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出品 | 網易新聞

作者 | 立心，工程技術從業者

大家都知道，人要上樓，可以選擇爬樓梯或坐電梯，那么船舶要翻過大壩，是不是也有多種選擇呢？答案是Yes，也可選擇爬樓梯或者坐電梯，這里的“樓梯”指的是船閘，“電梯”自然就是升船機。

我們著名的三峽大壩除了五級船閘外，就還有一個世界第一的升船機。

（一）升船機讓千噸級巨輪“坐電梯”翻大壩

升船機，顧名思義是為了讓船舶順利通過集中落差航道的通航建筑物。它的功能和船閘一樣，但在實現原理上卻又存在著很大區別，船閘是通過控制閘內水位升降來實現船舶上下，而升船機是用承船廂載著船舶垂直運動。

通常來說，船閘適用于低水頭通航，升船機適用于高水頭通航。水頭是一種能量單位，即任意斷面處單位重量水的能量，一般世界各地都是根據建設位置的水頭大小來進行船閘和升船機的建設方案比選，不過，對于長江這樣的“黃金水道”來說，最大限度保障通航能力，提高運輸效率才是最為重要的，因此同時設置船閘和升船機也就理所當然了。

目前，升船機分類有很多種，根據承船廂承運船舶的方式，可以分為濕式和干式。濕式就是承船廂裝著水，水承載著船，干式則是承船廂直接裝著船，不過這種承載方式對船體結構不利，通常只適用于小噸位船舶。

根據承船廂的運行方向，還可以分為垂直升船機和斜面升船機。當然還有不要承船廂的，如法國蒙特西水坡式升船機。

一般來說，升船機都由上閘首、下閘首、承船廂(承船車）、支承導向結構和驅動裝置等組成，其中閘首主要是用來隔開上下游航道和承船廂等軀體結構的擋水建筑物，承船廂就是用來承載船舶的主要設備。

和船閘相比，升船機有兩個顯著優點：

一，幾乎不耗水。

升船機都是用承船廂裝著一廂水上去然后裝著一廂水下來，過程中不用像船閘那樣通過水位升降來實現船舶上下，也幾乎沒有水量損耗，就憑這一點，它特別受水量小的河流和人工運河歡迎。

二，升降時間短。

由于船閘一般需要向閘室灌水（泄水），特別是三峽這種五級船閘，逐級升降耗時較長，全部通過需要3個半小時左右，下行船舶最長待閘時間曾達到34小時，對時間就是金錢的運輸行業來講，由此帶來的時間和人力成本也不可小視。相比之下，通過三峽升船機，則只需要40分鐘左右，時間成本大幅降低，經濟效益更高。

（二）升船機的歷史，可以追溯至2600多年前

早在公元前600年，古希臘科林斯城邦的國王為了讓自家海軍少繞點路，曾在連接伯羅奔尼撒與希臘大陸的科林斯地峽間建造過一條6公里長的航行滑道，這可以看作升船機的最初形態。

在工業革命時期，升船機作為一種通航設施及其建造技術的典型代表，得到了長足發展。1788年，英國開特里建造了世界上第一座機械化升船機，此后，升船機便在歐洲各國“遍地開花”。

進入20世紀后，升船機發展進入快車道，世界各國都新建或者改建了多座大中型升船機，其中標志性工程便是1934 年德國建造的尼德芬諾垂直升船機，該升船機無論規模上還是技術上都達到當時的世界最高水平。

在此之后，升船機發展進入全新階段，規模越建越大，提升高度越來越高，種類越來越豐富。

（三）三峽升船機——世界規模最大的垂直升船機

三峽升船機布置在樞紐工程的左岸，是三峽工程重要通航設施之一，主要為客船、貨船和特種船舶提供快速過壩通道，過船規模為3000噸級，提升總重量約15500噸，最大提升高度為113米，是目前世界上規模最大、技術難度最高的垂直升船機。

作為三峽工程“收官之作”，三峽升船機直至2016年9月18日才試通航，它的建成也大幅刷新了此前由比利時斯特勒比升船機保持的世界紀錄，后者的最大提升總重量僅為8800噸，最大提升高度73米。

在三峽升船機建設以前，國內外從未有過如此巨大的升船機建設先例，因此，對于中國的裝備制造和工程建設來說，三峽升船機的建設既是一個巨大挑戰，也是一次絕佳機會。

曲折的建造史

三峽升船機的建設經歷了一段曲折而復雜的過程。

早在1958年，我們國家就開始考慮在三峽工程規劃設計中配套建設升船機，當時組織了科研機構、設計單位和大專院校對多種方案進行綜合研究分析，在1993年通過的《三峽工程初步設計報告》中，考慮到當時中國的裝備制造水平和工程建設能力，推薦采用的是“鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升式”。

但由于多種原因，在1995年該方案被延緩，并繼續開展相關技術研究。后來，經過反復比較研究，在2003年正式確定采用齒輪齒條爬升式方案，這才結束了長達數十年的方案比選歷程，并恢復了三峽升船機建設。

設計巧妙的平衡重系統

三峽升船機提升重量達到15500噸，提升高度達到100多米，那運行起來是不是特別費電呢？

不，這個大家伙采用的是和普通電梯類似的平衡重系統，不同的是，普通電梯的對重一般都是按半載設置，即轎廂的載重量達到50%的額定載重量時，平衡重一側和轎廂一側達到平衡狀態，但三峽升船機卻是按滿載設置。

其中奧妙就在于，根據阿基米德原理，船舶駛入承船廂后，就會排出同等重量的水，因此承船廂重量幾乎不會改變，這時，只需要設置一個同等重量的平衡重，中間用鋼絲繩連接，就可以與船廂保持完全平衡。

而且，為了補償承船廂和平衡重兩側鋼絲繩因承船廂升降帶來的長度變化進而引起的重量變化，升船機還采用12條平衡鏈，它們的單位長度重量與256根鋼絲繩的單位長度重量相等，從而讓兩側始終處于平衡狀態。

事實上，驅動設備只需要提供400噸左右的力量，就可讓船廂克服誤載水深荷載、系統機械摩擦阻力、慣性力和風阻力等實現順利運行。

安全可靠的保障措施

對于運輸行業來說，安全絕對是擺在第一位的，尤其是三峽這種需要保障客船通行的通航設施，安全問題更是不敢懈怠。

當初從鋼絲繩卷揚平衡式方案變為齒輪齒條爬升式方案最主要的考慮因素便是船舶安全。

目前三峽升船機采用的是長螺母－短螺桿式安全機構，這被專家認為是目前升船機最安全的設計方案，在船廂正常升降時，短螺桿在螺母柱中空轉，相互之間保留有60mm間隙，而一旦發生事故，驅動系統停止運行，承船廂的平衡狀態變化將造成安全機構螺紋間隙變小，直到最終鎖定，從而確保了承船廂安全。

同時，升船機還有著完善的消防安全系統，在升船機兩側墻上每隔3.5米就設有一個逃生通道，在緊急情況可以實現人員快速疏散。

復雜的制造加工工藝

三峽升船機許多設備和零件的技術要求特別高，這對我們的工業制造能力提出了不小的挑戰。

如升船機中的齒條和螺母柱等主要部件，此前國內外都沒有類似尺寸設備的研制經驗。為此，中國組織了大批科研單位、高等院校和制造企業進行技術攻關，開展了齒輪齒條制造工藝研究、螺桿螺母柱制造工藝研究、船廂結構關鍵制造工藝研究等一系列專項試驗，突破了一系列升船機主要設備制造難題。

特別是齒條制造方面，設計要求齒條模數達到62.7、淬硬層深度6毫米以上，并完全按照德國標準和相關歐洲標準及ISO標準進行制造和驗收，這在當時無疑是一項世界級難題。

為了確保齒條制造成功，建設單位不僅在國內招投標，還與德國等工業強國合作進行齒條制造，不過，德國制造的樣件卻在運回國內后發生了延遲開裂，好在國內企業不負眾望，在研究人員和制造工人歷時2年的共同努力下，終于將齒條樣品制造成功，并順利通過了42.2萬次應力循環次數的疲勞壽命試驗測試，達到了70年的預期壽命目標。

這次制造經歷，也讓中國成功掌握了大型感應淬火殘余應力控制和高效高精度加工技術。

尺寸巨大的零部件

三峽升船機巨大的工程規模也決定了內部零部件的尺寸，如升船機的上閘首工作門寬度達到27.0米，自重480多噸；下閘首工作大門寬度達到28.1米，自重670多噸，工作門的最大單件重量達到220噸。還有三峽升船機的核心部件承船廂，它的長、寬、深分別為132米×23米×10米，結構和設備總重量約6840噸，容積相當于4個奧運會標準游泳池。

巨大的零部件不僅是制造難點，如何將這些大塊頭順利運輸到施工現場也考驗著組織管理能力，為此，建設者們不得不組織模擬實驗，事先將可能阻礙運輸的障礙物全部拆除，并對牽引車進行配重塊模擬實驗，確保牽引爬坡能力達到運輸要求。

精度要求特別高

別看三峽升船機規模巨大，但工程建設、設備安裝和運行的精度卻特別高，誤差通?？刂圃诤撩准?。如三峽升船機承重塔柱結構的高度為146米，塔柱混凝土全高的垂直度允許偏差不大于30毫米，截面尺寸偏差在+8毫米和-5毫米之內。

為了最大限度提高建設精度，建設者們想出了很多辦法，包括采用液壓自升式模板應用于水工混凝土施工，廣泛使用高精度數控鋼筋加工設備，大幅提升鋼筋安裝精度，同時放棄傳統的單一極坐標測量，采用極坐標法、綜合測量法、小鋼尺測量法等多種測量方式，最終實現混凝土結構的高精度控制。

在運行精度方面，三峽升船機可以保證承船廂四個驅動系統在電氣同步控制方式下全行程高程同步誤差小于2毫米,是目前世界上升船機中同步提升精確度最高的。

如此高的建設和運行精度才確保了這個大家伙的質量安全和運行穩定。

不知道大家有沒有看過在高鐵車廂里立硬幣的試驗，這個試驗在三峽升船機上也能成功實現，這充分說明了升船機運行的平穩和順暢。

結語

三峽升船機自試通航以來，已安全平穩運行兩年多時間，直至2018年9月18日，已累計通過船舶5767艘次、旅客16.22萬人次、貨運量達171.28萬噸，它和五級船閘一起，形成三峽工程的“雙通道”，為促進長江經濟帶沿線地區經濟發展發揮了重要作用。

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