三峡升船机大模数齿条试验装置载荷施加与控制策略研究

2014-10-10李纪强刘忠明张和平李权才

制造业自动化 2014年15期

李纪强，刘忠明，张和平，李权才,2

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

（1. 郑州机械研究所研发中心，郑州 450052；2.华北水利水电学院，郑州 450011）

0 引言

三峡升船机是长江三峡客轮的快速过坝通道，与双线五级船闸联合运行可大大提高枢纽的航运通过能力。三峡升船机设计过船规模达3000t级，最大提升高度113m，具有提升高度大、提升重量大、上游通航水位变幅大和下游水位变化速率快等特点，是世界上目前规模最大和技术难度最高的升船机[1,2]。三峡升船机的承船厢由4套开式齿轮机构驱动，沿铺设在混凝土塔柱墙壁上的4组齿条垂直升降，齿条的设计寿命为35年，每天上下18次，每年工作335天，总循环次数达4.22×105次，具有运行运行苛刻、加工精度要求高、更换困难等特点，是三峡升船机的关键构件之一。齿条采用分节制造安装的组合设计，模数高达62.667mm，齿部宽810mm，单节长4705mm，材料为G35CrNiMo6，采用铸件毛坯+齿部感应淬火的热处理工艺。目前国内外缺乏此类齿条的试验数据积累和试验方法研究，也没有现成的试验装置能够对三峡升船机升降系统的大模数、大尺寸的齿条进行性能试验及质量评价[3]，因此，开展三峡升船机大型齿条的可靠性质量评定及测试是非常必要的，这也将填补我国大型齿条试验既无试验装备也无试验方法的空白。

通过对三峡升船机工作原理和设计结构的分析，确定了试验台采用水平对称结构设计的合理性和可行性。根据三峡升船机齿条载荷随机变化的运行工况，设计了试验台的加载控制模式，并确定了载荷施加的可行方案，保证了试验结果的可信性，从而为三峡升船机大模数齿条的应用，提供了有力的判据。

1 三峡升船机运行工况及齿条啮合载荷分析

三峡升船机采用齿轮齿条爬升式全平衡垂直结构设计，理论上船厢端与平衡重重量相等，升船机工作时，齿轮齿条驱动装置只需施加很小的用于克服运行阻力的载荷，就能实现船厢的升降运动。但实际应用中，由于误载水深的存在，在每次升降过程中驱动载荷是一个变化的值。现结合运行过程中可能出现的各种情况，分析齿条的实际工况。

1）船厢上升过程中的工作模式

当船厢向上运动时，如果存在正值误载水深，船厢端重量大于平衡重的重量，齿条对与船厢一体的轴齿轮就要施加一个向上的力，用于克服不平衡量和运力阻力（摩擦力、加速力等）以推动船厢上升，此时，由作用力与反作用力的关系可知，齿条的上齿面承受一个向下的载荷，如图1（a）所示，此时电机处于驱动模式；如果存在着较小的负值误载水深，平衡重与船厢端之间的不平衡重力仍不足以克服其他运行阻力，齿条的上齿面仍将承受一个向下的载荷，电机也仍处于驱动模式；如果存在着较大的负值误载水深，平衡重将大于船厢重力与其他运行阻力之和，当船厢向上运动时，平衡重会通过钢丝绳拉着船厢端共同加速运动，为实现船厢的均速和减速运动，如图1（b）所示，齿条需对轴齿轮施加一个向下的力，齿条的下齿面将承受一个向上的载荷，此时电机处于制动模式。

2）船厢下降过程中的工作模式

当船厢向下运动时，如果存在着较大的正值误载水深，此时，由于船厢端重量大于平衡重重力与其他运行阻力之和，船厢端将会通过钢丝绳拉着平衡重共同加速运动，为实现船厢的均速和减速运动，如图1（c）所示，此时齿条对轴齿轮需施加一个向上的力，齿条的上齿面承受一个向下的载荷，电机处于制动模式；如果存在着负值误载水深，平衡重将大于船厢端的重力，当船厢向下运动时，此时齿条需对轴齿轮施加一个向下的力，齿条的下齿面承受一个向上的载荷，如图1（d）所示，此时电机处于驱动模式；如果存在着较小的正值误载水深，当船厢端与平衡重之间的不平衡重力不足以克服其他运行阻力时，齿条的下齿面仍将承受一个向上的载荷，电机也仍处于驱动模式。

图1 三峡升船机工作模式分析简图

从上述分析可知，在相同的上升或下降过程中，电机的工作模式和齿轮齿条的受力齿面也不一定相同。这主要取决于误载水深具体数值的大小。但在实际的应用中，考虑到电机工作方式的有利和运行的安全，应尽量使电机处于驱动模式，此时，在船厢上升的过程中，应调节误载水深使其避免出现大的负值偏差，在船厢下降的过程中，避免出现大的正值偏差。表1为各在种误载水深下，三峡升船机齿轮齿条受力齿面和电机工作模式的汇总。

2 齿条试验装置的结构设计

如图2所示，为采用水平结构设计的双向往复运动功率全封闭齿条试验台，主要由固定平台（基础平台）、移动平台、直线导轨、电动机/发电机、齿轮箱（减速器/增速器）、驱动齿轮/加载齿轮、被测试齿条以及相关的测控系统等构成。试验齿条和直线导轨通过螺栓安装于固定平台上，其他构件如电动机/发电机、齿轮箱、驱动齿轮/加载齿轮等均安装在移动平台上，移动平台安装在4条滑动导轨上，所有设备重量均由导轨承担，试验齿条不承受设备自身的重量，只承受由控制系统控制电机按预订啮合载荷施加的负载。三峡升船机采用全平衡垂直结构设计，船厢端与平衡重完全平衡，所有重量均有塔柱承载，升船机上所有设备的重力也不对齿轮齿条驱动装置产生额外的负载要求。因此，在结构设计上，试验台水平结构与三峡升船机全平衡垂直结构的设计是等效的，附属设备均不会对齿条的啮合载荷产生影响。同时，试验台采用水平结构设计，可大大降低设备成本和试验难度。

表1 各种工况下三峡升船机齿轮、齿条受力齿面和电机工作模式

另外，三峡升船机齿条试验台采用对称功率全封闭设计，由测控系统控制，可实现电动机/发电机、减速器/增速器、驱动齿轮/加载齿轮功能的互换，改变移动平台的运动方向和速度大小以及齿轮齿条的啮合齿面和载荷大小，从而模拟三峡升船机运行过程中的齿条受力。运行过程中，加载电机（发电机）产生的电能可回馈到试验用局部电网中，再次供给驱动电机（电动机），外部电网只需对试验系统补充摩擦等运行阻力所消耗的能量。这种电功率封闭设计，可有效节省能源降低试验成本。

图2 试验台机械系统结构图

3 试验装置载荷施加控制策略的设计

通过前面的分析可知，三峡升船机工作过程中船厢内的误载水深是在一定范围内的随机变量。在一个升降过程中可能是齿条轮齿的两个齿面受载，也可能均是一个齿面受载。现结合试验过程中这种对齿条双齿面、单齿面均能灵活加载的要求，分析试验装置载荷施加的具体控制策略。

1）齿条轮齿双齿面加载的控制策略

试验台工作时，电动机拖动驱动齿轮转动，驱动齿轮与试验齿条啮合产生的相对运动拖动移动平台移动，移动平台的运动使加载齿轮与试验齿条也产生啮合，从而实现加载齿轮带动发电机工作，完成对系统的加载；反方向运动时，电动机反转，推动移动平台向前运动，此时加载轴齿轮反转带动发电机工作，实现系统的反向加载。通过电动机对移动平台拖—推驱动方式的变化，即可完成对三峡升船机试验齿条轮齿正反齿面的双向加载。如图3所示，分别为左侧齿轮和右侧齿轮是驱动单元时的齿轮齿条受载齿面示意图。现以左侧齿轮为驱动轮对上述加载过程进行具体的说明，如图3（a）所示，当左侧驱动齿轮拖动右侧负载齿轮向左运动时，左侧齿轮的右齿面受力，与其啮合的齿条轮齿左齿面受力；而右侧的负载齿轮则为左齿面受力，与其啮合的齿条轮齿的右齿面受力；如图3（b）所示，当左侧驱动齿轮推动右侧的负载齿轮向右运动时，此时，左侧齿轮左齿面受力，与其啮合的齿条轮齿的右齿面受力；而右侧的齿轮为右齿面受力，与其啮合的齿条轮齿为左齿面受力。右侧齿轮为驱动单元时与上述加载过程相同，通过拖—推驱动方式的改变，即可实现对齿条轮齿正反齿面的双向加载。

2）齿条轮齿单齿面加载的控制策略

在一个往复运动循环周期内，如果左侧和右侧齿轮在两个运动方向上分别为驱动单元，即可实现对齿条单侧齿面的加载。如图3（a）所示，当向左运动时，左侧齿轮为驱动齿轮，拖动移动平台运动，可实现对齿条左侧啮合轮齿左齿面的加载，对齿条右侧啮合轮齿右齿面的加载；当向右运动时，如图3（d）所示，通过控制系统转变两个电机的功能，使右侧齿轮为驱动齿轮，也可实现对齿条左侧啮合轮齿左齿面、右侧啮合轮齿右齿面的加载。当需要对左侧啮合轮齿右齿面、右侧啮合轮齿左齿面加载时，也可通过控制系统进行调整，在向一个方向运动时，使后面的齿轮为驱动齿轮，推动移动平台运动，即可实现齿条轮齿加载齿面的转变，如图3（b）和图3（c）运动过程的组合。

图3 齿条轮齿载荷的施加

从上述分析可以看出，通过拖—推、推—拖、拖—拖、推—推驱动控制方式的组合即可实现对试验齿条轮齿双齿面、单齿面的自由加载。

4 齿条载荷施加方案的设计

三峡升船机工作过程中，船厢内的误载水深是在一定范围内的随机变量，齿条上的负载应是有一定统计规律性的载荷谱。但由于三峡升船机尚未投入使用，缺乏相应的数据，无法依据实际工况验证齿条的疲劳强度。三峡升船机大模数齿条疲劳强度的设计载荷，是在最恶工况和最大误载水深下计算的，是偏向于设计安全的。因此，以设计载荷进行试验，最能验证齿条设计的可靠性。现以设计载荷和根据疲劳损伤累积准则计算的等效载荷，分别讨论齿条载荷的施加数值。

1）设计载荷

三峡升船机运行过程中，齿轮齿条的驱动载荷主要由误载水深、风载、摩擦力、加速力四部分组成[4,5]。同时，考虑到四组驱动装置载荷分配的不均匀性，每组齿轮齿条的驱动载荷可按下式计算：