向家壩升船機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪托架系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性分析

石儒

摘 要：驅(qū)動(dòng)齒輪托架系統(tǒng)作為升船機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，與機(jī)械傳動(dòng)單元共同承擔(dān)著升船機(jī)船廂的運(yùn)行工作，其結(jié)構(gòu)組成形式復(fù)雜，工作適應(yīng)性強(qiáng)，主要具有支撐船廂驅(qū)動(dòng)小齒輪、傳遞小齒輪載荷、適應(yīng)塔柱和船廂變形從而保持小齒輪與齒條精確嚙合、限制小齒輪載荷等功能，齒輪托架系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對升船機(jī)的安全穩(wěn)定具有重要的意義。本文對向家壩升船機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪托架系統(tǒng)的布置形式、工作原理進(jìn)行了闡述，并對主要設(shè)計(jì)載荷以及試通航以來的實(shí)際運(yùn)行載荷進(jìn)行了分析，得出驅(qū)動(dòng)齒輪托架系統(tǒng)在實(shí)際工作中運(yùn)行是否運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)際運(yùn)行中存在的問題，并提出了保證運(yùn)行最優(yōu)工況的相關(guān)措施。

關(guān)鍵詞：升船機(jī);齒輪托架系統(tǒng);位移適應(yīng)機(jī)構(gòu);液氣彈簧;載荷;分析

中圖分類號(hào)：U642? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）09-0116-03

向家壩升船機(jī)布置在向家壩水利樞紐左岸，采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式一級(jí)垂直升船機(jī)，由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道幾部分組成，全長約1530米，最大提升高度114.2m。

向家壩升船機(jī)齒輪托架系統(tǒng)是船廂運(yùn)行的重要裝置，主要具有支撐船廂驅(qū)動(dòng)小齒輪、傳遞小齒輪載荷、適應(yīng)塔柱和船廂變形從而保持小齒輪與齒條精確嚙合、限制小齒輪載荷等功能，保證升船機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)安全穩(wěn)定運(yùn)行。向家壩升船機(jī)2004年開始籌建，2017年9月完成主體設(shè)備安裝調(diào)試，2018年5月26日開始試通航，截止2020年4月27日，已運(yùn)行3933廂次，過船4044艘，載貨1457084.2噸。自試通航以來，升船機(jī)共發(fā)生2次非檢修狀態(tài)下的安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作，均發(fā)生在下游對接時(shí)，由于下游水位突變，導(dǎo)致船廂水位變化，此時(shí)為對接鎖定投入，齒輪托架系統(tǒng)退出狀態(tài)，齒輪托架機(jī)構(gòu)未動(dòng)作。

1設(shè)備布置與構(gòu)造

1.1? 總體布置

升船機(jī)齒輪托架系統(tǒng)屬于船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重要組成部分，與船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)布置相對應(yīng)，4套齒輪托架機(jī)構(gòu)的構(gòu)造型式完全相同，分別對稱布置在船廂兩側(cè)四個(gè)外伸的側(cè)翼結(jié)構(gòu)上，齒條中心線距船廂橫向中心線32950mm，如圖1。

1.2? 設(shè)備構(gòu)造

齒輪托架機(jī)構(gòu)由齒輪軸、齒輪支承架、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、位移適應(yīng)機(jī)構(gòu)、液氣彈簧裝置等設(shè)備組成，如圖2。

2工作原理

船廂運(yùn)行過程中，齒輪受力檢測達(dá)到550kN（齒輪載荷1100kN）時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出齒輪超載報(bào)警4類故障，系統(tǒng)不停機(jī);齒輪受力檢測達(dá)到575kN（齒輪載荷1150kN）時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出齒輪超載停機(jī)2類故障，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)開始電氣制動(dòng)，船廂停止運(yùn)行，工作制動(dòng)器和安全制動(dòng)器上閘，驅(qū)動(dòng)電機(jī)斷電。

當(dāng)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)風(fēng)阻、漏水、安裝誤差、沉船、地震等情況，未達(dá)到監(jiān)控系統(tǒng)超載停機(jī)2類故障時(shí)，位移適應(yīng)機(jī)構(gòu)可以適應(yīng)船廂與塔柱之間各個(gè)方向的相對變位以及齒條的各種安裝偏差，其對綜合變位的適應(yīng)能力：橫向±120mm，縱向±90mm，齒輪托架機(jī)構(gòu)的位移適應(yīng)機(jī)構(gòu)通過自身各鉸軸連接處軸承的旋轉(zhuǎn)調(diào)整橫向位移，齒輪與齒條的寬度差調(diào)整縱向位移，保持船廂位置水平，保證船廂的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

當(dāng)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)風(fēng)阻、漏水、安裝誤差、沉船、地震等情況，達(dá)到監(jiān)控系統(tǒng)超載停機(jī)2類故障時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)。當(dāng)小齒輪載荷繼續(xù)增大，受力檢測達(dá)到625kN（齒輪載荷1250kN）時(shí)，液氣彈簧開始動(dòng)作，安全機(jī)構(gòu)螺紋間隙±60mm處于最大狀態(tài)，載荷繼續(xù)增大，安全機(jī)構(gòu)間隙逐漸減小;受力檢測達(dá)到750kN（齒輪載荷1500kN）時(shí)，間隙消失，此時(shí)所有載荷由安全機(jī)構(gòu)承擔(dān)。

3運(yùn)行穩(wěn)定性分析

3.1? 主要設(shè)計(jì)載荷

根據(jù)升船機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范，作用于驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪的載荷主要有船廂誤載水體重量、各運(yùn)動(dòng)副的摩擦阻力、風(fēng)阻力、系統(tǒng)慣性力、鋼絲繩僵性阻力、船廂與平衡重的不平衡重量等。

3.1.1正常運(yùn)行最大載荷

正常運(yùn)行最大載荷是指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪在正常運(yùn)行過程中的最大載荷，該載荷的計(jì)算主要考慮±10cm誤載水重量、正常制動(dòng)時(shí)懸吊系統(tǒng)慣性力、系統(tǒng)摩阻力、船廂與平衡重不平衡重量差等?？紤]1.1的載荷不均系數(shù)以及設(shè)計(jì)裕度，每套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)行最大載荷設(shè)計(jì)取值為800 kN。

3.1.2停機(jī)載荷

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)停機(jī)載荷是升船機(jī)運(yùn)行的控制參數(shù)，停機(jī)載荷按照在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)最大載荷基礎(chǔ)上考慮1.25倍的安全系數(shù)確定。停機(jī)載荷還應(yīng)計(jì)及齒輪軸、萬向聯(lián)軸器、齒輪軸承等部件自重對嚙合力的影響，每套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的停機(jī)設(shè)計(jì)載荷為1150kN。

3.1.3齒輪極限載荷

液氣彈簧開始變形時(shí)的齒輪載荷：該載荷將高于停機(jī)載荷1150kN，通過液壓系統(tǒng)的壓力閥預(yù)先設(shè)定，設(shè)計(jì)為1250kN。

液氣彈簧變形終了、齒輪載荷不再增加時(shí)的極限載荷：該載荷與安全機(jī)構(gòu)螺紋副間隙值0mm、液氣彈簧剛度值、齒輪托架機(jī)構(gòu)的杠桿比、船廂結(jié)構(gòu)剛度等有關(guān)，經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)載荷為1500kN。

3.2? 實(shí)際運(yùn)行載荷

根據(jù)升船機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)長期非連續(xù)性往返運(yùn)行的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)考慮的各運(yùn)動(dòng)副的摩擦阻力、風(fēng)阻力、系統(tǒng)慣性力、鋼絲繩僵性阻力、船廂與平衡重的不平衡重量等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)齒輪的主要載荷在升船機(jī)安裝完成、額定速度運(yùn)行時(shí)基本上保持恒定不變，在實(shí)際運(yùn)行過程中只考慮誤載水體造成的齒輪載荷變化。

本文隨機(jī)選取20組船廂在不同運(yùn)行時(shí)段（2018年5月26日-2020年4月28日）對應(yīng)誤載水深下的齒輪載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，10組上行，見表1、圖3，10組下行，見表2、圖4。

3.3? 對比分析結(jié)論

通過對上行船廂誤載水深與齒輪載荷數(shù)據(jù)分析，上行時(shí)，1#、2#、3#、4#齒輪最大載荷分別為334kN、262kN、411kN、398kN，對應(yīng)的誤載水深為0.088m，船廂可正常運(yùn)行。隨著船廂誤載水位變化，4個(gè)點(diǎn)小齒輪受力變化趨勢相同，在3.02m水深附近時(shí)，各點(diǎn)小齒輪受力相對均衡較小。

通過對下行船廂誤載水深與齒輪載荷數(shù)據(jù)分析，下行時(shí)，1#、2#、3#、4#齒輪最大載荷分別為-347kN、-387kN、-276kN、-310kN，對應(yīng)誤載水深為-0.037m，此時(shí)各點(diǎn)受力均在設(shè)計(jì)的正常運(yùn)行載荷范圍內(nèi)，船廂可正常運(yùn)行。隨著船廂誤載水位變化，4個(gè)點(diǎn)小齒輪受力變化趨勢相同，在3.04m水深附近時(shí)，各點(diǎn)齒輪受力相對均衡較小。

綜合分析，船廂運(yùn)行過程中，小齒輪實(shí)際載荷均在設(shè)計(jì)載荷范圍內(nèi)，升船機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪托架系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，船廂運(yùn)行穩(wěn)定。通過分析可得出船廂上下行中，小齒輪受力最小時(shí)對應(yīng)的水位分別為3.02m和3.04m，此時(shí)應(yīng)為小齒輪運(yùn)行的最優(yōu)工況。為了消除對應(yīng)的誤載水深，保證船廂水位在3m時(shí)，為最優(yōu)工況，可通過平衡重側(cè)加裝0.03m誤載水深對應(yīng)的平衡重塊，消除不平衡力。

4結(jié)果與討論

通過對向家壩升船機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪托架系統(tǒng)不同工況的載荷滿足性進(jìn)行了分析，齒輪托架系統(tǒng)達(dá)到了升船機(jī)各種工況的安全穩(wěn)定運(yùn)行條件。

在升船機(jī)運(yùn)行維護(hù)工作中，運(yùn)行操作人員需要掌握齒輪托架系統(tǒng)運(yùn)行的最優(yōu)工況，盡量保證在該狀態(tài)下運(yùn)行船廂，維護(hù)人員需要做好齒輪托架系統(tǒng)各鉸接部位的加油潤滑工作;受力部件、螺栓等的檢查、緊固工作;機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)焊縫的檢查工作;重要參數(shù)、數(shù)據(jù)的檢測測量工作;液壓、檢測系統(tǒng)的維保工作，如發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)進(jìn)行調(diào)整、更換、修復(fù)等工作，保證齒輪托架系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)延長整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的壽命。

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