三峽升船機平衡重框架干油集中潤滑系統設計

龔國慶

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

1 三峽升船機平衡重系統

三峽升船機為全平衡式升船機，船廂及其設備的自重加上充水的重力由平衡重系統平衡。船廂由256根φ74 mm的鋼絲繩懸吊，鋼絲繩分成16組對稱布置在船廂兩側，鋼絲繩的一端通過調節裝置與船廂主縱梁外腹板上方的吊耳連接，另一端繞過塔柱頂部機房內的平衡滑輪后，與平衡重系統連接。

三峽升船機平衡重系統由平衡重組、滑輪組、鋼絲繩、平衡鏈和鋼絲繩調節裝置等設備組成。每個平衡重組的15個平衡重塊由鋼結構框架框成一體，鋼結構框架作為斷繩安全保護結構嵌在平衡重塊兩側的凹槽內，在發生斷繩事故時可將破斷鋼絲繩所懸吊的平衡重塊的重力分攤到其他鋼絲繩。框架上設有導向裝置，框架一側僅布置橫向導向輪，另一側則布置了橫向導輪和縱向導輪，導向軌道鋪設在塔柱墻壁上，平衡重組沿軌道升降運行，在船廂正常升降過程中為平衡重組導向，在地震工況下則作為地震荷載的傳力構件。如果平衡重框架導輪潤滑效果不良，平衡重組隨船廂升降運行時摩擦阻力增大，則會導致鋼絲繩受力不均，嚴重時甚至會破壞船廂平衡，影響運行安全。因此，正確的設計和應用平衡重框架干油集中潤滑系統，是保證平衡重框架潤滑效果及三峽升船機安全運行的關鍵。

2 平衡重框架干油集中潤滑系統設計

2.1 潤滑方式的選擇

平衡重框架裝設在船廂室兩側的16個平衡重井內，其結構如圖1所示。船廂運行時平衡重框架沿導軌隨之反向升降運行，最大運行高度達113 m[1]，受運行特點和空間限制，無法布置固定式的潤滑泵，而采用手動黃油槍進行單點潤滑又存在較大安全風險，且作業時間較長，影響三峽升船機通航效率。根據平衡重框架的潤滑點摩擦類型、運行參數，綜合考慮每組平衡重框架潤滑點數目少、給油輸送半徑短、潤滑周期長，本文選擇一種便攜式單線遞進干油集中潤滑方式[2]，平衡重框架潤滑部位及參數見表1。通過遞進式分配器和供油管將潤滑點集中，在主管道上設置快速接頭，潤滑作業時將船廂停在特定高程，手動連接便攜式電動泵對潤滑點進行注油。

表1 平衡重框架潤滑部位及參數

圖1 平衡重框架結構

2.2 潤滑劑的選擇

速度因數dn[3]作為選擇軸承潤滑劑的重要參數，計算公式為：

dn=nd

(1)

式中：d為軸承內外徑的平均值；n為軸承轉速。

平衡重框架正向、反向、橫向、單向導輪軸承的速度因數分別為3 000、3 040、3 200、3 200 mm·rmin。一般情況下當軸承速度因數dn< 1.5×105mm·rmin時，采用潤滑脂。

潤滑脂種類繁多，軸承潤滑脂的好壞直接關系設備的穩定運行，為更好地發揮軸承的最佳狀況，三峽升船機平衡重框架導輪軸承潤滑脂的選擇須從以下方面進行考慮：

1)集中供脂時，應選擇00～1號潤滑脂；對于定期使用脂槍、脂杯等加注脂的部位，應選擇1～3號潤滑脂；對于長期使用而不換脂的部位，應選用2或3號潤滑脂。

2)三峽升船機處于長江中下游地區，氣候潮濕，夏季相對濕度可達80%，設備極易生銹，因此應選用具有抗水性的鈣基、鋁基或鋰基潤滑脂，不宜使用鈉基脂，同時要求潤滑脂必須具有良好的防腐蝕性能。

3)軸承運轉速度低、荷載大且運轉頻繁，具有較大的沖擊荷載，應選擇黏度高的潤滑脂。

4)由于軸承的溫度隨著軸承運轉而緩慢上升，軸承潤滑脂應具有較寬的溫度適應范圍，滴點可以確定潤滑脂使用時允許的最高溫度，一般來講，潤滑脂應在低于滴點30～50 ℃的溫度下工作。

5)潤滑脂從生產廠煉制成脂再經運輸中轉至三峽升船機現場，一直到加入設備使用，必須經過相當長的周期，在這段時間中，潤滑脂不能與空氣中的氧氣接觸而發生化學變化，且平衡重框架導輪潤滑周期長，要求潤滑脂必須具有良好的抗氧化和膠體安定性能。

本系統使用SKF LGHB2重載、高溫、高黏度軸承潤滑脂。

2.3 潤滑點耗脂量的計算

潤滑點的耗脂量根據軸承形式、規格以及轉速及工作環境不同進行選擇，每個潤滑點每班(8 h)耗脂量Q按下式計算[4]:

Q=0.025πDN(K1+K2)

(2)

式中：D為軸孔直徑；N為與軸承有關的系數，單列軸承取值2.5，雙列軸承取值5；K1、K2分別為與轉速、環境有關的因子，取值見表2。

表2 K1、K2取值

每套平衡重框架正向導輪潤滑點為2個，D=18 cm、N=5，轉速為20 rmin、室外作業，故K1均取0.5、K2均取0.4，其每班耗脂量為12.717 mL；每套平衡重框架反向導輪潤滑點為4個，D=12 cm、N=5，其每班耗脂量為16.956 mL；每套平衡重框架橫導向導輪潤滑點為4個，D=16 cm、N=5，其每班耗脂量為22.608 mL；每套平衡重框架單向導輪潤滑點為4個，D=16 cm、N=5，其每班耗脂量為22.608 mL。所有潤滑點每班耗脂量總和Q1=74.889 mL。

2.4 分配器選擇

分配器的作用是將潤滑脂按照設計的油量、周期可靠地送至各潤滑點。每套平衡重框架包含14個潤滑點，根據潤滑點分布情況，本系統將平衡重框架潤滑點分為上、下兩組潤滑點群，每組潤滑點群由1個遞進式分配器向7個潤滑點供油，2個二級分配器由1個一級遞進式分配器供油。平衡重框架潤滑原理見圖2。

在單線遞進潤滑系統中同一組分配器中各口給油量之比為給油比η，如果極限給油比ηmax≤8，則該點每循環需油量為：

q=0.16ηmax

(3)

如果極限給油比ηmax> 8，則該點每循環需油量為：

q=0.08ηmax

(4)

該系統的遞進式分配器上極限給油比ηmax=1.5(< 8)，所需分配器的排量為q=0.24 mL循環。

圖2 平衡重框架潤滑原理

2.5 潤滑管路布置

由于潤滑管路的內徑太小會使系統末端油脂量過少，而內徑太大會導致油脂在管內的停留時間過長，易造成老化。根據GBT 3683—2011《橡膠軟管及軟管組合件》及GBT 8163—2018《輸送流體用無縫鋼管》要求的冷拔(冷軋)無縫鋼管，平衡重框架潤滑系統主管路選擇φ14 mm×2 mm(外徑×壁厚)規格的高壓軟管，分支管路和潤滑管路選擇φ11 mm×2.5 mm規格的無縫鋼管，材料為10或20號鋼。

根據現場實際情況，選定潤滑脂泵在系統中的最佳位置，要求潤滑脂泵接近系統中心，使泵至系統末端的距離越近越好，確定潤滑管路的布置。在主進油管路上設置快速接頭，便于潤滑作業時與潤滑脂泵快速連接，平衡重框架潤滑系統管路布置見圖3，平衡重框架潤滑系統管路參數見表3。

圖3 平衡重框架潤滑系統管路布置

表3 平衡重框架潤滑系統管路參數

2.6 潤滑泵選擇

2.6.1確定潤滑脂泵流量

潤滑脂泵的流量Qj為[5]：

Qj=(Q1+Q2+Q3+Q4)T

(5)

式中：Q1為全部分配器給脂量的總和，若單向出脂時為Q1，若雙向出脂時為Q12；Q2為全部分配器損失脂量的總和；Q3為液壓換向閥或壓力操縱閥的損失脂量；Q4為系統管路內油脂的壓縮量，一般硬管取管內容量的1.5%，軟管取管內容量的10%；T為潤滑脂泵的工作時間，電動泵取5 min。

2.6.2確定系統工作壓力

系統的工作壓力主要用于克服主油管、給油管的壓力損失以及確保給油器和壓力控制元件所需的壓力。系統所需的最大工作壓力Pj：

Pj=P1+P2

(6)

式中：P2為分配器所需給油壓力，潤滑點背壓、輸油管壓力損失、分配器活塞動作壓力、安全給油壓力分別取0.5、0.7、1.2、2.0 MPa；P1為管路壓力損失，計算公式為[6]：

(7)

式中：ΔPλ為管路沿程壓力損失；ΔPζ為管路局部壓力損失；l為管道長度；d為管道內徑；μ為潤滑脂的動力黏度，SKF LGHB2潤滑脂取382.5 Pa·s；ρ為潤滑脂密度，SKF LGHB2潤滑脂取0.9 tm3；v為管內平均流速，v=21.436 9Q′d2(其中Q′為管內流量)；ζ為局部阻力系數，取值見表4。

表4 局部阻力系數ζ取值

注：R為轉彎半徑；W1、W2為管子進口、出口斷面積。

根據平衡重框架潤滑系統的管路布置，其管路局部壓降點見表5(ζ均取0.2)。

表5 管路局部壓降點

綜上計算出系統工作壓力Pj=14.2 MPa。

因此，在選取潤滑泵時應滿足泵的額定流量大于29.4 mLmin，額定壓力大于14.2 MPa，并應留有一定的安全裕量。

3 結論

1)本文設計的便攜式單線遞進干油集中潤滑系統，配管簡單、結構緊湊、費用低,供油主管路只需要一條，對于可動部分潤滑點供油操作簡便。

2)通過應用本文設計的便攜式單線遞進干油集中潤滑系統，提高了三峽升船機平衡重框架的潤滑效率及效果，確保潤滑作業時安全性、方便性，保證設備運行平穩，同時又降低施工勞動強度和油脂損耗，減少潤滑過程對設備及環境的污染。