沙沱升船机同步轴系统设计研究

王敏 金龙 李宜燃

摘要：提出了一种新型的适应升船机同步轴系统水平方向变位和角度偏差方法，并成功应用于沙沱升船机，对沙沱升船机同步轴系统的主要部件进行了校核，满足了设计的要求，运行效果良好，为今年升船机设计提供了参考。

关键词：升船机;同步轴系统;校核;联轴器;花键

0    引言

随着我国水利枢纽建设的发展，升船机由于能适应较高水头和较复杂地形，将作为修建水利枢纽综合利用开发水利资源中发展水运而较常使用的一种通航设施，对上下游船舶的过坝通航起着关键作用。沙沱升船机采用钢丝绳卷扬全平衡垂直提升型式，船舶过坝时，通过上、下闸首驶入装有水的钢质承船厢内;承船厢由多根钢丝绳悬吊，通过设于承重塔柱顶部机房内的主提升机驱动，使之沿承重塔柱导轨垂直升降运行，运送船只过坝。

沙沱升船机主提升系统主要由电机、高低速减速器、提升卷筒、安全卷筒、滑轮组以及同步轴系统等组成，整体布置如图1所示。动力由四台电机驱动，通过高低速减速器带动布置有钢丝绳的提升卷筒转动，实现船厢升降。为保证四组驱动单元的同步性，在四组高低速减速器之间设置同步轴系统。

1    设计概述

沙沱升船机同步轴系统设计为一个传递扭矩的封闭矩形结构，沿升船机横向中心线和纵向中心线对称分布，由同步轴、鼓形齿联轴器、轴承座、扭矩传感器、胀紧套联轴器及减速器中的相关齿轮副等部件组成。

（1）同步轴共分10个轴段，每个轴段均由中間无缝钢管和两端实心阶梯短轴焊接而成。轴段间均用鼓形齿轮联轴器通过轴承支座相连接，整个同步轴系统由16个轴承座支撑，轴承座采用剖分式结构。每个轴承座设两个支点，采用双列向心球面滚子轴承，由干油泵站集中润滑。在同步轴系统的四边中间位置分别设置一套可伸缩联轴器、一套扭矩传感器、一套胀紧套，其布置如图2所示。

（2）为适应设计要求的塔柱结构缝（或后浇带）处的相对变位，最大相对变位值为±50 mm，设计一套可水平偏移的可伸缩联轴器，安装于同步轴的四边，联轴器按照GⅡCLZ12型号改制，将内齿圈加长100 mm，中间为外齿圈装配基准位，外齿圈在水平方向可以有±50 mm偏移，如图3所示。

（3）同步轴系统为封闭矩形结构，在安装过程中，各同步轴通过鼓型联轴器连接，为消除传动系统间隙和安装时的预紧力，在四边设带胀紧套联轴器。带胀紧套联轴器由GⅡCLZ12型号改制，在法兰轴套一侧扩展胀紧套安装槽，胀紧套选用Z5型号。

2    部件校核

2.1    同步轴

纵向连接轴有6段，横向连接轴有4段，均采用无缝钢管，钢管外径200 mm，壁厚22.5 mm，材料为35钢，每根联接轴两端与带阶梯轴的短轴焊接后，通过设于短轴上的平键，与联轴器相连接。

同步轴在4台电机均正常工作的状况下，传扭基本可以忽略，因此，只需校核3台电机工作时的工况。按同步轴传递单台电机功率计算，电机功率额定功率为200 kW。同步轴传递额定扭矩为25 244 Nm，按额定扭矩对同步轴进行强度和刚度校核计算。

2.2    联轴器

同步轴系统中联轴器为鼓形齿轮联轴器，其中作为传动轴的为GⅡCLT13型联轴器，按1.5倍电机额定扭矩计算，联轴器的公称转矩为71 kNm;其余为GⅡCLZ12型联轴器，按1倍电机额定扭矩计算，联轴器的公称转矩为50 kNm。

（1）联轴器计算转矩：

1）GⅡCLT13：

Tc=TKwKKzKt=50 488 Nm≤Tn=71 000 Nm（满足设计要求）

2）GⅡCLZ12：

Tc=TKwKKzKt=33 659 Nm≤Tn=50 000 Nm（满足设计要求）

（2）胀紧连接套选用Z5-150×200（JB/T 7934—1999），胀紧力矩为39 kNm，胀紧安全系数为1.54，满足设计要求。

选用的联轴器轮毂外径Da=286 mm>184 mm，满足设计要求（联轴器按CⅡCLZ12的尺寸）。

GⅡCLT13联轴器上平键尺寸为40 mm×22 mm×250 mm，按1.5倍电机额定扭矩，轴径为150 mm，校核键连接挤压应力、剪切应力。

挤压应力：

Pmax==140.2 MPa≤[P]=150 MPa（满足设计要求）

剪切应力：

τmax==31.6 MPa≤[τ]=90 MPa（满足设计要求）

GⅡCLZ12联轴器上平键尺寸为36 mm×20 mm×220 mm，按1倍电机额定扭矩，轴径为150 mm，校核键连接挤压应力、剪切应力。

挤压应力：

Pmax==127.5 MPa≤[P]=150 MPa（满足设计要求）

剪切应力：

τmax==21.2 MPa≤[τ]=90 MPa（满足设计要求）

2.3    花键

花键配合采用INT/EXT 29Z×5M×30R×5H/5h（GB/T 3478.1—1995），花键相关尺寸：m=5 mm，Z=29，Dm=145 mm。按额定扭矩对渐开线花键挤压强度进行校核：

3    结语

同步轴系统是升船机系统重要组成部分，本文提出的适应升船机同步轴系统水平方向变位和角度偏差方法具有制作、安装简单，运行稳定、可靠等特点，同步轴系统主要部件满足设计要求。此套系统成功应用于沙沱升船机，运行效果良好，为今后升船机设计提供了参考。

[参考文献]

[1] 钮新强，宋维邦.船闸与升船机设计[M].北京：中国水利水电出版社，2007.

[2] 刘汉卿，杨现利.三峡升船机同步轴系统模型相似计算[J].矿山机械，1996（11）：21-23.

[3] 刘同欣，杜波，张步斌，等.大型升船机同步轴系统结构设计[J].水运工程，2017（7）：39-42.

收稿日期：2019-12-03

作者简介：王敏（1985—），男，安徽安庆人，硕士研究生，工程师，研究方向：升船机设计和分析。