.2 升船機主升降設(shè)備采用的先進液壓啟閉設(shè)備

通航建筑物主要是船閘和升船機,船閘是利用水位升降和水的浮力,升船機的動力設(shè)備一般是卷揚機或螺桿啟閉機。象山升船機的升降采用液壓傳動作為動力,四個主頂推液壓缸設(shè)置在承船廂的底部,潛沒在水下,通過液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)控制主頂推液壓缸的升降。液壓啟閉機的油缸結(jié)構(gòu)簡單,傳動平穩(wěn),具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小,重量輕,承載能力大等優(yōu)點,同時液壓傳動與電氣控制結(jié)合便于實現(xiàn)自動化。這種升船方式充分利用液壓技術(shù)的先進性,實現(xiàn)升船機快速、平穩(wěn)的運行。

2.3 升船機液壓系統(tǒng)中的調(diào)速控制技術(shù)和多缸同步糾偏控制技術(shù)

(1)升降系統(tǒng)的調(diào)速控制采用新技術(shù),實現(xiàn)了升船機的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

在液壓升降回路中,設(shè)置了帶有超速控制功能和壓力補償功能的調(diào)速閥,采用了雙閥尾對尾安裝方式,可實現(xiàn)流量的雙向的精細調(diào)節(jié),這樣就保證了在事實上的各油缸負載不均勻時各油缸仍然能得到相同的流量,從而使升船機各支撐點獲得相同的升降位置,避免了在動作初始階段閥口開得過大而導(dǎo)致不可預(yù)期的大流量通過,從而避免了超速危險,實現(xiàn)了平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

(2)升船機升降系統(tǒng)的同步糾偏控制技術(shù),實現(xiàn)四個主液壓油缸的同步運行控制。

當(dāng)升降系統(tǒng)中出現(xiàn)四個油缸位置不同步的情況且偏差超過預(yù)設(shè)的報警值時,系統(tǒng)將進入糾偏控制模式。糾偏控制模式分為正常閉環(huán)控制和應(yīng)急開環(huán)控制兩種方式。在正常閉環(huán)控制中,利用各油缸中絕對位移傳感器配合旁路比例閥的控制方式實現(xiàn)各回路流量的穩(wěn)定性和一致性。在位移檢測系統(tǒng)或者比例閥出現(xiàn)故障而系統(tǒng)又發(fā)生不同步現(xiàn)象時,系統(tǒng)將處在應(yīng)急開環(huán)控制模式中。在應(yīng)急開環(huán)控制模式中,各比例閥支路將被電磁球閥隔離,大的偏差可以通過人工手動調(diào)節(jié)應(yīng)急節(jié)流閥實現(xiàn)一定偏差范圍內(nèi)的位置同步,然后借助帶壓力補償功能的調(diào)速閥控制實現(xiàn)四缸的基本同步。

在上升過程中,以四個油缸中速度慢的一個為基準,為其余三個回路中需要糾偏油缸的比例閥提供適當(dāng)?shù)碾娍匦盘栠M行旁路節(jié)流,用以可實現(xiàn)四缸的同步運行。在下降過程中,以四個油缸中速度快的一個為基準,為其余三個回路中需要糾偏油缸的比例閥提供對應(yīng)于起偏差值的電控信號進行旁路節(jié)流,實現(xiàn)四缸同步。

(3)液壓系統(tǒng)設(shè)置了兩用一備的主泵模式,設(shè)定了三種工作壓力,節(jié)能效果明顯。

在液壓系統(tǒng)中,除升降回路外還有各翻板門和檢修門及防撞鏈油缸,各油缸的壓力和流量需求變化都比較大。為此,系統(tǒng)設(shè)置了兩用一備的主泵模式,可以根據(jù)不同的工況動作進行單泵或雙泵啟動。主泵都采用恒壓變量泵,這使得油泵有能力適應(yīng)各種工況下流量的需求變化,適時減小了流量引起的能量損失。系統(tǒng)還設(shè)定了三種工作壓力,能夠適應(yīng)各油缸回路不同的負載要求,適時減小了壓力引起的能量損失。這使得系統(tǒng)的功率浪費大大減少,節(jié)能效果明顯。

(4)設(shè)置多重保護,保證系統(tǒng)運行安全可靠。

在安全性上,考慮了整個系統(tǒng)的多重壓力保護,實現(xiàn)了各重要元件的保護。系統(tǒng)還采用了PQT測量系統(tǒng),能夠方便快捷地監(jiān)測系統(tǒng)的壓力、流量和溫度。系統(tǒng)還設(shè)置了油箱液位和油液溫度的監(jiān)測設(shè)備,能夠適時發(fā)出報警和連鎖控制。在控制軟件中,系統(tǒng)設(shè)置了主油缸同步超差報警值,一旦某主油缸同基準油缸之間的偏差超過此值,系統(tǒng)將發(fā)出報警停機,從而避免安全事故。系統(tǒng)設(shè)置了液壓鎖,從而可使操作人員能夠根據(jù)現(xiàn)場情況方便地進行調(diào)整和控制。主泵采用兩用一備的運行模式,保證了單泵故障時系統(tǒng)仍然能正常工作。

(5)多種運行控制模式,方便操作控制。

整個系統(tǒng)設(shè)計了三種運行模式:系統(tǒng)聯(lián)合自動控制模式、系統(tǒng)各動作的單獨控制模式和手動控制模式。這種組合具有先進的自動控制模式,又保證操作人員的自主性,還考慮了應(yīng)急情況下的手動控制模式,能夠滿足不同情況和不同層次的操作模式,便于升船機的操作控制。

2.4 升船機主推液壓缸采用的多項技術(shù)

(1)主推液壓缸活塞桿采用了陶瓷活塞桿,提高油缸的壽命。

由于升船機長期在水下運行,所有油缸長期浸入沒于水質(zhì)變化的河水中,這種工況對油缸各部件尤其是活塞桿的腐蝕很嚴重。為此,系統(tǒng)采用了國際領(lǐng)先的陶瓷活塞桿技術(shù),為所有的活塞桿 (包括主推液壓缸和配套油缸)噴涂了陶瓷涂層,極大地提高了活塞桿應(yīng)對惡劣環(huán)境的能力,提高了油缸使用壽命,從而保證了整個系統(tǒng)的壽命、可靠性和技術(shù)先進性。

(2)主推液壓缸支座材料、活塞桿與乘船廂的接觸面采用的特殊新材料

主油缸的活塞桿端頭和主油缸缸體的安裝座面采用了特殊塑料,這些特殊塑料具有在水中的膨脹率小、壽命長、重量輕、高強度、高耐磨和自潤滑的特性,保證了油缸在大負載的靜壓、動壓和扭矩作用下的性能和壽命。此外,在這兩個連接部位采用了球面結(jié)構(gòu),能夠保證油缸只受軸向力,從而保證了油缸的活塞桿端蓋及其密封件的使用壽命。

(3)主推液壓缸的行程檢測裝置

對于主油缸的行程檢測,系統(tǒng)采用了巴魯夫的絕對位移傳感器,安裝方式為內(nèi)置分體式。該傳感器的檢測精度可達到0.01mm。由于是內(nèi)置式安裝,對檢測系統(tǒng)的保護性好;分體式安裝則避免了當(dāng)出現(xiàn)傳感器故障時要對整個油缸拆解維修,只需要檢修傳感器的電動頭,安裝維修極為方便。給電動頭加罩后檢測元件的防護等級達到IP68。

2.5 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中大量采用新技術(shù)和新材料

自潤滑材料使用于臥倒門的支座,檢修門頂樞、底樞、軸承,閘門側(cè)、反向裝置等的軸套、關(guān)節(jié)軸承和球面軸承。

工程塑料合金用于承船廂的側(cè)、反方向裝置中。

這些材料耐腐蝕、無須密封,可在水中和潮濕空氣中工作,無需加油潤滑,完全自潤滑,解決了老化、變形、卡阻的問題,運行管理方便,運行維護費用低。

2.6 基坑支護采用門架式圍護結(jié)構(gòu)型式

本項目施工難點主要是承船廂室的砂質(zhì)性軟基基坑的開挖施工。由于建筑物距離濱江路較近,基坑開挖過程中以及成坑后,承船廂室的設(shè)計基底距河岸地面高差約8.7m,與濱江路路面高差約為13m。較高的臨空面和地下水的影響,對基坑支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的側(cè)向推力。通過對工程地質(zhì)資料和周圍環(huán)境的具體分析,結(jié)合該工程深基坑開挖的有關(guān)技術(shù)要求,在濱江路一側(cè)設(shè)置三排鉆孔灌注樁,且設(shè)樁頂連系梁構(gòu)成門架式支護結(jié)構(gòu);灌注樁間布置單排高壓旋噴樁,使固結(jié)土體形成側(cè)壁垂直防滲帷幕。由于該支護結(jié)構(gòu)無內(nèi)支撐,對坑內(nèi)的施工沒有任何阻礙,支護結(jié)構(gòu)施工方便,安全可靠,在整個施工過程中起到很好的防護作用,加快了施工進度,節(jié)省土建開挖工程量。

4 結(jié)論

(1)象山升船機設(shè)計根據(jù)工程特定環(huán)境要求,采用潛沒式液壓頂推升船機,保護了象山景區(qū)的自然景區(qū)人文景觀,使水利工程建設(shè)和城市環(huán)境保護完美結(jié)合;這種升船機方案成功的推廣應(yīng)用于沈陽蒲河尚小升船機工程和杭州西溪天堂升船機工程。

(2)設(shè)計中采用多項新技術(shù)和大量應(yīng)用新材料,升船機的設(shè)備技術(shù)先進,安全可靠,工程建成通航至今沒有出現(xiàn)過任何大的故障和事故,設(shè)備運行良好,減少了運行維護費用。同時,象山升船機的建成,實現(xiàn)了“兩江四湖”的旅游線路全線貫通,接待了大批的中外游客,為桂林市創(chuàng)造了很好的社會效益和經(jīng)濟效益。

略)