三峡升船机锁定机构单点保压失效时小齿轮受力变化

李 明,周 维

(长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002)

三峡升船机为全平衡垂直升船机，采用齿轮齿条爬升式驱动机构，船厢在处于对接或者上下运行时，不平衡的负载主要通过小齿轮→小齿轮托架→液气弹簧机构对接锁定机构，通过长螺母-短螺杆式安全机构满足平衡负载的要求。

小齿轮托架系统是船厢驱动小齿轮的支承系统，具有传递小齿轮荷载、适应塔柱和船厢变形从而保持小齿轮与齿条精确啮合、限制小齿轮荷载等功能。小齿轮托架系统由小齿轮轴、支承及导向机构、位移适应机构和液气弹簧机构组成。

长螺母-短螺杆式安全机构是升船机的安全保障机构，安装时二者之间在上、下两个方向均有60 mm的间隙。当船厢全平衡状态被破坏，造成安全机构螺纹副间隙变小，直至间隙完全消失，船厢的不平衡荷载经螺杆传递到螺母柱上。

船厢锁定机构的主要作用，是在船厢与闸首对接期间，承担船厢竖直方向的附加荷载。当竖直不平衡力超过锁定机构的设计荷载时，锁定块承载油腔油液溢流，船厢将在不平衡力作用下产生竖向运动，直至安全机构螺纹间隙消失，船厢不平衡力由安全机构承担。

小齿轮受力由安装在液气弹簧底部销轴上的传感器监测，当驱动机构小齿轮荷载超过1 560 kN时，监测和控制系统发出警报；当驱动机构小齿轮荷载超过1 580 kN时，主拖动系统电气制动；当小齿轮荷载达到1 650 kN时，液气弹簧动作，当安全机构螺纹间隙消失时，小齿轮荷载为2 200 kN。

1 研究背景条件下的机构动作

设定的背景条件为：船厢处于对接状态时，单个驱动点锁定机构上锁定块无法保压，船厢偏轻、水深偏浅。

由上述的机构原理，结合锁定机构和液气弹簧的液压回路设计特点[1-3]，锁定机构上锁定块会出现行程退让，此过程中小齿轮的受力发生了变化。船厢锁定机构油缸行程与机构最终状态为：上锁定块完全缩回到位，下锁定块伸出到位，安全机构上螺纹面与塔柱螺母接触，液气弹簧上极限位。当偏载水深达到一定数值，最终状态下会引起液气弹簧上极限位、小齿轮受力超限，出现船厢倾斜。

2 受力分析与计算

2.1 小齿轮受力分析

由设定条件下机构的动作变化过程，锁定机构上锁定块在对接期间出现了退让，小齿轮的受力发生了变化。

锁定机构正常工作时，小齿轮只有与齿条啮合的残余荷载F余；锁定机构无法正常保压，出现连续行程退让时，小齿轮受船厢不平衡偏载F偏载，在本次故障状态下，当锁定机构出现退让导致锁定信号丢失后，再次执行锁定动作，此时只有下锁定块动作，上锁定块未发生动作。液气弹簧充压时，小齿轮受船厢不平衡偏载F偏载和液压力F液的合力F合作用。

研究设定条件下的相关参数为：液气弹簧油缸的内径为320 mm，活塞杆外径为200 mm，工作行程440 mm；锁定机构油缸内径为580 mm，活塞杆外径为320 mm，工作行程148 mm；船厢内水深一侧为3.366 m，另一侧为3.341 m。

2.2 船厢倾斜状态下水深偏载对锁定机构受力影响

船厢水平时，锁定机构承受±0.6 m内的偏载水深，各点受力均衡，但当船厢处于倾斜状态时，船厢各点受力分布产生了不均衡，此状态下，船厢偏轻时4#驱动点发生了倾斜，如图1所示。

图1 船厢内水体示意

由于船厢总体水量f(x,y,h)不变，当4#点锁定机构向上倾斜Δh时，有：

(1)

式中：h1为船厢水平时的水深；h2为船厢倾斜时的最大水深。h2与h1关系为：

h2=h1+0.635Δh

(2)

船厢水平状态下，4#驱动点锁定机构的的受力偏载为：

(3)

式中：ΔV为单个驱动点水域体积变化；l1、l2为船厢水域的长、宽。

船厢倾斜Δh时，4#驱动点锁定机构的的受力偏载为：

(4)

船厢处于对接状态时，对接锁定机构承受全部的不平衡负载，此次船厢倾斜状态下，Δh=0.06 m，依据船厢水深数据，根据式(5)计算出水深造成的不平衡负载F偏载为989.604 kN;根据式(6)计算出产生的受力差值ΔF为36.965 kN；根据式(7)计算出对锁定机构产生的压力差ΔP[4]为0.201 MPa。

F偏载=ρΔVg4

(5)

ΔF=F1-F2=616.077×103Δh

(6)

(7)

式中：D为锁定机构锁定块内径；d为锁定机构中心杆外径。

由此可见，船厢倾斜导致其受力不均衡对锁定机构受力产生了影响，有理论上的区别，会影响锁定机构的承载安全系数。因此，平时运行中船厢的不水平也会对锁定机构和液气弹簧受力造成影响，但影响不大。

2.3 锁定机构失效时小齿轮受力计算

依据小齿轮托架的四连杆机构设计[5]，液气弹簧与小齿轮受力约为1:2的关系，根据液气弹簧动作原理，根据式(8)计算出充压过程对小齿轮产生的液压力F液为1 688.064 kN。

(8)

式中：D为液气弹簧油缸内径；d为液气弹簧油缸活塞杆外径；P为已设定的压力值，取10.5 MPa。

处于下游对接状态时，由于船厢侧偏轻，液气弹簧充压过程中小齿轮上齿面与齿条下齿面接触啮合，充压过程产生的液压力与船厢偏载产生不平衡负载，对小齿轮施力方向一致，不考虑安全机构与螺母柱间隙消失后承担部分负载的情况下，根据式(9)计算出小齿轮所受合力最大值为2 677.668 kN。

(9)

此实际工况下，船厢出现了垂直方向上的行程退让，受安全机构旋转螺杆与螺母柱螺牙间隙的影响，小齿轮所受荷载未能达到最大值，部分负载由安全机构承担。

3 试验数据验证

对设定条件下的试验数据进行验证，驱动机构动作与分析一致，试验过程中检测到的液气弹簧底部销轴受力如图2所示，根据小齿轮托架的受力特点可知，小齿轮的受力最大值Fmax≈2 100 kN(为液气弹簧底部销轴受力的2倍关系)，与计算值基本吻合。由安全机构承担的部分负载F安≈577.668 kN。

图2 液气弹簧底部销轴受力变化

4 结论

1)锁定机构的保压性能失效会引起船厢驱动机构的受力变化，导致连锁的机构动作，如船厢的倾斜、小齿轮的受力超限、液气弹簧的极限位等，因此需要及时发现、及时处理，以免造成严重后果。

2)当船厢发生偏斜时，由于4#点的上移，将导致4#点区域水深偏载比初始值大，会逐渐增加，直至安全机构动作。单个驱动点允许的水深偏载荷载应该按船厢上、下偏移60 mm计算，即以船厢1#～4#驱动点为整体计算锁定机构的动作偏载水深，与以单个驱动点计算单点锁定机构的动作偏载水深是不一样的，计算值有理论上的差别，所以船厢倾斜时，对锁定机构动作的允许偏载水深是有影响的，但计算结果显示此影响较小。