新技術新材料在桂林象山升船機工程中的應用

盧劍華 周瑞祥 黃 剛

(廣西南寧水利電力設計院 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,形成環繞桂林市中心城的環城水系。工程的成功規劃和建設,歷史性地改變了桂林市的面貌和建設格局,帶來了極佳的環境效益和生態效果。

桂林象山升船機工程是 “兩江四湖”系統工程中一座重要的通航設施,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,設計日通航能力為3000人/日,通航保證率92%。工程建成后,實現了連通內湖、外江和貫穿市區的 “環城”水上游覽,實現了從 “象鼻山→漓江→木龍湖→桂湖→桃花江→象鼻山”船只循環通航。

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

2 象山升船機工程中采用的新技術和新材料

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。象鼻山是桂林最經典的自然景觀,每年到這里游覽的中外游客絡繹不絕。為了解決新的建筑物與自然人文景觀的和諧,經過對多個設計方案的研究比較,綜合分析,在現有的新技術和新材料的基礎上,勇于創新,突破原有的升船方式,采用一種新穎的、結構獨特的升船方式,即 “潛沒式液壓頂推升船”方案。升船機主體和升降動力設備設置在水中,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,對周圍環境影響很小,基本保持原有的景觀,實現了新建的建筑物與周圍環境融為一體,較好地解決水利工程建設與城市環境保護、自然人文景觀間的協調統一問題 (見圖1)。

圖1 縱剖面示意圖

2.2 升船機主升降設備采用的先進液壓啟閉設備

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置在承船廂的底部,潛沒在水下,通過液壓系統和電控系統控制主頂推液壓缸的升降。液壓啟閉機的油缸結構簡單,傳動平穩,具有結構緊湊、體積小,重量輕,承載能力大等優點,同時液壓傳動與電氣控制結合便于實現自動化。這種升船方式充分利用液壓技術的先進性,實現升船機快速、平穩的運行。

2.3 升船機液壓系統中的調速控制技術和多缸同步糾偏控制技術

(1)升降系統的調速控制采用新技術,實現了升船機的平穩運轉。

在液壓升降回路中,設置了帶有超速控制功能和壓力補償功能的調速閥,采用了雙閥尾對尾安裝方式,可實現流量的雙向的精細調節,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致不可預期的大流量通過,從而避免了超速危險,實現了平穩運轉。

(2)升船機升降系統的同步糾偏控制技術,實現四個主液壓油缸的同步運行控制。

當升降系統中出現四個油缸位置不同步的情況且偏差超過預設的報警值時,系統將進入糾偏控制模式。糾偏控制模式分為正常閉環控制和應急開環控制兩種方式。在正常閉環控制中,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各回路流量的穩定性和一致性。在位移檢測系統或者比例閥出現故障而系統又發生不同步現象時,系統將處在應急開環控制模式中。在應急開環控制模式中,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節應急節流閥實現一定偏差范圍內的位置同步,然后借助帶壓力補償功能的調速閥控制實現四缸的基本同步。

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的電控信號進行旁路節流,用以可實現四缸的同步運行。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于起偏差值的電控信號進行旁路節流,實現四缸同步。

(3)液壓系統設置了兩用一備的主泵模式,設定了三種工作壓力,節能效果明顯。

在液壓系統中,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,系統設置了兩用一備的主泵模式,可以根據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。系統還設定了三種工作壓力,能夠適應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。這使得系統的功率浪費大大減少,節能效果明顯。

(4)設置多重保護,保證系統運行安全可靠。

在安全性上,考慮了整個系統的多重壓力保護,實現了各重要元件的保護。系統還采用了PQT測量系統,能夠方便快捷地監測系統的壓力、流量和溫度。系統還設置了油箱液位和油液溫度的監測設備,能夠適時發出報警和連鎖控制。在控制軟件中,系統設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,系統將發出報警停機,從而避免安全事故。系統設置了液壓鎖,從而可使操作人員能夠根據現場情況方便地進行調整和控制。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。

整個系統設計了三種運行模式:系統聯合自動控制模式、系統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

(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,系統采用了國際領先的陶瓷活塞桿技術,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對惡劣環境的能力,提高了油缸使用壽命,從而保證了整個系統的壽命、可靠性和技術先進性。

(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構,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,系統采用了巴魯夫的絕對位移傳感器,安裝方式為內置分體式。該傳感器的檢測精度可達到0.01mm。由于是內置式安裝,對檢測系統的保護性好;分體式安裝則避免了當出現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 金屬結構設計中大量采用新技術和新材料

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、反向裝置等的軸套、關節軸承和球面軸承。

工程塑料合金用于承船廂的側、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構型式

本項目施工難點主要是承船廂室的砂質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,對基坑支護結構產生較大的側向推力。通過對工程地質資料和周圍環境的具體分析,結合該工程深基坑開挖的有關技術要求,在濱江路一側設置三排鉆孔灌注樁,且設樁頂連系梁構成門架式支護結構;灌注樁間布置單排高壓旋噴樁,使固結土體形成側壁垂直防滲帷幕。由于該支護結構無內支撐,對坑內的施工沒有任何阻礙,支護結構施工方便,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,節省土建開挖工程量。

4 結論

(1)象山升船機設計根據工程特定環境要求,采用潛沒式液壓頂推升船機,保護了象山景區的自然景區人文景觀,使水利工程建設和城市環境保護完美結合;這種升船機方案成功的推廣應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)設計中采用多項新技術和大量應用新材料,升船機的設備技術先進,安全可靠,工程建成通航至今沒有出現過任何大的故障和事故,設備運行良好,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,為桂林市創造了很好的社會效益和經濟效益。

略)