向家壩升船機驅動齒輪托架系統運行穩定性分析

石儒

摘 要：驅動齒輪托架系統作為升船機驅動系統的重要組成部分，與機械傳動單元共同承擔著升船機船廂的運行工作，其結構組成形式復雜，工作適應性強，主要具有支撐船廂驅動小齒輪、傳遞小齒輪載荷、適應塔柱和船廂變形從而保持小齒輪與齒條精確嚙合、限制小齒輪載荷等功能，齒輪托架系統的安全穩定運行對升船機的安全穩定具有重要的意義。本文對向家壩升船機驅動齒輪托架系統的布置形式、工作原理進行了闡述，并對主要設計載荷以及試通航以來的實際運行載荷進行了分析，得出驅動齒輪托架系統在實際工作中運行是否運行穩定，實際運行中存在的問題，并提出了保證運行最優工況的相關措施。

關鍵詞：升船機;齒輪托架系統;位移適應機構;液氣彈簧;載荷;分析

中圖分類號：U642? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）09-0116-03

向家壩升船機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垂直升船機，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。

向家壩升船機齒輪托架系統是船廂運行的重要裝置，主要具有支撐船廂驅動小齒輪、傳遞小齒輪載荷、適應塔柱和船廂變形從而保持小齒輪與齒條精確嚙合、限制小齒輪載荷等功能，保證升船機驅動機構安全穩定運行。向家壩升船機2004年開始籌建，2017年9月完成主體設備安裝調試，2018年5月26日開始試通航，截止2020年4月27日，已運行3933廂次，過船4044艘，載貨1457084.2噸。自試通航以來，升船機共發生2次非檢修狀態下的安全機構動作，均發生在下游對接時，由于下游水位突變，導致船廂水位變化，此時為對接鎖定投入，齒輪托架系統退出狀態，齒輪托架機構未動作。

1設備布置與構造

1.1? 總體布置

升船機齒輪托架系統屬于船廂驅動機構的重要組成部分，與船廂驅動機構布置相對應，4套齒輪托架機構的構造型式完全相同，分別對稱布置在船廂兩側四個外伸的側翼結構上，齒條中心線距船廂橫向中心線32950mm，如圖1。

1.2? 設備構造

齒輪托架機構由齒輪軸、齒輪支承架、導向機構、位移適應機構、液氣彈簧裝置等設備組成，如圖2。

2工作原理

船廂運行過程中，齒輪受力檢測達到550kN（齒輪載荷1100kN）時，監控系統發出齒輪超載報警4類故障，系統不停機;齒輪受力檢測達到575kN（齒輪載荷1150kN）時，監控系統發出齒輪超載停機2類故障，驅動控制系統開始電氣制動，船廂停止運行，工作制動器和安全制動器上閘，驅動電機斷電。

當運行過程中，出現風阻、漏水、安裝誤差、沉船、地震等情況，未達到監控系統超載停機2類故障時，位移適應機構可以適應船廂與塔柱之間各個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能力：橫向±120mm，縱向±90mm，齒輪托架機構的位移適應機構通過自身各鉸軸連接處軸承的旋轉調整橫向位移，齒輪與齒條的寬度差調整縱向位移，保持船廂位置水平，保證船廂的安全穩定運行。

當運行過程中，出現風阻、漏水、安裝誤差、沉船、地震等情況，達到監控系統超載停機2類故障時，系統停機。當小齒輪載荷繼續增大，受力檢測達到625kN（齒輪載荷1250kN）時，液氣彈簧開始動作，安全機構螺紋間隙±60mm處于最大狀態，載荷繼續增大，安全機構間隙逐漸減小;受力檢測達到750kN（齒輪載荷1500kN）時，間隙消失，此時所有載荷由安全機構承擔。

3運行穩定性分析

3.1? 主要設計載荷

根據升船機設計規范，作用于驅動機構齒輪的載荷主要有船廂誤載水體重量、各運動副的摩擦阻力、風阻力、系統慣性力、鋼絲繩僵性阻力、船廂與平衡重的不平衡重量等。

3.1.1正常運行最大載荷

正常運行最大載荷是指驅動機構齒輪在正常運行過程中的最大載荷，該載荷的計算主要考慮±10cm誤載水重量、正常制動時懸吊系統慣性力、系統摩阻力、船廂與平衡重不平衡重量差等。考慮1.1的載荷不均系數以及設計裕度，每套驅動機構的正常運行最大載荷設計取值為800 kN。

3.1.2停機載荷

驅動機構停機載荷是升船機運行的控制參數，停機載荷按照在驅動機構最大載荷基礎上考慮1.25倍的安全系數確定。停機載荷還應計及齒輪軸、萬向聯軸器、齒輪軸承等部件自重對嚙合力的影響，每套驅動機構的停機設計載荷為1150kN。

3.1.3齒輪極限載荷

液氣彈簧開始變形時的齒輪載荷：該載荷將高于停機載荷1150kN，通過液壓系統的壓力閥預先設定，設計為1250kN。

液氣彈簧變形終了、齒輪載荷不再增加時的極限載荷：該載荷與安全機構螺紋副間隙值0mm、液氣彈簧剛度值、齒輪托架機構的杠桿比、船廂結構剛度等有關，經過設計計算，設計載荷為1500kN。

3.2? 實際運行載荷

根據升船機驅動機構長期非連續性往返運行的特點，設計時考慮的各運動副的摩擦阻力、風阻力、系統慣性力、鋼絲繩僵性阻力、船廂與平衡重的不平衡重量等驅動機構齒輪的主要載荷在升船機安裝完成、額定速度運行時基本上保持恒定不變，在實際運行過程中只考慮誤載水體造成的齒輪載荷變化。

本文隨機選取20組船廂在不同運行時段（2018年5月26日-2020年4月28日）對應誤載水深下的齒輪載荷數據進行分析對比，10組上行，見表1、圖3，10組下行，見表2、圖4。

3.3? 對比分析結論

通過對上行船廂誤載水深與齒輪載荷數據分析，上行時，1#、2#、3#、4#齒輪最大載荷分別為334kN、262kN、411kN、398kN，對應的誤載水深為0.088m，船廂可正常運行。隨著船廂誤載水位變化，4個點小齒輪受力變化趨勢相同，在3.02m水深附近時，各點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據分析，下行時，1#、2#、3#、4#齒輪最大載荷分別為-347kN、-387kN、-276kN、-310kN，對應誤載水深為-0.037m，此時各點受力均在設計的正常運行載荷范圍內，船廂可正常運行。隨著船廂誤載水位變化，4個點小齒輪受力變化趨勢相同，在3.04m水深附近時，各點齒輪受力相對均衡較小。

綜合分析，船廂運行過程中，小齒輪實際載荷均在設計載荷范圍內，升船機驅動齒輪托架系統運行穩定，船廂運行穩定。通過分析可得出船廂上下行中，小齒輪受力最小時對應的水位分別為3.02m和3.04m，此時應為小齒輪運行的最優工況。為了消除對應的誤載水深，保證船廂水位在3m時，為最優工況，可通過平衡重側加裝0.03m誤載水深對應的平衡重塊，消除不平衡力。

4結果與討論

通過對向家壩升船機驅動齒輪托架系統不同工況的載荷滿足性進行了分析，齒輪托架系統達到了升船機各種工況的安全穩定運行條件。

在升船機運行維護工作中，運行操作人員需要掌握齒輪托架系統運行的最優工況，盡量保證在該狀態下運行船廂，維護人員需要做好齒輪托架系統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;機械、金屬結構焊縫的檢查工作;重要參數、數據的檢測測量工作;液壓、檢測系統的維保工作，如發現問題及時進行調整、更換、修復等工作，保證齒輪托架系統安全穩定運行，同時延長整個驅動機構的壽命。

參考文獻：

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