三峡工程齿轮齿条爬升式升船机设计分析

三峡工程齿轮齿条爬升式升船机设计分析
摘要：目前三峡工程具有世界上规模最大、技术难度指标最高的升船机，它的
升重量大且升程较高，它适应了当前三峡上下游通航水位变幅幅度大和水位变率
快的特点。

本文所探讨的是三峡工程中的齿轮齿条爬升式升船机，该升船机具有
设备构造复杂、施工精度要求高的基本特征，是中德跨国合资的综合技术产物，
这里将主要围绕该升船机的总体布置设计、船厢机械设备及电气传动、控制系统
设计展开论述。

关键词：齿轮齿条爬升式升船机；船厢机械设备；电气传动控制系统；设计
1 前言
目前三峡工程在三峡枢纽左岸布置了升船机工程，它是整个三峡工程的通航
设施之一，能够与双线五级船闸联合运行，主要用来为客货轮或特种船舶提供快
速过坝通道。

自2007年开始，三峡集团与德国“拉麦尔-K&K”所共同设计的联营体三峡工程齿轮齿条爬升式升船机正式投入使用。

它拥有3000t级别的过船规模，
最大提升高度超过115m，上下游通航水位变幅分别为35m和12m，整体提升重
量大且提升高度高，无论从技术难度还是运营规模目前都为世界最高水平，它象
征着三峡工程建设已经进入了重要阶段。

2 齿轮齿条爬升式升船机的总体布局设计分析
三峡工程中齿轮齿条爬升式升船机在总体布局上采用了上下游同时通过闸首
建筑物挡水，促成承船厢的全平衡运行条件，满足最基本的挡水与过船需求。

在
上下闸首部位还布置了船厢室段，它也是升船机的主体段。

另外，整个升船机系
统构成还包括了最为重要的塔柱结构，它主要由承船厢、平衡重系统、顶部机房、电力拖动与控制检测建筑体及其它机械设备所共同组成。

在船厢的两侧位置对称布置了4个侧翼结构，它们所在位置相对于4个塔柱
筒体的凹槽存在，在凹槽墙壁上海设置了驱动机构齿条与安全机构螺母柱，另外
还包括了驱动机构、安全机构与侧翼结构，通过小齿轮齿条驱动运转，保证船厢
箱体能够上下垂直升降。

船厢也与闸首相互对接，并通过锁定机构来锁定，该升
船机配备了4套锁定机构，它们都设置在安全机构的上方位置，当船厢在升降过
程中它的安全机构就会与锁定机构同步转动，保证船厢与闸首准确对接。

另外在
厢头位置还设置了间隙密封机构，它也用来操控船厢的升降运行。

而在船厢两端
还布置了下沉式弧形闸门用来挡水，并在闸门内侧设置了防撞系统装置、电气装
置以及液压设备等等。

升船机两侧的塔柱结构拥有200m以上高程，它们分别布置于两个机房内，
通过平衡滑轮组来实现设备起吊。

而且在两机房之间还布置了升船机观光平台与
中控室，中控室内部则拥有计算机监控系统，如图1。

图1齿轮齿条爬升式升船机的总体布置结构示意图
如图1所示，齿轮齿条爬升式升船机的总体布置结构从1~15分别为活动桥、上闸首辅助们启闭机、上闸首辅助门、上闸首工作门、上闸首工作启闭机、承船厢、齿条、螺母柱、机房、平衡链、混凝土承重结构、下闸首工作门启闭机、下
闸首工作门、下闸首检修门启闭机、下闸首检修门。

3 齿轮齿条爬升式升船机的船厢与机械设备设计
齿轮齿条爬升式升船机的船厢与机械设备设计是整个系统关键，它包括了设
备布置、船厢结构、船厢驱动系统、事故安全机构、对接锁定机构、船厢横纵导
向机构与顶紧机构设计等多项内容。

其中船厢横纵导向机构是创想与机械设备的
连接部分，相当重要，下文主要围绕这两大结构设计展开分析。

3.1 船厢的横导向机构设计
升船机船厢一般会设置4套横导向机构，它们对称分布于船厢两侧位置，即
驱动机构的正下方位置，并以齿条来作为导向。

在横导向机构设计方面，主要是
船厢与导向油缸机械设备的相互连接，油缸油路还与另外的液压补偿系统连接，
而补偿系统部分则涵盖了补偿油缸和液气弹簧。

从整体来看，液压补偿系统的作
用就是吸收油缸内部液压油的热膨胀，同时对油缸泄漏进行相应补充。

该补偿系
统设置了两个液压缸，它们以串联结构将两个油腔组合起来，扩大了导向缸油腔
体积变化量。

3.2 船厢的纵导向机构设计
船厢的纵导向结构与顶紧装置相连接，主要负责船厢的上下升降，特别是在
对接期间能够传递船厢的纵向水压力，联系塔柱结构与船厢形成纵向耦合力。

船厢在纵向导向装置设计方面相当巧妙，它位于船厢的横向中心线位置，分
别由1根弯曲梁与2套纵向导向顶紧装置所共同组成。

在导向—顶紧装置方面严
格遵循弹性导论与顶紧、箱体机构的联结原则，它通过导论与顶紧机构来装设箱
体内部，保证箱体的螺栓与弯曲梁端部部分也能被合理联结，同时在装置的紧弹
簧支撑导向轮与顶紧机构位置还布置了偏心轴与驱动油缸，确保了船厢纵导向机
构设计的安全稳定性。

3.3 齿轮齿条爬升式升船机的电气传动及控制系统设计
升船机船厢所采用的是主电气传动控制系统，它的主要任务就是负责承担驱
动船厢升降运行任务。

具体来说船厢的电气传动与控制系统包含4个驱动单元。

首先，船厢驱动系统的4个驱动单元分别对称布置与船厢的4个驱动室中，
其中每个传动齿轮与交流变频调速驱动电动机组成一个驱动单元，而且每个驱动
单元有多个驱动点，它们分别配备了两台电动机，用于平衡负担负荷。

从整体来看，多驱动单元所采用的是刚性机械同步轴连接，最终形成多电动机机械同步结构，即“齿轮传动与齿轮传动”体系，这就是升船机的电气传动总系统设计。

其次，为了保证升船机的“机械同步”基础，还为它增加了一套“电气行程同步
控制系统”。

该系统同步控制船厢内所有驱动点，保证全部驱动点的行程差都在
±2mm以内。

再者它的驱动单元则采用了两套变频器配合电动机的混合操控做法，满足升船机升降运行的停机检修要求。

4 结束语
在我国三峡工程中，采用齿轮齿条爬升式升船机具有它一定的技术优势，它
虽然技术复杂但是在功能设计与工程运营管理方面却相当得力，基本满足了三峡
工程建设的运行安全、技术先进与质量优良要求，值得在未来被进一步推广应用。

参考文献：
[1] 钮新强,覃利明,于庆奎等.三峡工程齿轮齿条爬升式升船机设计[J].中国工程科学,2011,13(7):96-103.
[2] 张壮志,林新志.三峡工程和向家坝水电站升船机船厢室结构设计对比及质
量控制难点分析[J].水利水电技术,2013,44(9):68-72,75.
[3] 赵锡锦.三峡升船机工程建设综述[J].中国工程科学,2013(9):9-14.。