沙沱升船機(jī)同步軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王敏 金龍 李宜燃

摘要：提出了一種新型的適應(yīng)升船機(jī)同步軸系統(tǒng)水平方向變位和角度偏差方法，并成功應(yīng)用于沙沱升船機(jī)，對(duì)沙沱升船機(jī)同步軸系統(tǒng)的主要部件進(jìn)行了校核，滿足了設(shè)計(jì)的要求，運(yùn)行效果良好，為今年升船機(jī)設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：升船機(jī);同步軸系統(tǒng);校核;聯(lián)軸器;花鍵

0? ? 引言

隨著我國水利樞紐建設(shè)的發(fā)展，升船機(jī)由于能適應(yīng)較高水頭和較復(fù)雜地形，將作為修建水利樞紐綜合利用開發(fā)水利資源中發(fā)展水運(yùn)而較常使用的一種通航設(shè)施，對(duì)上下游船舶的過壩通航起著關(guān)鍵作用。沙沱升船機(jī)采用鋼絲繩卷揚(yáng)全平衡垂直提升型式，船舶過壩時(shí)，通過上、下閘首駛?cè)胙b有水的鋼質(zhì)承船廂內(nèi);承船廂由多根鋼絲繩懸吊，通過設(shè)于承重塔柱頂部機(jī)房?jī)?nèi)的主提升機(jī)驅(qū)動(dòng)，使之沿承重塔柱導(dǎo)軌垂直升降運(yùn)行，運(yùn)送船只過壩。

沙沱升船機(jī)主提升系統(tǒng)主要由電機(jī)、高低速減速器、提升卷筒、安全卷筒、滑輪組以及同步軸系統(tǒng)等組成，整體布置如圖1所示。動(dòng)力由四臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過高低速減速器帶動(dòng)布置有鋼絲繩的提升卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)船廂升降。為保證四組驅(qū)動(dòng)單元的同步性，在四組高低速減速器之間設(shè)置同步軸系統(tǒng)。

1? ? 設(shè)計(jì)概述

沙沱升船機(jī)同步軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一個(gè)傳遞扭矩的封閉矩形結(jié)構(gòu)，沿升船機(jī)橫向中心線和縱向中心線對(duì)稱分布，由同步軸、鼓形齒聯(lián)軸器、軸承座、扭矩傳感器、脹緊套聯(lián)軸器及減速器中的相關(guān)齒輪副等部件組成。

（1）同步軸共分10個(gè)軸段，每個(gè)軸段均由中間無縫鋼管和兩端實(shí)心階梯短軸焊接而成。軸段間均用鼓形齒輪聯(lián)軸器通過軸承支座相連接，整個(gè)同步軸系統(tǒng)由16個(gè)軸承座支撐，軸承座采用剖分式結(jié)構(gòu)。每個(gè)軸承座設(shè)兩個(gè)支點(diǎn)，采用雙列向心球面滾子軸承，由干油泵站集中潤(rùn)滑。在同步軸系統(tǒng)的四邊中間位置分別設(shè)置一套可伸縮聯(lián)軸器、一套扭矩傳感器、一套脹緊套，其布置如圖2所示。

（2）為適應(yīng)設(shè)計(jì)要求的塔柱結(jié)構(gòu)縫（或后澆帶）處的相對(duì)變位，最大相對(duì)變位值為±50 mm，設(shè)計(jì)一套可水平偏移的可伸縮聯(lián)軸器，安裝于同步軸的四邊，聯(lián)軸器按照GⅡCLZ12型號(hào)改制，將內(nèi)齒圈加長(zhǎng)100 mm，中間為外齒圈裝配基準(zhǔn)位，外齒圈在水平方向可以有±50 mm偏移，如圖3所示。

（3）同步軸系統(tǒng)為封閉矩形結(jié)構(gòu)，在安裝過程中，各同步軸通過鼓型聯(lián)軸器連接，為消除傳動(dòng)系統(tǒng)間隙和安裝時(shí)的預(yù)緊力，在四邊設(shè)帶脹緊套聯(lián)軸器。帶脹緊套聯(lián)軸器由GⅡCLZ12型號(hào)改制，在法蘭軸套一側(cè)擴(kuò)展脹緊套安裝槽，脹緊套選用Z5型號(hào)。

2? ? 部件校核

2.1? ? 同步軸

縱向連接軸有6段，橫向連接軸有4段，均采用無縫鋼管，鋼管外徑200 mm，壁厚22.5 mm，材料為35鋼，每根聯(lián)接軸兩端與帶階梯軸的短軸焊接后，通過設(shè)于短軸上的平鍵，與聯(lián)軸器相連接。

同步軸在4臺(tái)電機(jī)均正常工作的狀況下，傳扭基本可以忽略，因此，只需校核3臺(tái)電機(jī)工作時(shí)的工況。按同步軸傳遞單臺(tái)電機(jī)功率計(jì)算，電機(jī)功率額定功率為200 kW。同步軸傳遞額定扭矩為25 244 Nm，按額定扭矩對(duì)同步軸進(jìn)行強(qiáng)度和剛度校核計(jì)算。

2.2? ? 聯(lián)軸器

同步軸系統(tǒng)中聯(lián)軸器為鼓形齒輪聯(lián)軸器，其中作為傳動(dòng)軸的為GⅡCLT13型聯(lián)軸器，按1.5倍電機(jī)額定扭矩計(jì)算，聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩為71 kNm;其余為GⅡCLZ12型聯(lián)軸器，按1倍電機(jī)額定扭矩計(jì)算，聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩為50 kNm。

（1）聯(lián)軸器計(jì)算轉(zhuǎn)矩：

1）GⅡCLT13：

Tc=TKwKKzKt=50 488 Nm≤Tn=71 000 Nm（滿足設(shè)計(jì)要求）

2）GⅡCLZ12：

Tc=TKwKKzKt=33 659 Nm≤Tn=50 000 Nm（滿足設(shè)計(jì)要求）

（2）脹緊連接套選用Z5-150×200（JB/T 7934—1999），脹緊力矩為39 kNm，脹緊安全系數(shù)為1.54，滿足設(shè)計(jì)要求。

選用的聯(lián)軸器輪轂外徑Da=286 mm>184 mm，滿足設(shè)計(jì)要求（聯(lián)軸器按CⅡCLZ12的尺寸）。

GⅡCLT13聯(lián)軸器上平鍵尺寸為40 mm×22 mm×250 mm，按1.5倍電機(jī)額定扭矩，軸徑為150 mm，校核鍵連接擠壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力。

擠壓應(yīng)力：

Pmax==140.2 MPa≤[P]=150 MPa（滿足設(shè)計(jì)要求）

剪切應(yīng)力：

τmax==31.6 MPa≤[τ]=90 MPa（滿足設(shè)計(jì)要求）

GⅡCLZ12聯(lián)軸器上平鍵尺寸為36 mm×20 mm×220 mm，按1倍電機(jī)額定扭矩，軸徑為150 mm，校核鍵連接擠壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力。

擠壓應(yīng)力：

Pmax==127.5 MPa≤[P]=150 MPa（滿足設(shè)計(jì)要求）

剪切應(yīng)力：

τmax==21.2 MPa≤[τ]=90 MPa（滿足設(shè)計(jì)要求）

2.3? ? 花鍵

花鍵配合采用INT/EXT 29Z×5M×30R×5H/5h（GB/T 3478.1—1995），花鍵相關(guān)尺寸：m=5 mm，Z=29，Dm=145 mm。按額定扭矩對(duì)漸開線花鍵擠壓強(qiáng)度進(jìn)行校核：

3? ? 結(jié)語

同步軸系統(tǒng)是升船機(jī)系統(tǒng)重要組成部分，本文提出的適應(yīng)升船機(jī)同步軸系統(tǒng)水平方向變位和角度偏差方法具有制作、安裝簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等特點(diǎn)，同步軸系統(tǒng)主要部件滿足設(shè)計(jì)要求。此套系統(tǒng)成功應(yīng)用于沙沱升船機(jī)，運(yùn)行效果良好，為今后升船機(jī)設(shè)計(jì)提供了參考。

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收稿日期：2019-12-03

作者簡(jiǎn)介：王敏（1985—），男，安徽安慶人，碩士研究生，工程師，研究方向：升船機(jī)設(shè)計(jì)和分析。