三峽升船機大模數(shù)齒條試驗裝置載荷施加與控制策略研究

李紀強，劉忠明，張和平，李權才,2

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

（1. 鄭州機械研究所研發(fā)中心，鄭州 450052；2.華北水利水電學院，鄭州 450011）

0 引言

三峽升船機是長江三峽客輪的快速過壩通道，與雙線五級船閘聯(lián)合運行可大大提高樞紐的航運通過能力。三峽升船機設計過船規(guī)模達3000t級，最大提升高度113m，具有提升高度大、提升重量大、上游通航水位變幅大和下游水位變化速率快等特點，是世界上目前規(guī)模最大和技術難度最高的升船機[1,2]。三峽升船機的承船廂由4套開式齒輪機構驅動，沿鋪設在混凝土塔柱墻壁上的4組齒條垂直升降，齒條的設計壽命為35年，每天上下18次，每年工作335天，總循環(huán)次數(shù)達4.22×105次，具有運行運行苛刻、加工精度要求高、更換困難等特點，是三峽升船機的關鍵構件之一。齒條采用分節(jié)制造安裝的組合設計，模數(shù)高達62.667mm，齒部寬810mm，單節(jié)長4705mm，材料為G35CrNiMo6，采用鑄件毛坯+齒部感應淬火的熱處理工藝。目前國內外缺乏此類齒條的試驗數(shù)據(jù)積累和試驗方法研究，也沒有現(xiàn)成的試驗裝置能夠對三峽升船機升降系統(tǒng)的大模數(shù)、大尺寸的齒條進行性能試驗及質量評價[3]，因此，開展三峽升船機大型齒條的可靠性質量評定及測試是非常必要的，這也將填補我國大型齒條試驗既無試驗裝備也無試驗方法的空白。

通過對三峽升船機工作原理和設計結構的分析，確定了試驗臺采用水平對稱結構設計的合理性和可行性。根據(jù)三峽升船機齒條載荷隨機變化的運行工況，設計了試驗臺的加載控制模式，并確定了載荷施加的可行方案，保證了試驗結果的可信性，從而為三峽升船機大模數(shù)齒條的應用，提供了有力的判據(jù)。

1 三峽升船機運行工況及齒條嚙合載荷分析

三峽升船機采用齒輪齒條爬升式全平衡垂直結構設計，理論上船廂端與平衡重重量相等，升船機工作時，齒輪齒條驅動裝置只需施加很小的用于克服運行阻力的載荷，就能實現(xiàn)船廂的升降運動。但實際應用中，由于誤載水深的存在，在每次升降過程中驅動載荷是一個變化的值?，F(xiàn)結合運行過程中可能出現(xiàn)的各種情況，分析齒條的實際工況。

1）船廂上升過程中的工作模式

當船廂向上運動時，如果存在正值誤載水深，船廂端重量大于平衡重的重量，齒條對與船廂一體的軸齒輪就要施加一個向上的力，用于克服不平衡量和運力阻力（摩擦力、加速力等）以推動船廂上升，此時，由作用力與反作用力的關系可知，齒條的上齒面承受一個向下的載荷，如圖1（a）所示，此時電機處于驅動模式；如果存在著較小的負值誤載水深，平衡重與船廂端之間的不平衡重力仍不足以克服其他運行阻力，齒條的上齒面仍將承受一個向下的載荷，電機也仍處于驅動模式；如果存在著較大的負值誤載水深，平衡重將大于船廂重力與其他運行阻力之和，當船廂向上運動時，平衡重會通過鋼絲繩拉著船廂端共同加速運動，為實現(xiàn)船廂的均速和減速運動，如圖1（b）所示，齒條需對軸齒輪施加一個向下的力，齒條的下齒面將承受一個向上的載荷，此時電機處于制動模式。

2）船廂下降過程中的工作模式

當船廂向下運動時，如果存在著較大的正值誤載水深，此時，由于船廂端重量大于平衡重重力與其他運行阻力之和，船廂端將會通過鋼絲繩拉著平衡重共同加速運動，為實現(xiàn)船廂的均速和減速運動，如圖1（c）所示，此時齒條對軸齒輪需施加一個向上的力，齒條的上齒面承受一個向下的載荷，電機處于制動模式；如果存在著負值誤載水深，平衡重將大于船廂端的重力，當船廂向下運動時，此時齒條需對軸齒輪施加一個向下的力，齒條的下齒面承受一個向上的載荷，如圖1（d）所示，此時電機處于驅動模式；如果存在著較小的正值誤載水深，當船廂端與平衡重之間的不平衡重力不足以克服其他運行阻力時，齒條的下齒面仍將承受一個向上的載荷，電機也仍處于驅動模式。

圖1 三峽升船機工作模式分析簡圖

從上述分析可知，在相同的上升或下降過程中，電機的工作模式和齒輪齒條的受力齒面也不一定相同。這主要取決于誤載水深具體數(shù)值的大小。但在實際的應用中，考慮到電機工作方式的有利和運行的安全，應盡量使電機處于驅動模式，此時，在船廂上升的過程中，應調節(jié)誤載水深使其避免出現(xiàn)大的負值偏差，在船廂下降的過程中，避免出現(xiàn)大的正值偏差。表1為各在種誤載水深下，三峽升船機齒輪齒條受力齒面和電機工作模式的匯總。

2 齒條試驗裝置的結構設計

如圖2所示，為采用水平結構設計的雙向往復運動功率全封閉齒條試驗臺，主要由固定平臺（基礎平臺）、移動平臺、直線導軌、電動機/發(fā)電機、齒輪箱（減速器/增速器）、驅動齒輪/加載齒輪、被測試齒條以及相關的測控系統(tǒng)等構成。試驗齒條和直線導軌通過螺栓安裝于固定平臺上，其他構件如電動機/發(fā)電機、齒輪箱、驅動齒輪/加載齒輪等均安裝在移動平臺上，移動平臺安裝在4條滑動導軌上，所有設備重量均由導軌承擔，試驗齒條不承受設備自身的重量，只承受由控制系統(tǒng)控制電機按預訂嚙合載荷施加的負載。三峽升船機采用全平衡垂直結構設計，船廂端與平衡重完全平衡，所有重量均有塔柱承載，升船機上所有設備的重力也不對齒輪齒條驅動裝置產生額外的負載要求。因此，在結構設計上，試驗臺水平結構與三峽升船機全平衡垂直結構的設計是等效的，附屬設備均不會對齒條的嚙合載荷產生影響。同時，試驗臺采用水平結構設計，可大大降低設備成本和試驗難度。

表1 各種工況下三峽升船機齒輪、齒條受力齒面和電機工作模式

另外，三峽升船機齒條試驗臺采用對稱功率全封閉設計，由測控系統(tǒng)控制，可實現(xiàn)電動機/發(fā)電機、減速器/增速器、驅動齒輪/加載齒輪功能的互換，改變移動平臺的運動方向和速度大小以及齒輪齒條的嚙合齒面和載荷大小，從而模擬三峽升船機運行過程中的齒條受力。運行過程中，加載電機（發(fā)電機）產生的電能可回饋到試驗用局部電網中，再次供給驅動電機（電動機），外部電網只需對試驗系統(tǒng)補充摩擦等運行阻力所消耗的能量。這種電功率封閉設計，可有效節(jié)省能源降低試驗成本。

圖2 試驗臺機械系統(tǒng)結構圖

3 試驗裝置載荷施加控制策略的設計

通過前面的分析可知，三峽升船機工作過程中船廂內的誤載水深是在一定范圍內的隨機變量。在一個升降過程中可能是齒條輪齒的兩個齒面受載，也可能均是一個齒面受載?，F(xiàn)結合試驗過程中這種對齒條雙齒面、單齒面均能靈活加載的要求，分析試驗裝置載荷施加的具體控制策略。

1）齒條輪齒雙齒面加載的控制策略

試驗臺工作時，電動機拖動驅動齒輪轉動，驅動齒輪與試驗齒條嚙合產生的相對運動拖動移動平臺移動，移動平臺的運動使加載齒輪與試驗齒條也產生嚙合，從而實現(xiàn)加載齒輪帶動發(fā)電機工作，完成對系統(tǒng)的加載；反方向運動時，電動機反轉，推動移動平臺向前運動，此時加載軸齒輪反轉帶動發(fā)電機工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的反向加載。通過電動機對移動平臺拖—推驅動方式的變化，即可完成對三峽升船機試驗齒條輪齒正反齒面的雙向加載。如圖3所示，分別為左側齒輪和右側齒輪是驅動單元時的齒輪齒條受載齒面示意圖?，F(xiàn)以左側齒輪為驅動輪對上述加載過程進行具體的說明，如圖3（a）所示，當左側驅動齒輪拖動右側負載齒輪向左運動時，左側齒輪的右齒面受力，與其嚙合的齒條輪齒左齒面受力；而右側的負載齒輪則為左齒面受力，與其嚙合的齒條輪齒的右齒面受力；如圖3（b）所示，當左側驅動齒輪推動右側的負載齒輪向右運動時，此時，左側齒輪左齒面受力，與其嚙合的齒條輪齒的右齒面受力；而右側的齒輪為右齒面受力，與其嚙合的齒條輪齒為左齒面受力。右側齒輪為驅動單元時與上述加載過程相同，通過拖—推驅動方式的改變，即可實現(xiàn)對齒條輪齒正反齒面的雙向加載。

2）齒條輪齒單齒面加載的控制策略

在一個往復運動循環(huán)周期內，如果左側和右側齒輪在兩個運動方向上分別為驅動單元，即可實現(xiàn)對齒條單側齒面的加載。如圖3（a）所示，當向左運動時，左側齒輪為驅動齒輪，拖動移動平臺運動，可實現(xiàn)對齒條左側嚙合輪齒左齒面的加載，對齒條右側嚙合輪齒右齒面的加載；當向右運動時，如圖3（d）所示，通過控制系統(tǒng)轉變兩個電機的功能，使右側齒輪為驅動齒輪，也可實現(xiàn)對齒條左側嚙合輪齒左齒面、右側嚙合輪齒右齒面的加載。當需要對左側嚙合輪齒右齒面、右側嚙合輪齒左齒面加載時，也可通過控制系統(tǒng)進行調整，在向一個方向運動時，使后面的齒輪為驅動齒輪，推動移動平臺運動，即可實現(xiàn)齒條輪齒加載齒面的轉變，如圖3（b）和圖3（c）運動過程的組合。

圖3 齒條輪齒載荷的施加

從上述分析可以看出，通過拖—推、推—拖、拖—拖、推—推驅動控制方式的組合即可實現(xiàn)對試驗齒條輪齒雙齒面、單齒面的自由加載。

4 齒條載荷施加方案的設計

三峽升船機工作過程中，船廂內的誤載水深是在一定范圍內的隨機變量，齒條上的負載應是有一定統(tǒng)計規(guī)律性的載荷譜。但由于三峽升船機尚未投入使用，缺乏相應的數(shù)據(jù)，無法依據(jù)實際工況驗證齒條的疲勞強度。三峽升船機大模數(shù)齒條疲勞強度的設計載荷，是在最惡工況和最大誤載水深下計算的，是偏向于設計安全的。因此，以設計載荷進行試驗，最能驗證齒條設計的可靠性?，F(xiàn)以設計載荷和根據(jù)疲勞損傷累積準則計算的等效載荷，分別討論齒條載荷的施加數(shù)值。

1）設計載荷

三峽升船機運行過程中，齒輪齒條的驅動載荷主要由誤載水深、風載、摩擦力、加速力四部分組成[4,5]。同時，考慮到四組驅動裝置載荷分配的不均勻性，每組齒輪齒條的驅動載荷可按下式計算：

FE為誤載水深產生的載荷，誤載水深≤±10cm時，≤2550kN，當≤±5cm時，≤1330kN；

FMV為風載，最大設計風載FMV=±730kN；

FR為升船機運行的總摩擦力，F(xiàn)R=1230kN；

FB為正常工況下，升船機運行的加速力FB=355kN；

fu為載荷分配的不均勻性，fu=1.05。

三峽升船機運行，齒條的最惡工況是在船廂上升過程中誤載水深取最大的正值、逆風且處于加速階段，在船廂下降過程中誤載水深取最大的負值、逆風且也處于加速階段。但在齒條的服役壽命區(qū)間內，風的逆風和順風概率是相同的，齒條的疲勞強度不考慮風載的影響。因此，齒條的設計載荷為：

試驗過程中，在一個試驗周期內，兩個載荷值應以4:1的循環(huán)次數(shù)或時間比例進行加載，加載過程如圖4所示。

2）恒定載荷

根據(jù)疲勞損傷累積理論，兩個設計載荷值可等效為一個恒定載荷進行試驗，其結果與以設計載荷進行試驗的結果相同。依據(jù)Miner準則，等效載荷計算結果如下：

(1) 對彎曲疲勞強度：

軸齒輪Ft1F=931.75kN

齒條Ft2F=899.73kN

(2) 對接觸疲勞強度：

軸齒輪Ft1H=905.06kN

齒條Ft2H=905.06kN

本試驗對象為齒條，因此，試驗等效載荷為Fte=Ft2H=905.06kN 確定。在疲勞試驗過程中，如圖4所示，載荷大小不變。

圖4 試驗載荷示意圖

5 結論

1）三峽升船機采用全平衡垂直結構設計，船廂、船廂上的設備以及3.5m水深的重量完全由平衡重平衡，齒輪齒條上的驅動載荷主要由誤載水深和運行阻力構成，與升船機設備的重量無關。

2）試驗臺采用水平結構設計，移動平臺上的試驗設備重量均由導軌承擔，試驗齒條只承受由控制系統(tǒng)控制電機按預訂嚙合試驗載荷施加的負載，水平結構等效于升船機垂直結構設計的試驗臺，可大大降低設備制造成本和試驗難度。

3）試驗臺采用可雙向往復運動的對稱設計，通過電機拖—推、拖—拖、推—拖、推—推驅動控制方式的自由組合，可靈活控制齒條的加載齒面和載荷大小，電功率封閉的能量利用方式，可有效節(jié)省電能，大大降低試驗成本。

4）齒條設計載荷是在升船機運行過程中可能出現(xiàn)的最惡工況點的計算載荷，在沒有齒條實際運行載荷譜的條件下，可以以設計載荷的階梯值或其等效載荷進行試驗，試驗結果是偏向于齒條應用安全的。

[1]孟令先,李權才,等.三峽升船機升降系統(tǒng)齒條試驗裝置概述[J].機械傳動,2013,35(5):97-98.

[2]鈕新強,覃利明,于慶奎.三峽工程齒輪齒條爬升式升船機設計[J].中國工程科學,2011,13(7):96-103.

[3]鄭州機械研究所.三峽升船機鑄造齒條大型試驗裝備開發(fā)及質量評定[R].“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項申報書,2011.5.21.

[4]劉忠明,李紀強,李權才,等.三峽升船機齒條受力分析[J].中國機械工程,已投稿.

[5]廖樂康,方揚,林新志.齒輪齒條爬升式升船機驅動系統(tǒng)的電機功率計算方法[J].機電工程,2013,30(4):459-463.