李 明,周 維

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峽升船機(jī)為全平衡垂直升船機(jī)，采用齒輪齒條爬升式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，船廂在處于對(duì)接或者上下運(yùn)行時(shí)，不平衡的負(fù)載主要通過(guò)小齒輪→小齒輪托架→液氣彈簧機(jī)構(gòu)對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)，通過(guò)長(zhǎng)螺母-短螺桿式安全機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足平衡負(fù)載的要求。

小齒輪托架系統(tǒng)是船廂驅(qū)動(dòng)小齒輪的支承系統(tǒng)，具有傳遞小齒輪荷載、適應(yīng)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(dǎo)向機(jī)構(gòu)、位移適應(yīng)機(jī)構(gòu)和液氣彈簧機(jī)構(gòu)組成。

長(zhǎng)螺母-短螺桿式安全機(jī)構(gòu)是升船機(jī)的安全保障機(jī)構(gòu)，安裝時(shí)二者之間在上、下兩個(gè)方向均有60 mm的間隙。當(dāng)船廂全平衡狀態(tài)被破壞，造成安全機(jī)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(jī)構(gòu)的主要作用，是在船廂與閘首對(duì)接期間，承擔(dān)船廂豎直方向的附加荷載。當(dāng)豎直不平衡力超過(guò)鎖定機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)荷載時(shí)，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(yùn)動(dòng)，直至安全機(jī)構(gòu)螺紋間隙消失，船廂不平衡力由安全機(jī)構(gòu)承擔(dān)。

小齒輪受力由安裝在液氣彈簧底部銷(xiāo)軸上的傳感器監(jiān)測(cè)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)小齒輪荷載超過(guò)1 560 kN時(shí)，監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)小齒輪荷載超過(guò)1 580 kN時(shí)，主拖動(dòng)系統(tǒng)電氣制動(dòng)；當(dāng)小齒輪荷載達(dá)到1 650 kN時(shí)，液氣彈簧動(dòng)作，當(dāng)安全機(jī)構(gòu)螺紋間隙消失時(shí)，小齒輪荷載為2 200 kN。

1 研究背景條件下的機(jī)構(gòu)動(dòng)作

設(shè)定的背景條件為：船廂處于對(duì)接狀態(tài)時(shí)，單個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)鎖定機(jī)構(gòu)上鎖定塊無(wú)法保壓，船廂偏輕、水深偏淺。

由上述的機(jī)構(gòu)原理，結(jié)合鎖定機(jī)構(gòu)和液氣彈簧的液壓回路設(shè)計(jì)特點(diǎn)[1-3]，鎖定機(jī)構(gòu)上鎖定塊會(huì)出現(xiàn)行程退讓?zhuān)诉^(guò)程中小齒輪的受力發(fā)生了變化。船廂鎖定機(jī)構(gòu)油缸行程與機(jī)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(jī)構(gòu)上螺紋面與塔柱螺母接觸，液氣彈簧上極限位。當(dāng)偏載水深達(dá)到一定數(shù)值，最終狀態(tài)下會(huì)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(jì)算

2.1 小齒輪受力分析

由設(shè)定條件下機(jī)構(gòu)的動(dòng)作變化過(guò)程，鎖定機(jī)構(gòu)上鎖定塊在對(duì)接期間出現(xiàn)了退讓?zhuān)↓X輪的受力發(fā)生了變化。

鎖定機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)，小齒輪只有與齒條嚙合的殘余荷載F余；鎖定機(jī)構(gòu)無(wú)法正常保壓，出現(xiàn)連續(xù)行程退讓時(shí)，小齒輪受船廂不平衡偏載F偏載，在本次故障狀態(tài)下，當(dāng)鎖定機(jī)構(gòu)出現(xiàn)退讓導(dǎo)致鎖定信號(hào)丟失后，再次執(zhí)行鎖定動(dòng)作，此時(shí)只有下鎖定塊動(dòng)作，上鎖定塊未發(fā)生動(dòng)作。液氣彈簧充壓時(shí)，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(jī)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(duì)鎖定機(jī)構(gòu)受力影響

船廂水平時(shí)，鎖定機(jī)構(gòu)承受±0.6 m內(nèi)的偏載水深，各點(diǎn)受力均衡，但當(dāng)船廂處于傾斜狀態(tài)時(shí)，船廂各點(diǎn)受力分布產(chǎn)生了不均衡，此狀態(tài)下，船廂偏輕時(shí)4#驅(qū)動(dòng)點(diǎn)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(dāng)4#點(diǎn)鎖定機(jī)構(gòu)向上傾斜Δh時(shí)，有：

(1)

式中：h1為船廂水平時(shí)的水深；h2為船廂傾斜時(shí)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(dòng)點(diǎn)鎖定機(jī)構(gòu)的的受力偏載為：

(3)

式中：ΔV為單個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)水域體積變化；l1、l2為船廂水域的長(zhǎng)、寬。

船廂傾斜Δh時(shí)，4#驅(qū)動(dòng)點(diǎn)鎖定機(jī)構(gòu)的的受力偏載為：

(4)

船廂處于對(duì)接狀態(tài)時(shí)，對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)承受全部的不平衡負(fù)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(jì)算出水深造成的不平衡負(fù)載F偏載為989.604 kN;根據(jù)式(6)計(jì)算出產(chǎn)生的受力差值ΔF為36.965 kN；根據(jù)式(7)計(jì)算出對(duì)鎖定機(jī)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(jī)構(gòu)鎖定塊內(nèi)徑；d為鎖定機(jī)構(gòu)中心桿外徑。

由此可見(jiàn)，船廂傾斜導(dǎo)致其受力不均衡對(duì)鎖定機(jī)構(gòu)受力產(chǎn)生了影響，有理論上的區(qū)別，會(huì)影響鎖定機(jī)構(gòu)的承載安全系數(shù)。因此，平時(shí)運(yùn)行中船廂的不水平也會(huì)對(duì)鎖定機(jī)構(gòu)和液氣彈簧受力造成影響，但影響不大。

2.3 鎖定機(jī)構(gòu)失效時(shí)小齒輪受力計(jì)算

依據(jù)小齒輪托架的四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[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(dòng)作原理，根據(jù)式(8)計(jì)算出充壓過(guò)程對(duì)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(duì)接狀態(tài)時(shí)，由于船廂側(cè)偏輕，液氣彈簧充壓過(guò)程中小齒輪上齒面與齒條下齒面接觸嚙合，充壓過(guò)程產(chǎn)生的液壓力與船廂偏載產(chǎn)生不平衡負(fù)載，對(duì)小齒輪施力方向一致，不考慮安全機(jī)構(gòu)與螺母柱間隙消失后承擔(dān)部分負(fù)載的情況下，根據(jù)式(9)計(jì)算出小齒輪所受合力最大值為2 677.668 kN。

(9)

此實(shí)際工況下，船廂出現(xiàn)了垂直方向上的行程退讓?zhuān)馨踩珯C(jī)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(dá)到最大值，部分負(fù)載由安全機(jī)構(gòu)承擔(dān)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

對(duì)設(shè)定條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作與分析一致，試驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)到的液氣彈簧底部銷(xiāo)軸受力如圖2所示，根據(jù)小齒輪托架的受力特點(diǎn)可知，小齒輪的受力最大值Fmax≈2 100 kN(為液氣彈簧底部銷(xiāo)軸受力的2倍關(guān)系)，與計(jì)算值基本吻合。由安全機(jī)構(gòu)承擔(dān)的部分負(fù)載F安≈577.668 kN。

圖2 液氣彈簧底部銷(xiāo)軸受力變化

4 結(jié)論

1)鎖定機(jī)構(gòu)的保壓性能失效會(huì)引起船廂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力變化，導(dǎo)致連鎖的機(jī)構(gòu)動(dòng)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(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，以免造成嚴(yán)重后果。

2)當(dāng)船廂發(fā)生偏斜時(shí)，由于4#點(diǎn)的上移，將導(dǎo)致4#點(diǎn)區(qū)域水深偏載比初始值大，會(huì)逐漸增加，直至安全機(jī)構(gòu)動(dòng)作。單個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)允許的水深偏載荷載應(yīng)該按船廂上、下偏移60 mm計(jì)算，即以船廂1#～4#驅(qū)動(dòng)點(diǎn)為整體計(jì)算鎖定機(jī)構(gòu)的動(dòng)作偏載水深，與以單個(gè)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)計(jì)算單點(diǎn)鎖定機(jī)構(gòu)的動(dòng)作偏載水深是不一樣的，計(jì)算值有理論上的差別，所以船廂傾斜時(shí)，對(duì)鎖定機(jī)構(gòu)動(dòng)作的允許偏載水深是有影響的，但計(jì)算結(jié)果顯示此影響較小。