水力式升船機同步軸同軸度測量及評價方法研究

劉劍明， 格日勒圖， 趙利鋒

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司 景洪水電廠， 云南 景洪 666100；2.機械科學(xué)研究總院集團有限公司 中機生產(chǎn)力促進中心， 北京 100044）

0 引言

升船機是水電站的重要配套設(shè)施之一，是水電站高壩通航技術(shù)的實現(xiàn)形式之一。對于承載能力達百噸級以上供大型船只過壩的升船機，其承吊結(jié)構(gòu)通常采用由多個卷筒作為支點的類定滑輪組結(jié)構(gòu)， 鋼絲繩負責連接承船廂、卷筒與作動器。 其中，成組的卷筒作為支撐全部重量的唯一支點和銜接承船廂和作動器的過渡，必須保證卷筒之間的同步轉(zhuǎn)動，以確保承船廂上下行的平穩(wěn)姿態(tài)。因此，每個卷筒與卷筒之間通過同步軸進行連接， 構(gòu)成同步軸系統(tǒng)，使得卷筒運行能夠保持同步，不產(chǎn)生大的錯位[1-2]。

由于采用了同步軸結(jié)構(gòu)， 每段同步軸中扭轉(zhuǎn)應(yīng)力必須時刻小于強度極限， 否則有可能會發(fā)生塑性變形乃至斷軸的危險。 卷筒同軸度作為反映卷筒系統(tǒng)安裝精度的重要參數(shù)，是影響同步軸中扭矩的關(guān)鍵因素。 若卷筒同軸度良好， 則安裝在其上的同步軸在運動旋轉(zhuǎn)過程中不會因系統(tǒng)安裝精度差而產(chǎn)生扭矩過大， 可保證軸與整個升船機系統(tǒng)的安全[3]。

1 同軸度測量原理

升船機同步軸兩段卷筒間示意如圖1 所示， 同軸度可分為偏心距e 分量和軸交角φ 分量，其中，軸交角φ 常用δmm/100mm 的斜度進行表示。 以水平方向為H 軸，豎直方向為V 軸構(gòu)建二維坐標系， 則偏心距e 及軸交角φ可分別由水平和豎直兩個方向上的分量進行表征， 其表達式為：

圖1 兩段卷筒間示意圖

同軸度測量原理是在兩卷筒軸頭上分別固定激光對中儀測頭S 和M， 通過調(diào)整激光光點位置使其照射至對面測頭接收窗口中部。輸入兩測頭之間距離后開始測量，記錄兩端接收窗讀數(shù)hS0、hM0和初始位置角θ0； 將兩軸同時轉(zhuǎn)過一定角度，再次測量，記錄接收窗讀數(shù)hS1、hM1和相對轉(zhuǎn)角θ1；再次將兩軸同時轉(zhuǎn)過一定角度，再次測量，記錄接收窗讀數(shù)hS2、hM2和相對轉(zhuǎn)角θ2。儀器通過數(shù)學(xué)分析，就能得到同軸度兩分量在坐標軸上的偏心距投影eH、eV及軸交角投影δH、δV。

2 升船機同步軸同軸度測量方法

在對升船機同步軸同軸度進行測量及評價時， 激光對中儀測量單元S、M 分別通過特制工裝固定在同步軸上， 通過調(diào)整激光位置， 使激光照射對側(cè)測頭測試窗中部，保證同步軸同軸度測量準確性及有效性。根據(jù)實際工況，采用兩種測量方法對同步軸同軸度進行測量：①當升船機靜止時，采用任意三點測量法（圖2）。 任意三點測量法可以使測量點之間以不小于40°的跨度進行測量，根據(jù)激光對中儀對同軸度測量的要求，轉(zhuǎn)動工裝兩次，保證每次轉(zhuǎn)動角度大于20°并盡可能使兩次角度和大于180°以獲得更高測量精度。 通過轉(zhuǎn)動兩次前后得到的三個測量點數(shù)據(jù)， 進行同軸度評價；②當升船機動作時，采用連續(xù)掃描測量法。 此時，卷筒隨升船機升降進行轉(zhuǎn)動，激光對中儀在軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動過程中自動掃描并記錄測量值，通過分析計算，進而實現(xiàn)同步軸同軸度評價。

按照上述測量評價方法， 對兩兩相鄰卷筒依次進行同軸度測量，直至完成全部卷筒（圖3）的數(shù)據(jù)測量。

圖2 任意三點測量法

圖3 同軸度測量測點布置圖

3 同軸度測量數(shù)據(jù)處理與評價模型

各對卷筒同軸度測量結(jié)果如表1 所示。

由于升船機卷筒系統(tǒng)理論上是由多個卷筒布置于同一軸線，以獲得最優(yōu)的軸向性能。因此實際中需根據(jù)已測得的各個卷筒之間同軸度， 擬合出全部卷筒的唯一公共軸線，進而確定出最大同軸度誤差并進行評價。公共軸線的擬合過程如圖4 所示。

表1 卷筒同軸度測量數(shù)據(jù)

圖4 多體同軸度的測量原理

擬合公共軸線時，首先依據(jù)同軸度測量數(shù)據(jù)，計算各個測點對應(yīng)卷筒端點在空間中的坐標位置。 為保證計算正確不失真而又簡化計算過程、易于理解，將空間中的三維坐標參數(shù)投影到垂直和水平平面， 轉(zhuǎn)化為兩個平面內(nèi)的二維坐標參數(shù)。依據(jù)端點坐標計算結(jié)果，分別利用長軸向-垂直向坐標（Z，X），長軸向-水平向坐標（Z，Y），采用最小二乘法，在長軸向-垂直向平面（ZX 平面），長軸向-水平向平面（ZY 平面）擬合出各平面的軸線直線方程。 所擬合出的兩條直線方程相當于三維空間中擬合軸線在兩個平面上的投影。 公共軸線的多項式系數(shù)A1和A2（截距）、B1和B2（斜率）分別為：

式中：N 為數(shù)據(jù)點的個數(shù)。

經(jīng)最小二乘法得出卷筒端點坐標、 垂直軸線與水平軸線多項式系數(shù)如表2 所示。

通過在三維空間中對各個卷筒端點到擬合軸線的距離可以對同步軸軸線偏差進行評價。 設(shè)M0（x0，y0，z0）為各個卷筒端點，M1（x1，y1，z1）為z1=0 時的起始原點，s→=（x，y，z）為擬合軸線方向向量（此時，z=1）。

表2 卷筒端點坐標與擬合軸線系數(shù)

圖5 卷筒整體同軸度示意圖

根據(jù)上述計算原理與計算數(shù)據(jù)，計算出各個卷筒端點的距離公共軸線的偏距如表3 所示。

由卷筒端點偏差值表格可知，卷筒1-8 同軸度誤差最大值為：rmax=5.709mm。

表3 卷筒端點距離公共軸線的偏距

4 結(jié)束語

本文針對升船機同步軸系統(tǒng)， 提出了一種基于立體空間域下激光測量的同步軸測量方法， 建立了升船機同步軸同軸度評價模型，在此基礎(chǔ)上，通過任意三點測量法及連續(xù)掃描測量法獲取實測數(shù)據(jù)， 對升船機同步軸同軸度進行分析評價，結(jié)果表明：使用最小二乘法擬合計算獲取全部卷筒的公共軸線。 以空間中公共軸線為基準，卷筒與公共軸線之間最大偏距為5.709mm， 最小偏距為1.558mm。 按照同步軸系統(tǒng)設(shè)計一般容許保險偏距為20.7mm 考慮， 現(xiàn)階段卷筒同軸度狀態(tài)充分滿足使用要求，可繼續(xù)正常使用。