向家壩升船機對接密封裝置運行可靠性淺析

姚明明 葉子蜻

摘 要：對接密封裝置是濕運升船機承船廂與閘首實現(xiàn)對接的密封止水裝置，是升船機正常安全運行的關(guān)鍵設(shè)備之一。對接密封裝置運行的可靠性對確保通航效率，保障設(shè)備安全具有重要意義。本文從三個方面對向家壩升船機對接密封裝置運行的可靠性作簡要分析和研究。

關(guān)鍵詞：升船機;對接密封裝置;液壓系統(tǒng);傳感器;水封

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0113-03

向家壩升船機是繼三峽升船機后國內(nèi)又一座采用齒輪齒條爬升螺母柱保安的大型濕運升船機，過壩代表船型為2×500t級一頂二駁船隊，并兼顧1000t級單船，最大提升高度114.2m。向家壩升船機自調(diào)試和試通航期間多次出現(xiàn)對接密封框?qū)邮〉那闆r，影響通航效率和設(shè)備安全。因此，對接密封裝置運行可靠性的研究對確保通航效率，保障設(shè)備安全具有重要意義。

向家壩升船機上、下閘首工作門頂節(jié)門葉的U型結(jié)構(gòu)中各設(shè)置1套對接密封裝置，用于上、下閘首航槽與船廂水域的連通，保障船只安全通行。對接密封裝置主要由U形密封框及其支承導(dǎo)向裝置、水封裝置、驅(qū)動裝置、碟簧組等組成。驅(qū)動裝置共10套，每套驅(qū)動裝置的液壓缸活塞桿經(jīng)過碟簧組與密封框腹板連接。船廂與閘首實施對接時，驅(qū)動裝置的液壓缸同步驅(qū)動密封框，密封框伸出接觸船廂端面后，液壓缸繼續(xù)施加壓力，碟簧組被繼續(xù)壓縮，液壓缸活塞桿推出至工作行程后，完成對接運行。本文從三個方面重點分析對接密封裝置如何可靠的運行及影響其安全運行的主要因素。

1液壓系統(tǒng)

對接密封裝置與閘首通航門、閘首工作門鎖定共用一套液壓系統(tǒng)，泵站布置在閘首工作門（門葉間隙）內(nèi)，每套泵站設(shè)二臺手動變量泵-電動機組，同時開啟互為備用。液壓系統(tǒng)對對接密封裝置的影響主要體現(xiàn)在兩個方面。

1.1? 油質(zhì)和油溫

經(jīng)過長時間運行，油品中會有鐵屑等雜質(zhì)造成油品質(zhì)量下降，對管路、閥件等造成堵塞，密封裝置部分油缸達(dá)不到動作壓力值，油缸未動作或動作速度異常等都會造成對接密封框?qū)邮?。向家壩升船機2018年6月頻繁出現(xiàn)對接密封裝置對接失敗的情況，油液送檢發(fā)現(xiàn)油液的顆粒度等級超出了液壓系統(tǒng)對油液清潔度的要求，油液質(zhì)量不合格。對液壓油進(jìn)行了過濾并更換液壓系統(tǒng)濾芯后，有效降低油品顆粒度等級，提高了油品質(zhì)量，對接密封裝置對接失敗的頻率大幅降低。

油溫的影響主要在于改變了油液的運動粘度。冬季油溫低（尤其氣溫降低到10 ℃以下時），油液的運動粘度變大，油液流動性變差，對接密封裝置動作失敗的情況更容易發(fā)生。在發(fā)令動作設(shè)備之前，啟動油箱加熱器，手動啟泵空載循環(huán)將油箱油溫加熱到20℃以上能大大降低因油溫低而引發(fā)的液壓系統(tǒng)的一系列故障。

1.2? 油缸動作的同步性

對接密封裝置由10個液壓缸驅(qū)動，將運行工況基本相同的回路組合成對，由7個比例換向閥控制。對接密封裝置伸出和退回要求10個油缸同步動作，當(dāng)某時刻油缸中行程最大值與行程最小值偏差超過設(shè)定值，系統(tǒng)會報三類故障停機。不同回路必然存在負(fù)載壓力不等的問題，對接密封裝置10個油缸在負(fù)載壓力不同的情況下按如下方式實現(xiàn)同步動作。

執(zhí)行元件（ 液壓缸） 運動速度由流量控制閥來調(diào)節(jié)時，其調(diào)速機理在于一定壓差條件下，改變節(jié)流口液阻的大小來控制通過節(jié)流口的流量。

節(jié)流口過流量與其前后壓力差的關(guān)系：

Q=K×A×ΔPm

式中：

Q——節(jié)流口過流量;

K——與節(jié)流口的幾何形狀及液體性質(zhì)有關(guān)的節(jié)流系數(shù);

A——節(jié)流口通流面積;

ΔP——節(jié)流口前后壓力差;

M——由節(jié)流口的形狀（ 即孔徑與孔長的相對大?。Q定的指數(shù)，0.5

由上述節(jié)流口流量特性可知，在不考慮流體體積壓縮和溫度影響的前提下，節(jié)流口過流量只取決于節(jié)流口前后的壓力差ΔP。而在開式恒壓系統(tǒng)中，此壓力差在油泵出口壓力和油箱壓力為常數(shù)時，直接與負(fù)載壓力有關(guān)。

負(fù)載壓力變化致使節(jié)流口前后壓差ΔP變化，流量控制閥過流量則隨之變化，進(jìn)而影響執(zhí)行元件的運動速度。為保證負(fù)載壓力變化時，節(jié)流閥仍能起到流量控制的作用，為節(jié)流閥串聯(lián)定差減壓閥與梭閥配合構(gòu)成一個二通進(jìn)口壓力補償器。應(yīng)用定差減壓閥來保證節(jié)流閥前后壓力差ΔP恒定，進(jìn)而使節(jié)流閥過流量不受負(fù)載變化的影響。

二通壓力補償器（見圖1和圖2）的閥芯左邊作用著比例換向閥進(jìn)口壓力P1，右邊作用著比例換向閥出口壓力P2及彈簧力。略去液動力，在閥芯平衡位置可得

當(dāng)彈簧很軟，調(diào)節(jié)位移又很短時，彈簧力的變化也就很小，從而壓力差近似為常數(shù)。只有當(dāng)彈簧進(jìn)一步壓縮時，調(diào)節(jié)閥芯才使調(diào)節(jié)閥口A1的過流斷面變化。只要外加壓力差Pp-P2大于Ff/Ak（調(diào)定的ΔP值）時，閥能很好地起到流量調(diào)節(jié)作用。

壓力補償器選用時應(yīng)注意液動力對補償精度的影響，很多廠家已對傳統(tǒng)的定差減壓閥進(jìn)行了修正，有效地消除了液動力對補償精度的影響。

2 信號檢測裝置

信號檢測裝置在保證對接密封裝置運行可靠性方面的作用不言而喻。向家壩升船機密封裝置動作到位是通過驅(qū)動油缸壓力和行程進(jìn)行綜合判斷。油缸上壓力和行程檢測裝置將實時采集到模擬量數(shù)據(jù)經(jīng)AI模塊送給現(xiàn)地控制站的PLC，PLC根據(jù)壓力和行程值做出判斷，將指令送給輸出模塊，進(jìn)而使相應(yīng)電控設(shè)備按要求動作。以1#缸為例，油缸帶動密封框推出，水封與船廂端面接觸，油缸繼續(xù)推出壓縮碟型彈簧，以適應(yīng)非正常工況下（如地震）船廂縱向位置發(fā)生變化時，水封仍能壓緊船廂端面。當(dāng)行程不小于380mm，無桿腔壓力大于120bar，表明密封框1#缸進(jìn)到位，進(jìn)到位后允許油缸行程在360mm（含）以上范圍內(nèi)波動，進(jìn)到位信號自保持（圖3）。10個油缸都進(jìn)到位后密封裝置整體顯示進(jìn)到位。如果密封裝置長時間處于對接狀態(tài)，可能出現(xiàn)油缸無桿腔壓力降至11MPa，且進(jìn)到位信號丟失（即油缸行程小于360mm），程序做了一個自動補壓的流程，見圖4。密封框退到位只看行程，當(dāng)油缸行程值不大于5mm，即表明退到位，同樣退到位后行程允許稍有變化，只要不大于10mm，都認(rèn)為密封框退到位且信號自保持（圖5），不會影響后續(xù)流程。

除了通過油缸上行程和壓力的模擬量值來判斷密封裝置到位情況，還布置了3組傳感器，用開關(guān)量信號作為補充判斷，開關(guān)信號不到會使相應(yīng)閉鎖條件不滿足導(dǎo)致流程中斷。上、下閘首對接密封裝置傳感器共28個，上、下閘首各14個。分別為5個推出到位信號傳感器、5個壓緊到位信號傳感器、4個退回到位信號傳感器。對接密封裝置傳感器均使用接近開關(guān)，分布情況如圖6所示。

信號檢測系統(tǒng)工作的可靠性直接關(guān)系到對接密封裝置能否正常運行以及能否進(jìn)行后續(xù)流程。周圍環(huán)境溫差以及設(shè)備運行過程中的振動容易導(dǎo)致支架變形或傳感器固定螺母松動，使傳感器的穩(wěn)定檢測距離超過其感知范圍，最終導(dǎo)致對接密封框?qū)邮　Ｒ虼?，需要維護(hù)人員定期對傳感器安裝支架螺母及線纜等進(jìn)行檢查，對信號端子箱內(nèi)端子進(jìn)行緊固，確保整個信號檢測系統(tǒng)運行的安全可靠。

3水封裝置

每一次過機流程都伴隨著密封裝置的進(jìn)退，水封裝置也頻繁往復(fù)運動，因此水封（尤其是C形水封）的結(jié)實耐用程度是升船機安全運行至關(guān)重要的因素之一。對接密封裝置包含2道水封，密封框與閘首工作閘門之間的密封采用C形橡膠，與船廂端面的密封采用L形水封，如圖7所示。

2019年4 月14日，向家壩升船機上閘首對接密封裝置的C形水封在退回過程中發(fā)生撕裂，在這之前，升船機累計運行1148廂次。事后分析認(rèn)為：閘首對接密封框轉(zhuǎn)角部位結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，該部位C形水封受彎拉應(yīng)力集中，水封橡膠頻繁往復(fù)運動產(chǎn)生磨損。同時，水封壓板不銹鋼螺栓因往復(fù)運動出現(xiàn)彎曲、伸長，導(dǎo)致水封壓板與座板壓緊程度減弱（轉(zhuǎn)角區(qū)域尤為突出），使水封螺栓孔承受螺栓集中載荷，加劇水封的磨損。多種原因疊加導(dǎo)致橡膠水封緊固螺栓孔處發(fā)生撕裂。

在2019年停航檢修期間，升船機設(shè)備維護(hù)人員對對接密封裝置水封進(jìn)行了更換，C形水封橡皮整體設(shè)置一層化纖織物里襯，提高了水封的耐用程度，降低了水封動作過程中撕裂的風(fēng)險。更換了更厚更寬的水封壓板，增大壓板與水封受力面積，使水封固定更加牢固。將原來的全螺紋不銹鋼螺栓更換為半螺紋鍍鋅格高強螺栓，一方面提高了螺栓強度減小變形，一方面螺栓與橡膠接觸面沒有螺紋更利于密封。

4結(jié)語

以上從設(shè)計角度對二通進(jìn)口壓力補償器在10組油缸動作的同步性中所起到的作用進(jìn)行了說明，對信號檢測系統(tǒng)在向家壩升船機對接密封裝置中如何參與狀態(tài)監(jiān)測和電氣控制進(jìn)行了詳細(xì)介紹，結(jié)合筆者在升船機實際運行過程中發(fā)現(xiàn)的影響對接密封裝置運行可靠性的因素及采取的處理方法，希望能對國內(nèi)相關(guān)的升船機運維人員提供參考和借鑒。

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