三峽大壩“超級電梯”到底神在哪兒？

　　“長江三峽9號”游輪駛離升船機進入下游引航道（圖片來源：科技日報）

三峽大壩升船機工作圖（圖片來源：科技日報）

　　三峽升船機是世界上規模最大、技術含量最高的垂直升船機，過船規模為3000噸級，最大提升重量15500噸，最大提升高度113米。其技術、制造、安裝難度和規模均為升船機世界之最。

　　高峽出平湖，電梯送過壩。作為三峽工程的“收官之作”，由中船重工研制的三峽升船機歷經10多年的建設，於近日成功試通航，被譽為三峽工程最后的“謎底”終於揭開神秘的面紗。

　　三峽升船機是世界上規模最大、技術含量最高的垂直升船機，過船規模為3000噸級，最大提升重量15500噸，最大提升高度113米。它系統眾多，功能復雜，大部分設備型式及運作方式為國內首次採用，其技術、制造、安裝難度和規模均為升船機世界之最。

　　“這是一個龐大的機、電、液一體化系統，其復雜性超過目前任何提升設備。我們在設計、制造、安裝調試過程中遇到許多技術難題，沒有成熟經驗可供參考、借鑒，全靠自己探索、解決。”中船重工集團董事長胡問鳴說。

　　那麼，“超級電梯”神在哪兒？日前，科技日報記者來到宜昌三峽大壩，一探奧秘。

　　40分鐘，輕舟扶搖直上百米高

　　以前，船隻過大壩都是通過三峽雙線五級船閘。若進入上游，一艘艘載著貨物和旅客的巨輪依次進入5個閘室，“拾級而上步步高”，被人形象地稱為“爬樓梯”。

　　隨著長江水運量日益增長，三峽樞紐通航能力趨於飽和，升船機應運而生，就是在通航河流的大壩上，建造一座供船舶乘坐的快捷“電梯”，作為三峽五級船閘“樓梯式過壩”的有效補充，實現“大船爬樓梯、小船坐電梯”的分流。

　　10月8日，記者乘坐輪船親自體驗“坐電梯”。12時20許，輪船沿著下游引航道緩緩駛入三峽升船機承船廂，承船廂就是電梯，一個3.5米水深的“大游泳池”。接著，承船廂載著輪船開始“抬升”，直至與上游水面齊平位置。13時，輪船平穩駛出，告別承船廂，進入上游水面。

　　整個過壩過程歷時40分鐘。記者幾乎感覺不到晃動或失重，如果沒有外面的參照物，根本無法察覺承船廂一會兒就把輪船抬升到40層樓的高度。

　　中船重工所屬武漢船舶公司副總經理岳秋良介紹，三峽升船機投入運行后，客船及部分貨船可借助其“電梯式”服務快速通過三峽大壩，由目前的３個多小時縮短至40分鐘，大大提高船舶過壩效率。

　　記者了解到，與船閘相比，升船機過壩還具有不耗水的特點，可提高三峽工程的通航調度靈活性和通航保障能力，使長江黃金水道通航能力提升20%。

　　四兩撥千斤，巧妙平衡設計輕鬆載萬噸

　　升船機雖然能托舉萬噸重量，但用的是巧勁，可謂“四兩撥千斤”。關鍵就是其平衡之術。

　　“升船機耗水耗電量都很低，靠的就是物理的平衡作用，即以平衡重保持受力平衡。”該項目總工程師胥福堯向記者介紹。

　　升船機採用一隻裝有水的承船廂作為載體，運載船舶升降。利用這一條件，就在兩側設置同等質量的平衡重，來平衡帶水船廂的總質量，從而實現系統“全平衡”的要求。

　　升船機現場負責人劉科青打了個比喻，升船機就像一個天平，隻需少量電力相助，就能輕鬆載萬噸。

　　那麼，問題來了。一旦平衡打破，將面臨災難性后果。如何保障安全？

　　“三峽升船機是採用齒輪齒條爬升平衡重式的垂直升船機，有螺母柱螺杆安全機構。”胥福堯說，這種形式升船機最大特點就是安全可靠性高，在船廂水漏空、沉船和地震等任何事故工況下，都能確保不發生承船廂墜落等重大設備和人身事故。

　　胥福堯進一步解釋，齒輪齒條爬升式升船機以大螺杆螺母作為安全裝置，當升船機平衡條件破壞時，安全機構將自主鎖定船廂，保証其紋絲不動。

　　專家稱，這也是我國第一座齒輪齒條爬升螺母螺杆式的大型升船機，比常見的鋼絲繩卷揚式提升方案更安全。

　　除此之外，升船機還實現了驅動系統故障運行的冗余控制。三峽升船機的四個驅動單元採用行程同步控制，每個驅動單元的兩台電機採用出力均衡控制，當8台電機中的一台、兩台甚至三台出現故障時，安定裝置根據設定的規則無擾動地實現控制模式切換和故障單元退出，系統連續運行不受影響。通俗地說，系統的設備裝置都有“備胎”，一用一備，一旦一台機器出了問題，“備胎”就能立即頂上。加之傳感器對設備實時監測，如發生故障，傳動裝置有制動器應對。

　　此外，三峽升船機還有迅速疏散旅客的設施，並與應急疏散口連接，旅客可以通過活動走道，經承重結構疏散、離開升船機。

　　四人抬轎子，一元硬幣直立不倒

　　平衡一旦打破，就十分危險，因此保証船廂的水平狀態，是最為關鍵的技術之一。

　　三峽升船機採用4吊點8台315千瓦電機的驅動方式，帶動小齒輪轉動，實現承船廂的上、下行運行。4個驅動點之間必須在任一時刻保証高程同步，控制採用“電氣行程同步+機械同步”的模式，同時以“電氣出力均衡+機械同步”模式作為備用控制方案。

　　在升船機啟動、加速、運行、停機各個階段嚴格按照平滑的速度曲線運行。有人測試，將一枚一塊錢硬幣立在承船廂上，待升船機升到上游時，硬幣依然直立不倒，甚至未見輕微的晃動。

　　“四點驅動，就像4個轎夫抬轎子，必須始終保持步調一致、快慢一致、高度一致，如果有一點不平衡，就會傾翻。但是，如果給4個人發命令，因為‘聽’到命令還有時間誤差，按照原有的國外設計做不到完全同步。”胥福堯說，技術人員通過自己設計研發，終於克服了這個瓶頸。

　　由於採用了高精度的位置控制，升船機在整個行程中能夠准確停在設定的任意位置，而且四個驅動單元任意時刻保証高程同步，同步運行行程偏差小於2毫米。研究人員還專門設計了升船機驅動機構位置同步測試系統，測試結果表明驅動點位置偏差大都在1毫米以內。

　　科技人員還成功解決了船廂及其設備與塔柱變形協調，關鍵設備的制造等一系列世界級技術難題。

　　“我們大膽創新設計理念、制造技術、施工工藝和管理方法，掌握了齒輪齒條爬升式升船機船廂設計制造和安裝、船廂液壓和機械系統安裝、單機調試等多方面核心技術。三峽升船機的成功建造和試運行，體現了我國裝備制造業已從仿制、跟跑到並跑、領跑的巨大進步。”胡問鳴表示。（記者 陳磊）