升船机平衡重钢丝绳测量与调整装置设计

陈 林，杨 靖，邹 涛，陈 新

(长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

三峡升船机是目前世界上提升重量最大的全平衡垂直升船机，驱动机构采用齿轮齿条爬升式[1]。过船规模为3 000 t级，其主体设备主要由承船厢及船厢设备、主提升系统设备及平衡重系统三大系统组成。而钢丝绳是三大系统联系的重要环节[2-3]，因此对平衡重钢丝绳张力平衡的测量与调整研究意义重大。平衡重系统由平衡重组、滑轮组、钢丝绳、平衡链和钢丝绳调节装置等设备组成。船厢由256根φ74 mm的钢丝绳悬吊，长度为150 m左右，钢丝绳分成16组对称布置在船厢两侧，钢丝绳的一端通过调节装置与船厢主纵梁外腹板上方的吊耳连接，另一端绕过塔柱顶部机房内的平衡滑轮后，与平衡重块连接。针对三峡升船机平衡重钢丝绳直径大、重量大、长度长、绳股多等特点，提出了三峡升船机钢丝绳调节、测量方法工艺和设计出了钢丝绳调整的专用装置。

1 多股钢丝绳张力不平衡原因分析

1.1 钢丝绳悬挂长度的偏差

两条以上绳同时使用且长度相同,正是这一特点,结构伸长带来的危害更显严重。首先由于结构伸长的产生,在摩擦提升场合甚至使运行不可能进行。而在伸长产生后仍可运行的机械上,由于每条绳伸长量不等,所带来的危害更大,如升船机、钢包起重等。对于伸长量已进行一定程度的调整,且并未完全消除,但已不至于影响正常运行,则各类绳中残余的不等的结构伸长则会降低钢丝绳的使用寿命,其中伸长较短的绳负荷大,使用寿命降低,从而导致整组钢丝绳使用水平的降低。钢丝绳的结构伸长是其固有的一种特性。

在生产钢丝绳的过程中,为了保证钢丝绳的捻制质量,尽管采用了许多措施,但残余的捻制应力以及钢丝和股受力分布的不均匀性依然存在,钢绳的丝和股处在极不稳定的状态。使用受载时,均有相对滑移,其滑移量的大小将直接影响结构伸长的大小和疲劳寿命。滑移量越大结构伸长也越大,疲劳寿命就越低,捻制越不均匀和捻制越松散,其滑移量亦越大。原因是使用时,钢丝绳在强大的工作载荷作用下,钢丝和股存在很大的挤压应力,其捻制过程中张力较大的钢丝和股将先受力伸长而产生摩擦磨损,严重时会发生断丝或断股,正常情况下,该段时间较短,一般为一个多月。之后,随着钢丝绳捻制应力的消除,丝和股均达到了相对理想平衡状态。

1.2 钢丝绳力学性能偏差

由于钢丝绳材质和加工精度不可能绝对相同,所以各钢丝绳的弹性模数和断面积也不可能完全一样,因而各钢丝绳在载荷作用下,它们的弹性伸长不同,张力也不相同。虽然使用的每根钢丝绳,是在2根捻向不同的同根钢丝绳上截取的。经过长时间使用,也就是到了钢丝绳的使用末期,钢丝绳的弹性伸长部分的转变为塑性变形,更需要小心调整使用。

1.3 钢丝绳的基本参数

钢丝绳直径φ74 mm，长约150 m；钢丝标称抗拉强度1 960 N/mm2，钢丝绳最小破断拉力≥4 800 kN，弹性模量是0.9×1011N/m2，根据下式可以求得每根钢丝绳的刚度系数：

k=EA/L=2.72×106N/m

式中:E为弹性模量；A为钢丝绳横截面积；L为钢丝绳的长度。

2 钢丝绳调整量的计算

忽略n根钢丝绳之间弹性模数、绳径及摩擦衬垫机械性能的差异，则调整量计算方法如下：

悬挂长度调整量ΔLi的计算：设第i根提升钢丝绳横截面积为A，根据胡克定律可得第i根钢丝绳悬挂长度的缩短量(ΔLi<0)为:

ΔLi=K1ΔSip(0)

式中:K1为悬挂长度调整量比例系数；L为提升钢丝绳公称先挂长度；ΔSip(0)为船厢装载位置(x=0时)第i根钢丝绳张力与所有钢丝绳平均张力之差。

3 钢丝绳松紧长度测量

(1) 测量同一组平衡重钢桁架的水平度

测量方法：测量时使水平仪工作面紧贴在平衡重钢桁架表面，待气泡完全静止后方可进行读数。水平仪的分度值是以1 m为基长的倾斜值 ，如需测量长度为L的实际倾斜则可通过下式进行计算：

实际倾斜值=分度值×L×偏差格数

为避免由于水平仪零位不准引起的测量误差，因此在使用前必须对水平仪的零位进行校对或调整。

(2) 每组平衡重吊轴中心高差

激光水平仪以一根吊轴中心为基准，(记为标记点A),激光扫描到附近的一根吊轴上(记为标记点A1)，标记这根吊轴中心为A2，吊轴中心ΔA=A1-A2。

(3) 测量数据处理：①每组中同类型平衡重吊轴中心高差不大于10 mm；②钢吊篮平衡梁(平衡梁2)水平高差不大于5 mm；③钢框架上横梁缓冲与平衡重接触点每侧不少于4个；④测量的数据进行误差分析后与测量技术标准对比，从而来确定哪根(组)钢丝绳需要调整。

4 钢丝绳调节方法

(1) 在平衡重组腾空，承船厢4个驱动点调平的状态下，进行平衡重组相关技术参数测量，测量内容参见3。

(2) 选取同组平衡重块测量高度中间值，以覆盖大部分平衡重块的高度差在技术要求内，对剩余超差较大的平衡重块进行钢丝绳调整。

(3) 高于基准的平衡重块，需利用钢丝绳拉伸调节装置，将船厢侧钢丝绳进行拉紧，然后旋松花篮螺栓，旋松长度与平衡重块下落高度一致。

(4) 低于基准的平衡重块，需利用钢丝绳拉伸调节装置，将船厢侧钢丝绳进行拉紧，然后旋紧花篮螺栓，旋紧长度与平衡重块上升高度一致。

(5) 最后，根据技术要求测量相关参数。

5 调整装置选择

5.1 三峡升船机单根钢丝绳拉伸调节装置

(1) 调整装置组成：外支撑梁组，连接板，内支撑梁组，千斤顶，连接螺栓，穿销轴,钢丝绳,承船厢,连接螺栓(如图1)。

(2) 调节工艺过程： ①根据钢丝绳载重设计制作好辅助装置并选取合适的千斤顶；②将两片内、外支撑梁安装在钢丝绳上并固定形成内、外支撑梁组；并通过两连接板将外支撑梁组与承船厢连接在一起，通过穿销轴固定；③100 t千斤顶布置在外支撑梁组和内支撑梁组中间，根据钢丝绳需要调节的长度，通过调节千斤顶行程实现钢丝绳的张拉与调节。

图1 结构示意图

5.2 三峡升船机平衡重双液压缸张拉装置

(1) 使用时，1#液压油缸(100 t)和2#液压油缸(100 t)通过上销轴螺栓将横梁组铰接形成II型闭合受力结构，在吊装至平衡重钢丝绳调节锁定器上部与钢丝绳压头形成的固定端上并临时锁固定。

(2) 用横梁组将平衡重钢丝绳卡在两件平行设置的横梁之间，并与上销轴螺栓铰接。

(3) 将泵站的管路与液压油缸组连接，操作泵站使液压油缸组的活塞接口至适当位置，并通过下销轴螺栓将其与承船厢工艺孔铰接。

(4) 操作泵站使1#液压油缸和2#液压油缸联动，实现2根钢丝绳同步预张拉。

(5) 泵站也可以根据实际需要，操作1#或2#液压油缸对单根平衡重钢丝绳进行张拉来精确调整平衡重高程，待三峡升船机平衡重钢丝绳调节锁定器下端与承船厢对应孔位铰接后结束施工部位预张力(用于平衡重块高程精确调整时，平衡重高程调整满足技术要求，钢丝绳上调节锁定器跟进锁固结束调整张拉)(如图2、图3)。

图2 结构示意图

图3 A向视图

6 结 语

(1) 根据三峡升船机平衡重钢丝绳的使用特点，对提升钢丝绳张力不平衡原因进行了分析。

(2) 提出了三峡升船机平衡重钢丝绳张力平衡的测量方法。

(3) 提出了钢丝绳调整工艺方法。

(4) 设计了单根钢丝绳拉伸调节装置和双根钢丝绳液压缸调节装置。