三峽升船機鎖定機構(gòu)單點保壓失效時小齒輪受力變化

李 明,周 維

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽升船機為全平衡垂直升船機，采用齒輪齒條爬升式驅(qū)動機構(gòu)，船廂在處于對接或者上下運行時，不平衡的負載主要通過小齒輪→小齒輪托架→液氣彈簧機構(gòu)對接鎖定機構(gòu)，通過長螺母-短螺桿式安全機構(gòu)滿足平衡負載的要求。

小齒輪托架系統(tǒng)是船廂驅(qū)動小齒輪的支承系統(tǒng)，具有傳遞小齒輪荷載、適應塔柱和船廂變形從而保持小齒輪與齒條精確嚙合、限制小齒輪荷載等功能。小齒輪托架系統(tǒng)由小齒輪軸、支承及導向機構(gòu)、位移適應機構(gòu)和液氣彈簧機構(gòu)組成。

長螺母-短螺桿式安全機構(gòu)是升船機的安全保障機構(gòu)，安裝時二者之間在上、下兩個方向均有60 mm的間隙。當船廂全平衡狀態(tài)被破壞，造成安全機構(gòu)螺紋副間隙變小，直至間隙完全消失，船廂的不平衡荷載經(jīng)螺桿傳遞到螺母柱上。

船廂鎖定機構(gòu)的主要作用，是在船廂與閘首對接期間，承擔船廂豎直方向的附加荷載。當豎直不平衡力超過鎖定機構(gòu)的設(shè)計荷載時，鎖定塊承載油腔油液溢流，船廂將在不平衡力作用下產(chǎn)生豎向運動，直至安全機構(gòu)螺紋間隙消失，船廂不平衡力由安全機構(gòu)承擔。

小齒輪受力由安裝在液氣彈簧底部銷軸上的傳感器監(jiān)測，當驅(qū)動機構(gòu)小齒輪荷載超過1 560 kN時，監(jiān)測和控制系統(tǒng)發(fā)出警報；當驅(qū)動機構(gòu)小齒輪荷載超過1 580 kN時，主拖動系統(tǒng)電氣制動；當小齒輪荷載達到1 650 kN時，液氣彈簧動作，當安全機構(gòu)螺紋間隙消失時，小齒輪荷載為2 200 kN。

1 研究背景條件下的機構(gòu)動作

設(shè)定的背景條件為：船廂處于對接狀態(tài)時，單個驅(qū)動點鎖定機構(gòu)上鎖定塊無法保壓，船廂偏輕、水深偏淺。

由上述的機構(gòu)原理，結(jié)合鎖定機構(gòu)和液氣彈簧的液壓回路設(shè)計特點[1-3]，鎖定機構(gòu)上鎖定塊會出現(xiàn)行程退讓，此過程中小齒輪的受力發(fā)生了變化。船廂鎖定機構(gòu)油缸行程與機構(gòu)最終狀態(tài)為：上鎖定塊完全縮回到位，下鎖定塊伸出到位，安全機構(gòu)上螺紋面與塔柱螺母接觸，液氣彈簧上極限位。當偏載水深達到一定數(shù)值，最終狀態(tài)下會引起液氣彈簧上極限位、小齒輪受力超限，出現(xiàn)船廂傾斜。

2 受力分析與計算

2.1 小齒輪受力分析

由設(shè)定條件下機構(gòu)的動作變化過程，鎖定機構(gòu)上鎖定塊在對接期間出現(xiàn)了退讓，小齒輪的受力發(fā)生了變化。

鎖定機構(gòu)正常工作時，小齒輪只有與齒條嚙合的殘余荷載F余；鎖定機構(gòu)無法正常保壓，出現(xiàn)連續(xù)行程退讓時，小齒輪受船廂不平衡偏載F偏載，在本次故障狀態(tài)下，當鎖定機構(gòu)出現(xiàn)退讓導致鎖定信號丟失后，再次執(zhí)行鎖定動作，此時只有下鎖定塊動作，上鎖定塊未發(fā)生動作。液氣彈簧充壓時，小齒輪受船廂不平衡偏載F偏載和液壓力F液的合力F合作用。

研究設(shè)定條件下的相關(guān)參數(shù)為：液氣彈簧油缸的內(nèi)徑為320 mm，活塞桿外徑為200 mm，工作行程440 mm；鎖定機構(gòu)油缸內(nèi)徑為580 mm，活塞桿外徑為320 mm，工作行程148 mm；船廂內(nèi)水深一側(cè)為3.366 m，另一側(cè)為3.341 m。

2.2 船廂傾斜狀態(tài)下水深偏載對鎖定機構(gòu)受力影響

船廂水平時，鎖定機構(gòu)承受±0.6 m內(nèi)的偏載水深，各點受力均衡，但當船廂處于傾斜狀態(tài)時，船廂各點受力分布產(chǎn)生了不均衡，此狀態(tài)下，船廂偏輕時4#驅(qū)動點發(fā)生了傾斜，如圖1所示。

圖1 船廂內(nèi)水體示意

由于船廂總體水量f(x,y,h)不變，當4#點鎖定機構(gòu)向上傾斜Δh時，有：

(1)

式中：h1為船廂水平時的水深；h2為船廂傾斜時的最大水深。h2與h1關(guān)系為：

h2=h1+0.635Δh

(2)

船廂水平狀態(tài)下，4#驅(qū)動點鎖定機構(gòu)的的受力偏載為：

(3)

式中：ΔV為單個驅(qū)動點水域體積變化；l1、l2為船廂水域的長、寬。

船廂傾斜Δh時，4#驅(qū)動點鎖定機構(gòu)的的受力偏載為：

(4)

船廂處于對接狀態(tài)時，對接鎖定機構(gòu)承受全部的不平衡負載，此次船廂傾斜狀態(tài)下，Δh=0.06 m，依據(jù)船廂水深數(shù)據(jù)，根據(jù)式(5)計算出水深造成的不平衡負載F偏載為989.604 kN;根據(jù)式(6)計算出產(chǎn)生的受力差值ΔF為36.965 kN；根據(jù)式(7)計算出對鎖定機構(gòu)產(chǎn)生的壓力差ΔP[4]為0.201 MPa。

F偏載=ρΔVg4

(5)

ΔF=F1-F2=616.077×103Δh

(6)

(7)

式中：D為鎖定機構(gòu)鎖定塊內(nèi)徑；d為鎖定機構(gòu)中心桿外徑。

由此可見，船廂傾斜導致其受力不均衡對鎖定機構(gòu)受力產(chǎn)生了影響，有理論上的區(qū)別，會影響鎖定機構(gòu)的承載安全系數(shù)。因此，平時運行中船廂的不水平也會對鎖定機構(gòu)和液氣彈簧受力造成影響，但影響不大。

2.3 鎖定機構(gòu)失效時小齒輪受力計算

依據(jù)小齒輪托架的四連桿機構(gòu)設(shè)計[5]，液氣彈簧與小齒輪受力約為1:2的關(guān)系，根據(jù)液氣彈簧動作原理，根據(jù)式(8)計算出充壓過程對小齒輪產(chǎn)生的液壓力F液為1 688.064 kN。

(8)

式中：D為液氣彈簧油缸內(nèi)徑；d為液氣彈簧油缸活塞桿外徑；P為已設(shè)定的壓力值，取10.5 MPa。

處于下游對接狀態(tài)時，由于船廂側(cè)偏輕，液氣彈簧充壓過程中小齒輪上齒面與齒條下齒面接觸嚙合，充壓過程產(chǎn)生的液壓力與船廂偏載產(chǎn)生不平衡負載，對小齒輪施力方向一致，不考慮安全機構(gòu)與螺母柱間隙消失后承擔部分負載的情況下，根據(jù)式(9)計算出小齒輪所受合力最大值為2 677.668 kN。

(9)

此實際工況下，船廂出現(xiàn)了垂直方向上的行程退讓，受安全機構(gòu)旋轉(zhuǎn)螺桿與螺母柱螺牙間隙的影響，小齒輪所受荷載未能達到最大值，部分負載由安全機構(gòu)承擔。

3 試驗數(shù)據(jù)驗證

對設(shè)定條件下的試驗數(shù)據(jù)進行驗證，驅(qū)動機構(gòu)動作與分析一致，試驗過程中檢測到的液氣彈簧底部銷軸受力如圖2所示，根據(jù)小齒輪托架的受力特點可知，小齒輪的受力最大值Fmax≈2 100 kN(為液氣彈簧底部銷軸受力的2倍關(guān)系)，與計算值基本吻合。由安全機構(gòu)承擔的部分負載F安≈577.668 kN。

圖2 液氣彈簧底部銷軸受力變化

4 結(jié)論

1)鎖定機構(gòu)的保壓性能失效會引起船廂驅(qū)動機構(gòu)的受力變化，導致連鎖的機構(gòu)動作，如船廂的傾斜、小齒輪的受力超限、液氣彈簧的極限位等，因此需要及時發(fā)現(xiàn)、及時處理，以免造成嚴重后果。

2)當船廂發(fā)生偏斜時，由于4#點的上移，將導致4#點區(qū)域水深偏載比初始值大，會逐漸增加，直至安全機構(gòu)動作。單個驅(qū)動點允許的水深偏載荷載應該按船廂上、下偏移60 mm計算，即以船廂1#～4#驅(qū)動點為整體計算鎖定機構(gòu)的動作偏載水深，與以單個驅(qū)動點計算單點鎖定機構(gòu)的動作偏載水深是不一樣的，計算值有理論上的差別，所以船廂傾斜時，對鎖定機構(gòu)動作的允許偏載水深是有影響的，但計算結(jié)果顯示此影響較小。