摘要：升船機平衡鏈導(dǎo)向輪成本昂貴，數(shù)量巨多，更換經(jīng)濟成本高，且對其維護時需要船廂進行配合，會影響升船機正常通航運行。以三峽升船機平衡鏈導(dǎo)向輪為研究對象，分析了導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻原因，對平衡鏈局部結(jié)構(gòu)進行三維建模和ADAMS動力學(xué)仿真。由仿真得到了導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置的接觸力參數(shù)，繼而提出了3種導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻解決方案，分別是在隔環(huán)上安裝螺紋圓柱銷、減小導(dǎo)向輪厚度以及導(dǎo)向輪更換青銅軸套。將后兩種方案用于現(xiàn)場改造，改造完成后導(dǎo)向輪運行效果較好。相關(guān)經(jīng)驗可供類似升船機工程的設(shè)備檢修工作借鑒。

關(guān) 鍵 詞：平衡鏈；導(dǎo)向輪；動力學(xué)仿真；三峽升船機

中圖法分類號：U642.8 文獻標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.044

0 引言

三峽升船機平衡重系統(tǒng)由平衡重組、滑輪組、鋼絲繩、鋼絲繩調(diào)節(jié)裝置、平衡鏈（圖1）及其導(dǎo)向裝置等設(shè)備組成。平衡鏈懸掛在平衡重組下方，另一端與船廂主縱梁的腹板連接，其結(jié)構(gòu)采用鏈板型式，包含銷軸^［1］、鏈板^［2］、隔環(huán)^［3］、導(dǎo)向輪^［4］、端板^［5］等零件。

在日常維護檢查中，發(fā)現(xiàn)平衡鏈導(dǎo)向輪出現(xiàn)無法轉(zhuǎn)動的卡阻現(xiàn)象，帶來以下問題：①平衡鏈導(dǎo)向輪在導(dǎo)向裝置上劇烈摩擦，造成導(dǎo)向輪表面磨損速度加快，其使用壽命大大降低；②平衡鏈導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置的摩擦帶來明顯的振動和噪音，運維人員在塔柱內(nèi)部可明顯感知，對生產(chǎn)運行產(chǎn)生干擾。

在升船機平衡鏈定期維護過程中，平衡鏈導(dǎo)向輪數(shù)量巨大，成本昂貴，更換經(jīng)濟成本高，并且需要船廂進行配合，會影響升船機正常通航運行。因此，平衡鏈導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻已成為當(dāng)前亟待解決的重要問題。

1 導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻原因分析

平衡鏈的銷軸安裝在鏈板兩端，導(dǎo)向輪安裝在銷軸兩端。在船廂上下行的過程中，平衡鏈會整體發(fā)生擺動、自扭現(xiàn)象，導(dǎo)向輪會在位于塔柱側(cè)壁的導(dǎo)向裝置內(nèi)來回運動從而產(chǎn)生振動。該復(fù)雜工況使平衡鏈的銷軸產(chǎn)生軸向力，使銷軸有相對鏈板的運動趨勢，在鏈板中竄動。當(dāng)導(dǎo)向輪受到兩側(cè)零件的擠壓時，其轉(zhuǎn)動過程受到的阻力也會增加，從而出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。

2 仿真分析與結(jié)構(gòu)調(diào)整方法

2.1 導(dǎo)向輪動力學(xué)計算

以單個導(dǎo)向輪為分析對象，根據(jù)導(dǎo)向輪工作情況，可以計算導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)矩方程。導(dǎo)向輪在轉(zhuǎn)動過程中，其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩大于摩擦力矩，導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置的摩擦是其旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力的主要來源，其力臂是一個固定值，為導(dǎo)向輪的半徑。摩擦力矩來源有兩個：①導(dǎo)向輪兩側(cè)的端板和隔環(huán)軸向壓力產(chǎn)生；②導(dǎo)向輪與銷軸之間的軸套摩擦產(chǎn)生。為保證導(dǎo)向輪能夠順利旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩需不小于摩擦阻力力矩。力平衡時，導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)矩方程如下：

F_lμ_lr_l=∫^r_grzF_gμ_grdr+∫^r_drzF_dμ_drdr+F_zμ_zr_z（1）

式中：F_l為導(dǎo)向裝置對導(dǎo)向輪的驅(qū)動力，N；F_g，F(xiàn)_d和F_z分別是軸套、端板和軸套對導(dǎo)向輪的壓力，N；μ_l為導(dǎo)向輪和導(dǎo)向裝置摩擦系數(shù)；μ_g，μ_d和μ_z分別是導(dǎo)向輪和隔環(huán)，導(dǎo)向輪和端板、導(dǎo)向輪和銷軸之間的摩擦系數(shù)；r_l為導(dǎo)向輪半徑，mm；r_z，r_g和r_d分別為銷軸、隔環(huán)、端板的半徑，mm。

2.2 導(dǎo)向輪動力學(xué)仿真分析

利用CREO軟件建立平衡鏈局部結(jié)構(gòu)的三維模型（圖2），將模型導(dǎo)入ADAMS多體動力學(xué)仿真軟件，模擬升船機升起時平衡鏈底部的運動過程。

對平衡鏈結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向輪、導(dǎo)向裝置賦予材料密度屬性。鏈板與銷軸、銷軸與導(dǎo)向輪之間設(shè)置旋轉(zhuǎn)副，內(nèi)外側(cè)導(dǎo)向裝置與地面設(shè)置固定副。導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置之間設(shè)置接觸約束，設(shè)置摩擦系數(shù)為0.15。船廂升起時，船廂下方平衡鏈上升，平衡重井的平衡鏈下降。兩端銷軸設(shè)置驅(qū)動，船廂側(cè)端部平衡鏈以0.2 m/s的速度上升，另一側(cè)平衡鏈以相同速度下降。仿真時間設(shè)置為50 s，仿真步數(shù)5 000步。通過分析運動碰撞過程，可提取其中一個導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置的接觸力。

仿真結(jié)果顯示：水平方向最大接觸力為23 789 N，豎直方向最大接觸力為4 400 N。

2.3 導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)調(diào)整方法

導(dǎo)向輪優(yōu)化方案從調(diào)整驅(qū)動力矩和摩擦力矩兩個方面進行考慮。在增加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩方面，主要增加導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置接觸壓力、接觸表面摩擦系數(shù)以及導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)力臂；在降低摩擦阻力力矩方面，主要降低導(dǎo)向輪兩側(cè)摩擦力矩和導(dǎo)向輪軸套摩擦力矩，能夠調(diào)整的參數(shù)分別是隔環(huán)軸向躥動產(chǎn)生的軸向力，隔環(huán)、導(dǎo)向輪、端板之間的接觸面積，隔環(huán)、導(dǎo)向輪、端板接觸面的摩擦系數(shù)，導(dǎo)向輪內(nèi)部軸套與銷軸的摩擦系數(shù)。將分析原因匯總，可以得到導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻原因和解決方法，見表1。

3 導(dǎo)向輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案研究

通過導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻因素分析和現(xiàn)場情況檢查，擬采用以下4種方式解決：①減小隔環(huán)帶來的軸向力，②減小隔環(huán)、導(dǎo)向輪、端板接觸面的摩擦系數(shù)，③減小隔環(huán)、導(dǎo)向輪、端板接觸力臂，④減小導(dǎo)向輪軸套與銷軸間的摩擦系數(shù)。根據(jù)導(dǎo)向輪設(shè)備運行情況，提出以下3種方案：①限位銷固定隔環(huán)；②調(diào)整導(dǎo)向輪厚度；③更換導(dǎo)向輪軸套。

3.1 限位銷固定隔環(huán)方案

隔環(huán)和導(dǎo)向輪在軸向上通過兩側(cè)鏈板和端板進行定位，鏈板和端板產(chǎn)生的輕微形變會擠壓隔環(huán)和導(dǎo)向輪，使得隔環(huán)和導(dǎo)向輪承受軸向壓力。通過固定導(dǎo)向輪兩側(cè)零件的軸向位移，便能使導(dǎo)向輪受到的軸向壓力大幅減小，維持導(dǎo)向輪可持續(xù)轉(zhuǎn)動。

針對隔環(huán)在中間軸上的位移，通過在隔環(huán)上與銷軸配鉆銷孔，每個隔環(huán)徑向均布3個螺紋圓柱銷（圖3），螺紋圓柱銷使隔環(huán)相對鏈板固定，平衡導(dǎo)向輪的軸向力。由于隔環(huán)數(shù)量多，加工時間長，施工難度較大，圓柱銷較長時間后會產(chǎn)生松動隱患。

3.2 調(diào)整導(dǎo)向輪厚度方案

目前導(dǎo)向輪和隔環(huán)之間沒有間隙，導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)過程中受到摩擦力的影響較大，容易產(chǎn)生卡阻。因此，考慮增加導(dǎo)向輪和隔環(huán)之間的間隙。改變導(dǎo)向輪的厚度，將導(dǎo)向輪厚度減薄5 mm，確保導(dǎo)向滾輪與隔環(huán)間具有足夠間隙（圖4）。當(dāng)鏈板產(chǎn)生輕微軸向位移時，隔環(huán)不會將鏈板帶來的軸向力傳遞到導(dǎo)向輪上，導(dǎo)向輪可以保持側(cè)面的低摩擦狀態(tài)。

3.3 更換導(dǎo)向輪軸套方案

導(dǎo)向輪現(xiàn)有軸套為尼龍材質(zhì)，其強度較低，在平衡鏈工況下出現(xiàn)了變形甚至破損的情況，難以滿足導(dǎo)向輪工作環(huán)境。將導(dǎo)向輪原尼龍軸套更改為青銅軸套（圖5），加強軸套結(jié)構(gòu)強度，使導(dǎo)向輪不會因為變形產(chǎn)生卡阻。青銅軸套配有石墨潤滑材料，石墨在軸套內(nèi)圈呈散點狀均勻分布，導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)過程會帶動石墨材料擴散到軸套內(nèi)圈上，減小軸套與中心軸的摩擦，達到自潤滑的效果。

限位銷固定隔環(huán)方案需對隔環(huán)進行加工鉆孔，一定程度上會改變原有結(jié)構(gòu)，圓柱限位銷存在松動隱患。調(diào)整導(dǎo)向輪厚度需重新更換原導(dǎo)向輪，成本較高，可在導(dǎo)向輪使用壽命到期時批量更換。更換導(dǎo)向輪軸套與更換導(dǎo)向輪不存在沖突，可在更換導(dǎo)向輪時同步更換尼龍軸套，因此采用減薄導(dǎo)向輪厚度方案和更換導(dǎo)向輪軸套方案。

4 導(dǎo)向輪優(yōu)化效果

2023年8月，三峽升船機開展計劃性停航檢修，更換平衡重平衡鏈部分導(dǎo)向輪，更換區(qū)域位于導(dǎo)向輪與船廂連接下方10 m處。檢修期間更換了平衡鏈北1號、北8號、南1號、南8號共4組平衡鏈66～72 m高程的導(dǎo)向輪，每組更換20個。更換后的導(dǎo)向輪升船機在后續(xù)運行過程中旋轉(zhuǎn)正常（圖6），無卡阻和異響現(xiàn)象發(fā)生。

5 結(jié)語

通過分析導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻及異響原因，對平衡鏈局部結(jié)構(gòu)進行三維建模和動力學(xué)仿真，得到導(dǎo)向輪與導(dǎo)向裝置的接觸力參數(shù)，并提出了3種導(dǎo)向輪卡阻解決方案，分別是在隔環(huán)上安裝螺紋圓柱銷、減小導(dǎo)向輪厚度以及更換青銅軸套，并將后兩種方案用于現(xiàn)場改造，導(dǎo)向輪實際運行效果較好。同時，導(dǎo)向輪旋轉(zhuǎn)卡阻現(xiàn)象與升船機通航運行頻率相關(guān)，需要長期觀察才能檢驗效果，后續(xù)將針對平衡鏈導(dǎo)向輪運轉(zhuǎn)情況開展定期檢查。

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（編輯：胡旭東）