升船機(jī)平衡鏈導(dǎo)向輪動(dòng)力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘要：升船機(jī)平衡鏈導(dǎo)向輪成本昂貴，數(shù)量巨多，更換經(jīng)濟(jì)成本高，且對(duì)其維護(hù)時(shí)需要船廂進(jìn)行配合，會(huì)影響升船機(jī)正常通航運(yùn)行。以三峽升船機(jī)平衡鏈導(dǎo)向輪為研究對(duì)象，分析了導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻原因，對(duì)平衡鏈局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真。由仿真得到了導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置的接觸力參數(shù)，繼而提出了3種導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻解決方案，分別是在隔環(huán)上安裝螺紋圓柱銷、減小導(dǎo)向輪厚度以及導(dǎo)向輪更換青銅軸套。將后兩種方案用于現(xiàn)場(chǎng)改造，改造完成后導(dǎo)向輪運(yùn)行效果較好。相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供類似升船機(jī)工程的設(shè)備檢修工作借鑒。

關(guān) 鍵 詞：平衡鏈；導(dǎo)向輪；動(dòng)力學(xué)仿真；三峽升船機(jī)

中圖法分類號(hào)：U642.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.044

0 引言

三峽升船機(jī)平衡重系統(tǒng)由平衡重組、滑輪組、鋼絲繩、鋼絲繩調(diào)節(jié)裝置、平衡鏈（圖1）及其導(dǎo)向裝置等設(shè)備組成。平衡鏈懸掛在平衡重組下方，另一端與船廂主縱梁的腹板連接，其結(jié)構(gòu)采用鏈板型式，包含銷軸^［1］、鏈板^［2］、隔環(huán)^［3］、導(dǎo)向輪^［4］、端板^［5］等零件。

在日常維護(hù)檢查中，發(fā)現(xiàn)平衡鏈導(dǎo)向輪出現(xiàn)無法轉(zhuǎn)動(dòng)的卡阻現(xiàn)象，帶來以下問題：①平衡鏈導(dǎo)向輪在導(dǎo)向裝置上劇烈摩擦，造成導(dǎo)向輪表面磨損速度加快，其使用壽命大大降低；②平衡鏈導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置的摩擦帶來明顯的振動(dòng)和噪音，運(yùn)維人員在塔柱內(nèi)部可明顯感知，對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行產(chǎn)生干擾。

在升船機(jī)平衡鏈定期維護(hù)過程中，平衡鏈導(dǎo)向輪數(shù)量巨大，成本昂貴，更換經(jīng)濟(jì)成本高，并且需要船廂進(jìn)行配合，會(huì)影響升船機(jī)正常通航運(yùn)行。因此，平衡鏈導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻已成為當(dāng)前亟待解決的重要問題。

1 導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻原因分析

平衡鏈的銷軸安裝在鏈板兩端，導(dǎo)向輪安裝在銷軸兩端。在船廂上下行的過程中，平衡鏈會(huì)整體發(fā)生擺動(dòng)、自扭現(xiàn)象，導(dǎo)向輪會(huì)在位于塔柱側(cè)壁的導(dǎo)向裝置內(nèi)來回運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生振動(dòng)。該復(fù)雜工況使平衡鏈的銷軸產(chǎn)生軸向力，使銷軸有相對(duì)鏈板的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，在鏈板中竄動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)向輪受到兩側(cè)零件的擠壓時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的阻力也會(huì)增加，從而出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

2 仿真分析與結(jié)構(gòu)調(diào)整方法

2.1 導(dǎo)向輪動(dòng)力學(xué)計(jì)算

以單個(gè)導(dǎo)向輪為分析對(duì)象，根據(jù)導(dǎo)向輪工作情況，可以計(jì)算導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)矩方程。導(dǎo)向輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩大于摩擦力矩，導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置的摩擦是其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力的主要來源，其力臂是一個(gè)固定值，為導(dǎo)向輪的半徑。摩擦力矩來源有兩個(gè)：①導(dǎo)向輪兩側(cè)的端板和隔環(huán)軸向壓力產(chǎn)生；②導(dǎo)向輪與銷軸之間的軸套摩擦產(chǎn)生。為保證導(dǎo)向輪能夠順利旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩需不小于摩擦阻力力矩。力平衡時(shí)，導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)矩方程如下：

F_lμ_lr_l=∫^r_grzF_gμ_grdr+∫^r_drzF_dμ_drdr+F_zμ_zr_z（1）

式中：F_l為導(dǎo)向裝置對(duì)導(dǎo)向輪的驅(qū)動(dòng)力，N；F_g，F(xiàn)_d和F_z分別是軸套、端板和軸套對(duì)導(dǎo)向輪的壓力，N；μ_l為導(dǎo)向輪和導(dǎo)向裝置摩擦系數(shù)；μ_g，μ_d和μ_z分別是導(dǎo)向輪和隔環(huán)，導(dǎo)向輪和端板、導(dǎo)向輪和銷軸之間的摩擦系數(shù)；r_l為導(dǎo)向輪半徑，mm；r_z，r_g和r_d分別為銷軸、隔環(huán)、端板的半徑，mm。

2.2 導(dǎo)向輪動(dòng)力學(xué)仿真分析

利用CREO軟件建立平衡鏈局部結(jié)構(gòu)的三維模型（圖2），將模型導(dǎo)入ADAMS多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件，模擬升船機(jī)升起時(shí)平衡鏈底部的運(yùn)動(dòng)過程。

對(duì)平衡鏈結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向輪、導(dǎo)向裝置賦予材料密度屬性。鏈板與銷軸、銷軸與導(dǎo)向輪之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)副，內(nèi)外側(cè)導(dǎo)向裝置與地面設(shè)置固定副。導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置之間設(shè)置接觸約束，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.15。船廂升起時(shí)，船廂下方平衡鏈上升，平衡重井的平衡鏈下降。兩端銷軸設(shè)置驅(qū)動(dòng)，船廂側(cè)端部平衡鏈以0.2 m/s的速度上升，另一側(cè)平衡鏈以相同速度下降。仿真時(shí)間設(shè)置為50 s，仿真步數(shù)5 000步。通過分析運(yùn)動(dòng)碰撞過程，可提取其中一個(gè)導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置的接觸力。

仿真結(jié)果顯示：水平方向最大接觸力為23 789 N，豎直方向最大接觸力為4 400 N。

2.3 導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)調(diào)整方法

導(dǎo)向輪優(yōu)化方案從調(diào)整驅(qū)動(dòng)力矩和摩擦力矩兩個(gè)方面進(jìn)行考慮。在增加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩方面，主要增加導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置接觸壓力、接觸表面摩擦系數(shù)以及導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)力臂；在降低摩擦阻力力矩方面，主要降低導(dǎo)向輪兩側(cè)摩擦力矩和導(dǎo)向輪軸套摩擦力矩，能夠調(diào)整的參數(shù)分別是隔環(huán)軸向躥動(dòng)產(chǎn)生的軸向力，隔環(huán)、導(dǎo)向輪、端板之間的接觸面積，隔環(huán)、導(dǎo)向輪、端板接觸面的摩擦系數(shù)，導(dǎo)向輪內(nèi)部軸套與銷軸的摩擦系數(shù)。將分析原因匯總，可以得到導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻原因和解決方法，見表1。

3 導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案研究

通過導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻因素分析和現(xiàn)場(chǎng)情況檢查，擬采用以下4種方式解決：①減小隔環(huán)帶來的軸向力，②減小隔環(huán)、導(dǎo)向輪、端板接觸面的摩擦系數(shù)，③減小隔環(huán)、導(dǎo)向輪、端板接觸力臂，④減小導(dǎo)向輪軸套與銷軸間的摩擦系數(shù)。根據(jù)導(dǎo)向輪設(shè)備運(yùn)行情況，提出以下3種方案：①限位銷固定隔環(huán)；②調(diào)整導(dǎo)向輪厚度；③更換導(dǎo)向輪軸套。

3.1 限位銷固定隔環(huán)方案

隔環(huán)和導(dǎo)向輪在軸向上通過兩側(cè)鏈板和端板進(jìn)行定位，鏈板和端板產(chǎn)生的輕微形變會(huì)擠壓隔環(huán)和導(dǎo)向輪，使得隔環(huán)和導(dǎo)向輪承受軸向壓力。通過固定導(dǎo)向輪兩側(cè)零件的軸向位移，便能使導(dǎo)向輪受到的軸向壓力大幅減小，維持導(dǎo)向輪可持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

針對(duì)隔環(huán)在中間軸上的位移，通過在隔環(huán)上與銷軸配鉆銷孔，每個(gè)隔環(huán)徑向均布3個(gè)螺紋圓柱銷（圖3），螺紋圓柱銷使隔環(huán)相對(duì)鏈板固定，平衡導(dǎo)向輪的軸向力。由于隔環(huán)數(shù)量多，加工時(shí)間長，施工難度較大，圓柱銷較長時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)隱患。

3.2 調(diào)整導(dǎo)向輪厚度方案

目前導(dǎo)向輪和隔環(huán)之間沒有間隙，導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)過程中受到摩擦力的影響較大，容易產(chǎn)生卡阻。因此，考慮增加導(dǎo)向輪和隔環(huán)之間的間隙。改變導(dǎo)向輪的厚度，將導(dǎo)向輪厚度減薄5 mm，確保導(dǎo)向滾輪與隔環(huán)間具有足夠間隙（圖4）。當(dāng)鏈板產(chǎn)生輕微軸向位移時(shí)，隔環(huán)不會(huì)將鏈板帶來的軸向力傳遞到導(dǎo)向輪上，導(dǎo)向輪可以保持側(cè)面的低摩擦狀態(tài)。

3.3 更換導(dǎo)向輪軸套方案

導(dǎo)向輪現(xiàn)有軸套為尼龍材質(zhì)，其強(qiáng)度較低，在平衡鏈工況下出現(xiàn)了變形甚至破損的情況，難以滿足導(dǎo)向輪工作環(huán)境。將導(dǎo)向輪原尼龍軸套更改為青銅軸套（圖5），加強(qiáng)軸套結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使導(dǎo)向輪不會(huì)因?yàn)樽冃萎a(chǎn)生卡阻。青銅軸套配有石墨潤滑材料，石墨在軸套內(nèi)圈呈散點(diǎn)狀均勻分布，導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)過程會(huì)帶動(dòng)石墨材料擴(kuò)散到軸套內(nèi)圈上，減小軸套與中心軸的摩擦，達(dá)到自潤滑的效果。

限位銷固定隔環(huán)方案需對(duì)隔環(huán)進(jìn)行加工鉆孔，一定程度上會(huì)改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)，圓柱限位銷存在松動(dòng)隱患。調(diào)整導(dǎo)向輪厚度需重新更換原導(dǎo)向輪，成本較高，可在導(dǎo)向輪使用壽命到期時(shí)批量更換。更換導(dǎo)向輪軸套與更換導(dǎo)向輪不存在沖突，可在更換導(dǎo)向輪時(shí)同步更換尼龍軸套，因此采用減薄導(dǎo)向輪厚度方案和更換導(dǎo)向輪軸套方案。

4 導(dǎo)向輪優(yōu)化效果

2023年8月，三峽升船機(jī)開展計(jì)劃性停航檢修，更換平衡重平衡鏈部分導(dǎo)向輪，更換區(qū)域位于導(dǎo)向輪與船廂連接下方10 m處。檢修期間更換了平衡鏈北1號(hào)、北8號(hào)、南1號(hào)、南8號(hào)共4組平衡鏈66～72 m高程的導(dǎo)向輪，每組更換20個(gè)。更換后的導(dǎo)向輪升船機(jī)在后續(xù)運(yùn)行過程中旋轉(zhuǎn)正常（圖6），無卡阻和異響現(xiàn)象發(fā)生。

5 結(jié)語

通過分析導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻及異響原因，對(duì)平衡鏈局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模和動(dòng)力學(xué)仿真，得到導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置的接觸力參數(shù)，并提出了3種導(dǎo)向輪卡阻解決方案，分別是在隔環(huán)上安裝螺紋圓柱銷、減小導(dǎo)向輪厚度以及更換青銅軸套，并將后兩種方案用于現(xiàn)場(chǎng)改造，導(dǎo)向輪實(shí)際運(yùn)行效果較好。同時(shí)，導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻現(xiàn)象與升船機(jī)通航運(yùn)行頻率相關(guān)，需要長期觀察才能檢驗(yàn)效果，后續(xù)將針對(duì)平衡鏈導(dǎo)向輪運(yùn)轉(zhuǎn)情況開展定期檢查。

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（編輯：胡旭東）