人字門頂門施工中自動保頂方案

張 杰

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

船閘人字門頂門施工工序復雜，場地逼仄，施工難度大[1]。人字門結構尺寸及質量大，且中心偏于門體幾何中心，頂落過程中有門體傾覆危險，同時頂升與下落的位置精度要求高[2-3]。根據交通運輸部水運工程一級工法SYGF-1-009—2014《人字門檢修頂落門施工工法》，人字門頂落門施工通常采用液壓千斤頂同步頂升系統(tǒng)完成門體起升和下落工作，配套使用機械頂作為保護頂，但機械頂的人工操作一直處于起重人字門的底部，工作強度高、時間長[4]，而且保頂操作也有嚴格的要求，若操作出現失誤很可能影響施工安全。

1 保頂在人字門頂門施工中的應用

1.1 人字門頂門施工需求

人字門用于承受單向水頭的船閘中，運行安全，靈活可靠，啟閉力小，是船閘最常用的門型。人字門門體外形高大且自質量大，如葛洲壩2號閘下游人字門尺寸為19.7 m×34.0 m×2.72 m(寬×高×厚)，總質量600余噸(圖1)。人字門底樞長時間在水下復雜環(huán)境中工作，按規(guī)定應進行檢查保養(yǎng)，因此須將人字門頂升至檢修位以便進行底樞檢查。

圖1 葛洲壩2號船閘人字門3D模型

1.2 頂門施工頂具使用及布置

人字門頂落門施工涉及施工設備及工器具較多。門體起重最主要的施工設備為液壓千斤頂同步頂升系統(tǒng)和機械頂。液壓千斤頂同步頂升系統(tǒng)一般稱作工作頂，主要用于人字門的起重，即頂升或下落人字門到目標高度；機械頂一般用于人字門頂落門施工的安全保護，因此，該頂在頂門施工中被稱作保頂。

一般來說，在人字門頂門施工中門體底部布置有4處門體起重位(圖2)，每處起重位布置1臺工作頂和1臺或多臺保頂，其中保頂數量根據人字門底部起重底座設計情況進行調整。

圖2 人字門底部起重位布置

以葛洲壩2號船閘下游人字門頂門施工為例(圖3)，人字門每處起重位設有1臺工作頂和1臺保頂，工作頂布置于門體兩側的牛腿處，保頂布置于門體底部的起重底座處。

在頂門施工過程中，工作頂由液壓頂同步頂升系統(tǒng)控制，根據初始設定運行速度及頂升行程等參數，由系統(tǒng)控制自動升落；保頂則完全由人工操作，每個保頂處安排2名工人旋轉螺桿跟隨門體上升或者下落，保頂的行程一般不滿足一次頂門要求，往往需要中途暫停，為保頂加減墊墩，對頂門效率和施工安全均有一定的影響。

1.3 保頂作用

保頂在人字門頂門施工中的安全保護作用主要體現在2個方面：1)在人字門頂升或下落過程中保障人字門的安全，在施工過程中保頂的頂面與門體始終保持一定的間隙跟隨人字門上升或下落，在液壓千斤頂出現故障或者其他危險狀況時，保頂能夠及時鎖緊并支撐門體重力，從而保護人字門頂、落門過程中的安全；2)在門體頂升到位或中途暫停時支撐人字門，保頂在鎖緊后能夠承載部分門體重力或完全承載門體重力，而且保頂鎖定方式為機械自鎖，其可靠度相對液壓工作頂的鎖定更高。

2 保頂在頂門施工中的操作要求

2.1 頂升門體

同步頂升門體時，先設定頂升位移、頂升速度等操作參數，啟動同步升降系統(tǒng)驅動各頂升點平穩(wěn)同步上升。頂升過程中操作保頂使其與門體保持0～5 mm間隙。

2.2 落門

同步下落門體時，設定下落位移、下落速度等操作參數，啟動同步升降系統(tǒng)驅動各頂升點平穩(wěn)同步下落。下落過程中操作保頂使其與門體保持5～10 mm間隙。

2.3 保頂鎖定

工法中提出在門體頂升到位后將保頂與門體頂緊并鎖定；每次頂升停機后，操作保頂使其與門體頂緊；每次下落停機后，操作保頂使其與門體頂緊。

根據《人字門檢修頂落門施工工法》的操作要求，在人字門頂落門施工時，必須勻速轉動保頂使其隨工作頂一同運動，并保持保頂頂面與門體的間距在允許值范圍內；人字門達到頂升要求位置或施工中途工作頂停止時，須操作保頂鎖緊，使保頂也參與人字門門體的支撐。

3 自動保頂方案

3.1 自動保頂的控制方案

3.1.1控制要求

根據《人字門檢修頂落門施工工法》關于工藝流程及操作要點的規(guī)定，對于頂落門過程中保頂的運動控制相對簡單，在頂升或下落時，頂面與門體的間隙大小保持在工法規(guī)定的范圍內即可，與工作頂同步控制系統(tǒng)協(xié)同工作，其中最主要的控制參數有：

1)運行方向，即上升或者下落；

2)頂面與門體的間隙值，根據保頂上升或下落工況設置為不同的允許范圍值；

3)保頂運行速度，保頂初始速度與工作頂設置速度一致，運行中根據間隙大小自動調整。

3.1.2控制方案

根據保頂的控制要求，保頂處于隨動的狀態(tài)[5]，同時保頂的控制參數相對較少，特別是在運行過程中控制參數只有間隙值，因此自動保頂控制方案可考慮采用聯動的方式，由工作頂同步頂升系統(tǒng)完成啟動與停止等操作，聯動保頂控制系統(tǒng)啟動與停止?？刂品桨溉缦拢?/p>

1)預備狀態(tài)。自動保頂控制系統(tǒng)可設定頂升時頂面與門體的間隙允許值范圍和下落時的間隙允許值范圍等控制參數及其他相關參數，將保頂設置為預備狀態(tài)，預備狀態(tài)分為上升或下落預備，進入預備狀態(tài)時各點保頂將自動調整頂門與門體的間隙到允許值范圍內，完成調整后提示自動保頂控制系統(tǒng)完成預備。

2)啟動控制。當自動保頂控制系統(tǒng)處于預備狀態(tài)、工作頂系統(tǒng)執(zhí)行頂升或下落的啟動命令時，啟動命令信號并將工作頂設定的起重速度傳遞給自動保頂控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)隨即將保頂的運行速度設定為工作頂起重速度，根據頂升或者下落的啟動命令信號控制各點保頂上升或下落，運行速度與工作頂一致。

3)運行控制。在保頂啟動工作后，根據工作頂的頂升或下落速度同步運行，當某臺保頂頂面與門體的間隙值超過或者低于允許值時，自動保頂控制系統(tǒng)能夠適當調整保頂的運動速度，以將間隙值控制在允許范圍內，保證頂落門施工的安全。

4)運行停止。當工作頂頂升到位或者中途停止時，其停機信號傳遞給自動保頂控制系統(tǒng)，自動保頂控制系統(tǒng)收到信號后保頂將停止運行。

5)保頂鎖定。保頂停止工作后，可保頂將慢速運行至頂面與門體接觸，鎖定保頂。

自動保頂控制方案的實現可采用可編程序控制器(PLC)控制系統(tǒng)，與工作頂PLC同步控制系統(tǒng)一致，便于信號傳遞和聯動控制。PLC控制系統(tǒng)須根據保頂操作要求及控制方案開展全面完整的需求分析及控制邏輯分析，定制開發(fā)配套的控制系統(tǒng)，便于自動保頂在頂落門施工中與液壓工作頂協(xié)調工作(圖4)。

圖4 自動保頂方案

3.2 保頂初步設計方案

3.2.1結構形式

保頂采用機械千斤頂結構，其主要原因是機械頂的鎖定為摩擦自鎖，在突發(fā)狀況時能夠直接支撐門體，無需額外的鎖定，操作快捷方便，結構可靠，而且機械頂運動控制相對簡單，為扭轉運動。為實現自動保頂控制，須在普通機械頂的基礎上增加驅動機構和傳感器等部件，才能滿足自動控制的要求。

3.2.2驅動機構

在保頂上增加驅動機構，主要是為保頂的上升或者下落提供動力?？蛇x用工業(yè)控制電機作為動力輸出裝置，PLC系統(tǒng)能夠高精度地控制電機轉速，從而調整保頂上升或者下落的運行速度，實現保頂的方向控制和速度控制。

3.2.3傳感器選用

人字門在頂升或者下落過程中，對保頂與門體之間的間隙是有嚴格要求的，保頂在工作時須實時監(jiān)測保頂與門體的間隙大小，將間隙參數反饋給自動保頂控制系統(tǒng)，并根據頂升或者下落時間隙要求控制保頂的旋轉速度。

保頂上須設置間隙傳感器，行程要求不低于10 mm。該傳感器可安裝在機械頂頂面處，嵌入安裝在頂面或者頂面的側部，其間隙測量精度要求較高。經多種傳感器比選后可采用回彈式的電阻尺測量，其工作原理是利用改變阻值的線性變化量達到量測目的，精度較高，結構尺寸較小，抗沖擊和振動的性能較好。

3.2.4保頂初步方案

保頂采用一般機械頂的螺紋傳動結構形式，按照控制要求增加驅動機構以及間隙傳感器等的布置。保頂須重新設計，其行程與工作頂一致，以免頂落門施工中需要加減墊墩，增加安全風險和工作時間；驅動機構與機械頂的結構形式緊密結合，選用合適的驅動和傳動方式；間隙傳感器可布置于頂面，由于間隙傳感器的直徑較小，可嵌入式安裝于頂面中心位置，亦可安裝在螺桿側面，傳感器測量零點位置略低于頂面(圖5)，可在機械頂鎖緊時不會損壞傳感器。

圖5 保頂方案

4 結論

1)機械保頂自動化控制是可行的，利用成熟的PLC系統(tǒng)及工業(yè)控制電機，可滿足運行中頂門間隙大小和精度的要求，實現人字門頂升中的保護功能。

2)機械保頂在人字門頂升過程中主要為跟隨運動，頂面與門體的間隙大小是自動保頂運行中的重要控制參數。

3)自動保頂的控制方案提出保頂自動控制功能流程，仍須進一步在控制邏輯上細化控制方案，以及緊急狀態(tài)下的系統(tǒng)處置方式。

4)對于配套機械保頂的螺紋傳動形式和驅動傳動形式，需要進一步在技術上和經濟上進行多方案比選。