李紀(jì)強(qiáng)，劉忠明，張和平，李權(quán)才,2

LI Ji-qiang1, LIU Zhong-ming1, ZHANG He-ping1, LI Quan-cai1,2

（1. 鄭州機(jī)械研究所研發(fā)中心，鄭州 450052；2.華北水利水電學(xué)院，鄭州 450011）

0 引言

三峽升船機(jī)是長(zhǎng)江三峽客輪的快速過(guò)壩通道，與雙線五級(jí)船閘聯(lián)合運(yùn)行可大大提高樞紐的航運(yùn)通過(guò)能力。三峽升船機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)船規(guī)模達(dá)3000t級(jí)，最大提升高度113m，具有提升高度大、提升重量大、上游通航水位變幅大和下游水位變化速率快等特點(diǎn)，是世界上目前規(guī)模最大和技術(shù)難度最高的升船機(jī)[1,2]。三峽升船機(jī)的承船廂由4套開(kāi)式齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，沿鋪設(shè)在混凝土塔柱墻壁上的4組齒條垂直升降，齒條的設(shè)計(jì)壽命為35年，每天上下18次，每年工作335天，總循環(huán)次數(shù)達(dá)4.22×105次，具有運(yùn)行運(yùn)行苛刻、加工精度要求高、更換困難等特點(diǎn)，是三峽升船機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件之一。齒條采用分節(jié)制造安裝的組合設(shè)計(jì)，模數(shù)高達(dá)62.667mm，齒部寬810mm，單節(jié)長(zhǎng)4705mm，材料為G35CrNiMo6，采用鑄件毛坯+齒部感應(yīng)淬火的熱處理工藝。目前國(guó)內(nèi)外缺乏此類齒條的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累和試驗(yàn)方法研究，也沒(méi)有現(xiàn)成的試驗(yàn)裝置能夠?qū)θ龒{升船機(jī)升降系統(tǒng)的大模數(shù)、大尺寸的齒條進(jìn)行性能試驗(yàn)及質(zhì)量評(píng)價(jià)[3]，因此，開(kāi)展三峽升船機(jī)大型齒條的可靠性質(zhì)量評(píng)定及測(cè)試是非常必要的，這也將填補(bǔ)我國(guó)大型齒條試驗(yàn)既無(wú)試驗(yàn)裝備也無(wú)試驗(yàn)方法的空白。

通過(guò)對(duì)三峽升船機(jī)工作原理和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的分析，確定了試驗(yàn)臺(tái)采用水平對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和可行性。根據(jù)三峽升船機(jī)齒條載荷隨機(jī)變化的運(yùn)行工況，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)的加載控制模式，并確定了載荷施加的可行方案，保證了試驗(yàn)結(jié)果的可信性，從而為三峽升船機(jī)大模數(shù)齒條的應(yīng)用，提供了有力的判據(jù)。

1 三峽升船機(jī)運(yùn)行工況及齒條嚙合載荷分析

三峽升船機(jī)采用齒輪齒條爬升式全平衡垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，理論上船廂端與平衡重重量相等，升船機(jī)工作時(shí)，齒輪齒條驅(qū)動(dòng)裝置只需施加很小的用于克服運(yùn)行阻力的載荷，就能實(shí)現(xiàn)船廂的升降運(yùn)動(dòng)。但實(shí)際應(yīng)用中，由于誤載水深的存在，在每次升降過(guò)程中驅(qū)動(dòng)載荷是一個(gè)變化的值。現(xiàn)結(jié)合運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種情況，分析齒條的實(shí)際工況。

1）船廂上升過(guò)程中的工作模式

當(dāng)船廂向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果存在正值誤載水深，船廂端重量大于平衡重的重量，齒條對(duì)與船廂一體的軸齒輪就要施加一個(gè)向上的力，用于克服不平衡量和運(yùn)力阻力（摩擦力、加速力等）以推動(dòng)船廂上升，此時(shí)，由作用力與反作用力的關(guān)系可知，齒條的上齒面承受一個(gè)向下的載荷，如圖1（a）所示，此時(shí)電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)模式；如果存在著較小的負(fù)值誤載水深，平衡重與船廂端之間的不平衡重力仍不足以克服其他運(yùn)行阻力，齒條的上齒面仍將承受一個(gè)向下的載荷，電機(jī)也仍處于驅(qū)動(dòng)模式；如果存在著較大的負(fù)值誤載水深，平衡重將大于船廂重力與其他運(yùn)行阻力之和，當(dāng)船廂向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，平衡重會(huì)通過(guò)鋼絲繩拉著船廂端共同加速運(yùn)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)船廂的均速和減速運(yùn)動(dòng)，如圖1（b）所示，齒條需對(duì)軸齒輪施加一個(gè)向下的力，齒條的下齒面將承受一個(gè)向上的載荷，此時(shí)電機(jī)處于制動(dòng)模式。

2）船廂下降過(guò)程中的工作模式

當(dāng)船廂向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果存在著較大的正值誤載水深，此時(shí)，由于船廂端重量大于平衡重重力與其他運(yùn)行阻力之和，船廂端將會(huì)通過(guò)鋼絲繩拉著平衡重共同加速運(yùn)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)船廂的均速和減速運(yùn)動(dòng)，如圖1（c）所示，此時(shí)齒條對(duì)軸齒輪需施加一個(gè)向上的力，齒條的上齒面承受一個(gè)向下的載荷，電機(jī)處于制動(dòng)模式；如果存在著負(fù)值誤載水深，平衡重將大于船廂端的重力，當(dāng)船廂向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)齒條需對(duì)軸齒輪施加一個(gè)向下的力，齒條的下齒面承受一個(gè)向上的載荷，如圖1（d）所示，此時(shí)電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)模式；如果存在著較小的正值誤載水深，當(dāng)船廂端與平衡重之間的不平衡重力不足以克服其他運(yùn)行阻力時(shí)，齒條的下齒面仍將承受一個(gè)向上的載荷，電機(jī)也仍處于驅(qū)動(dòng)模式。

圖1 三峽升船機(jī)工作模式分析簡(jiǎn)圖

從上述分析可知，在相同的上升或下降過(guò)程中，電機(jī)的工作模式和齒輪齒條的受力齒面也不一定相同。這主要取決于誤載水深具體數(shù)值的大小。但在實(shí)際的應(yīng)用中，考慮到電機(jī)工作方式的有利和運(yùn)行的安全，應(yīng)盡量使電機(jī)處于驅(qū)動(dòng)模式，此時(shí)，在船廂上升的過(guò)程中，應(yīng)調(diào)節(jié)誤載水深使其避免出現(xiàn)大的負(fù)值偏差，在船廂下降的過(guò)程中，避免出現(xiàn)大的正值偏差。表1為各在種誤載水深下，三峽升船機(jī)齒輪齒條受力齒面和電機(jī)工作模式的匯總。

2 齒條試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，為采用水平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的雙向往復(fù)運(yùn)動(dòng)功率全封閉齒條試驗(yàn)臺(tái)，主要由固定平臺(tái)（基礎(chǔ)平臺(tái)）、移動(dòng)平臺(tái)、直線導(dǎo)軌、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、齒輪箱（減速器/增速器）、驅(qū)動(dòng)齒輪/加載齒輪、被測(cè)試齒條以及相關(guān)的測(cè)控系統(tǒng)等構(gòu)成。試驗(yàn)齒條和直線導(dǎo)軌通過(guò)螺栓安裝于固定平臺(tái)上，其他構(gòu)件如電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、齒輪箱、驅(qū)動(dòng)齒輪/加載齒輪等均安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，移動(dòng)平臺(tái)安裝在4條滑動(dòng)導(dǎo)軌上，所有設(shè)備重量均由導(dǎo)軌承擔(dān)，試驗(yàn)齒條不承受設(shè)備自身的重量，只承受由控制系統(tǒng)控制電機(jī)按預(yù)訂嚙合載荷施加的負(fù)載。三峽升船機(jī)采用全平衡垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，船廂端與平衡重完全平衡，所有重量均有塔柱承載，升船機(jī)上所有設(shè)備的重力也不對(duì)齒輪齒條驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生額外的負(fù)載要求。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，試驗(yàn)臺(tái)水平結(jié)構(gòu)與三峽升船機(jī)全平衡垂直結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是等效的，附屬設(shè)備均不會(huì)對(duì)齒條的嚙合載荷產(chǎn)生影響。同時(shí)，試驗(yàn)臺(tái)采用水平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可大大降低設(shè)備成本和試驗(yàn)難度。

表1 各種工況下三峽升船機(jī)齒輪、齒條受力齒面和電機(jī)工作模式

另外，三峽升船機(jī)齒條試驗(yàn)臺(tái)采用對(duì)稱功率全封閉設(shè)計(jì)，由測(cè)控系統(tǒng)控制，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、減速器/增速器、驅(qū)動(dòng)齒輪/加載齒輪功能的互換，改變移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向和速度大小以及齒輪齒條的嚙合齒面和載荷大小，從而模擬三峽升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的齒條受力。運(yùn)行過(guò)程中，加載電機(jī)（發(fā)電機(jī)）產(chǎn)生的電能可回饋到試驗(yàn)用局部電網(wǎng)中，再次供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)（電動(dòng)機(jī)），外部電網(wǎng)只需對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)補(bǔ)充摩擦等運(yùn)行阻力所消耗的能量。這種電功率封閉設(shè)計(jì)，可有效節(jié)省能源降低試驗(yàn)成本。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)裝置載荷施加控制策略的設(shè)計(jì)

通過(guò)前面的分析可知，三峽升船機(jī)工作過(guò)程中船廂內(nèi)的誤載水深是在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)變量。在一個(gè)升降過(guò)程中可能是齒條輪齒的兩個(gè)齒面受載，也可能均是一個(gè)齒面受載。現(xiàn)結(jié)合試驗(yàn)過(guò)程中這種對(duì)齒條雙齒面、單齒面均能靈活加載的要求，分析試驗(yàn)裝置載荷施加的具體控制策略。

1）齒條輪齒雙齒面加載的控制策略

試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)齒輪與試驗(yàn)齒條嚙合產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)拖動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)使加載齒輪與試驗(yàn)齒條也產(chǎn)生嚙合，從而實(shí)現(xiàn)加載齒輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，完成對(duì)系統(tǒng)的加載；反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，推動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)向前運(yùn)動(dòng)，此時(shí)加載軸齒輪反轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的反向加載。通過(guò)電動(dòng)機(jī)對(duì)移動(dòng)平臺(tái)拖—推驅(qū)動(dòng)方式的變化，即可完成對(duì)三峽升船機(jī)試驗(yàn)齒條輪齒正反齒面的雙向加載。如圖3所示，分別為左側(cè)齒輪和右側(cè)齒輪是驅(qū)動(dòng)單元時(shí)的齒輪齒條受載齒面示意圖?，F(xiàn)以左側(cè)齒輪為驅(qū)動(dòng)輪對(duì)上述加載過(guò)程進(jìn)行具體的說(shuō)明，如圖3（a）所示，當(dāng)左側(cè)驅(qū)動(dòng)齒輪拖動(dòng)右側(cè)負(fù)載齒輪向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)齒輪的右齒面受力，與其嚙合的齒條輪齒左齒面受力；而右側(cè)的負(fù)載齒輪則為左齒面受力，與其嚙合的齒條輪齒的右齒面受力；如圖3（b）所示，當(dāng)左側(cè)驅(qū)動(dòng)齒輪推動(dòng)右側(cè)的負(fù)載齒輪向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)，左側(cè)齒輪左齒面受力，與其嚙合的齒條輪齒的右齒面受力；而右側(cè)的齒輪為右齒面受力，與其嚙合的齒條輪齒為左齒面受力。右側(cè)齒輪為驅(qū)動(dòng)單元時(shí)與上述加載過(guò)程相同，通過(guò)拖—推驅(qū)動(dòng)方式的改變，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)齒條輪齒正反齒面的雙向加載。

2）齒條輪齒單齒面加載的控制策略

在一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)循環(huán)周期內(nèi)，如果左側(cè)和右側(cè)齒輪在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上分別為驅(qū)動(dòng)單元，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)齒條單側(cè)齒面的加載。如圖3（a）所示，當(dāng)向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，左側(cè)齒輪為驅(qū)動(dòng)齒輪，拖動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)齒條左側(cè)嚙合輪齒左齒面的加載，對(duì)齒條右側(cè)嚙合輪齒右齒面的加載；當(dāng)向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖3（d）所示，通過(guò)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變兩個(gè)電機(jī)的功能，使右側(cè)齒輪為驅(qū)動(dòng)齒輪，也可實(shí)現(xiàn)對(duì)齒條左側(cè)嚙合輪齒左齒面、右側(cè)嚙合輪齒右齒面的加載。當(dāng)需要對(duì)左側(cè)嚙合輪齒右齒面、右側(cè)嚙合輪齒左齒面加載時(shí)，也可通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，在向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，使后面的齒輪為驅(qū)動(dòng)齒輪，推動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)齒條輪齒加載齒面的轉(zhuǎn)變，如圖3（b）和圖3（c）運(yùn)動(dòng)過(guò)程的組合。

圖3 齒條輪齒載荷的施加

從上述分析可以看出，通過(guò)拖—推、推—拖、拖—拖、推—推驅(qū)動(dòng)控制方式的組合即可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)齒條輪齒雙齒面、單齒面的自由加載。

4 齒條載荷施加方案的設(shè)計(jì)

三峽升船機(jī)工作過(guò)程中，船廂內(nèi)的誤載水深是在一定范圍內(nèi)的隨機(jī)變量，齒條上的負(fù)載應(yīng)是有一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律性的載荷譜。但由于三峽升船機(jī)尚未投入使用，缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)，無(wú)法依據(jù)實(shí)際工況驗(yàn)證齒條的疲勞強(qiáng)度。三峽升船機(jī)大模數(shù)齒條疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)載荷，是在最惡工況和最大誤載水深下計(jì)算的，是偏向于設(shè)計(jì)安全的。因此，以設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行試驗(yàn)，最能驗(yàn)證齒條設(shè)計(jì)的可靠性。現(xiàn)以設(shè)計(jì)載荷和根據(jù)疲勞損傷累積準(zhǔn)則計(jì)算的等效載荷，分別討論齒條載荷的施加數(shù)值。

1）設(shè)計(jì)載荷

三峽升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)載荷主要由誤載水深、風(fēng)載、摩擦力、加速力四部分組成[4,5]。同時(shí)，考慮到四組驅(qū)動(dòng)裝置載荷分配的不均勻性，每組齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)載荷可按下式計(jì)算：

FE為誤載水深產(chǎn)生的載荷，誤載水深≤±10cm時(shí)，≤2550kN，當(dāng)≤±5cm時(shí)，≤1330kN；

FMV為風(fēng)載，最大設(shè)計(jì)風(fēng)載FMV=±730kN；

FR為升船機(jī)運(yùn)行的總摩擦力，F(xiàn)R=1230kN；

FB為正常工況下，升船機(jī)運(yùn)行的加速力FB=355kN；

fu為載荷分配的不均勻性，fu=1.05。

三峽升船機(jī)運(yùn)行，齒條的最惡工況是在船廂上升過(guò)程中誤載水深取最大的正值、逆風(fēng)且處于加速階段，在船廂下降過(guò)程中誤載水深取最大的負(fù)值、逆風(fēng)且也處于加速階段。但在齒條的服役壽命區(qū)間內(nèi)，風(fēng)的逆風(fēng)和順風(fēng)概率是相同的，齒條的疲勞強(qiáng)度不考慮風(fēng)載的影響。因此，齒條的設(shè)計(jì)載荷為：

試驗(yàn)過(guò)程中，在一個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，兩個(gè)載荷值應(yīng)以4:1的循環(huán)次數(shù)或時(shí)間比例進(jìn)行加載，加載過(guò)程如圖4所示。

2）恒定載荷

根據(jù)疲勞損傷累積理論，兩個(gè)設(shè)計(jì)載荷值可等效為一個(gè)恒定載荷進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果與以設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果相同。依據(jù)Miner準(zhǔn)則，等效載荷計(jì)算結(jié)果如下：

(1) 對(duì)彎曲疲勞強(qiáng)度：

軸齒輪Ft1F=931.75kN

齒條Ft2F=899.73kN

(2) 對(duì)接觸疲勞強(qiáng)度：

軸齒輪Ft1H=905.06kN

齒條Ft2H=905.06kN

本試驗(yàn)對(duì)象為齒條，因此，試驗(yàn)等效載荷為Fte=Ft2H=905.06kN 確定。在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，如圖4所示，載荷大小不變。

圖4 試驗(yàn)載荷示意圖

5 結(jié)論

1）三峽升船機(jī)采用全平衡垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，船廂、船廂上的設(shè)備以及3.5m水深的重量完全由平衡重平衡，齒輪齒條上的驅(qū)動(dòng)載荷主要由誤載水深和運(yùn)行阻力構(gòu)成，與升船機(jī)設(shè)備的重量無(wú)關(guān)。

2）試驗(yàn)臺(tái)采用水平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，移動(dòng)平臺(tái)上的試驗(yàn)設(shè)備重量均由導(dǎo)軌承擔(dān)，試驗(yàn)齒條只承受由控制系統(tǒng)控制電機(jī)按預(yù)訂嚙合試驗(yàn)載荷施加的負(fù)載，水平結(jié)構(gòu)等效于升船機(jī)垂直結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)，可大大降低設(shè)備制造成本和試驗(yàn)難度。

3）試驗(yàn)臺(tái)采用可雙向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱設(shè)計(jì)，通過(guò)電機(jī)拖—推、拖—拖、推—拖、推—推驅(qū)動(dòng)控制方式的自由組合，可靈活控制齒條的加載齒面和載荷大小，電功率封閉的能量利用方式，可有效節(jié)省電能，大大降低試驗(yàn)成本。

4）齒條設(shè)計(jì)載荷是在升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的最惡工況點(diǎn)的計(jì)算載荷，在沒(méi)有齒條實(shí)際運(yùn)行載荷譜的條件下，可以以設(shè)計(jì)載荷的階梯值或其等效載荷進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果是偏向于齒條應(yīng)用安全的。

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[2]鈕新強(qiáng),覃利明,于慶奎.三峽工程齒輪齒條爬升式升船機(jī)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)工程科學(xué),2011,13(7):96-103.

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