沙沱升船機同步軸系統設計研究

王敏 金龍 李宜燃

摘要：提出了一種新型的適應升船機同步軸系統水平方向變位和角度偏差方法，并成功應用于沙沱升船機，對沙沱升船機同步軸系統的主要部件進行了校核，滿足了設計的要求，運行效果良好，為今年升船機設計提供了參考。

關鍵詞：升船機;同步軸系統;校核;聯軸器;花鍵

0? ? 引言

隨著我國水利樞紐建設的發展，升船機由于能適應較高水頭和較復雜地形，將作為修建水利樞紐綜合利用開發水利資源中發展水運而較常使用的一種通航設施，對上下游船舶的過壩通航起著關鍵作用。沙沱升船機采用鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升型式，船舶過壩時，通過上、下閘首駛入裝有水的鋼質承船廂內;承船廂由多根鋼絲繩懸吊，通過設于承重塔柱頂部機房內的主提升機驅動，使之沿承重塔柱導軌垂直升降運行，運送船只過壩。

沙沱升船機主提升系統主要由電機、高低速減速器、提升卷筒、安全卷筒、滑輪組以及同步軸系統等組成，整體布置如圖1所示。動力由四臺電機驅動，通過高低速減速器帶動布置有鋼絲繩的提升卷筒轉動，實現船廂升降。為保證四組驅動單元的同步性，在四組高低速減速器之間設置同步軸系統。

1? ? 設計概述

沙沱升船機同步軸系統設計為一個傳遞扭矩的封閉矩形結構，沿升船機橫向中心線和縱向中心線對稱分布，由同步軸、鼓形齒聯軸器、軸承座、扭矩傳感器、脹緊套聯軸器及減速器中的相關齒輪副等部件組成。

（1）同步軸共分10個軸段，每個軸段均由中間無縫鋼管和兩端實心階梯短軸焊接而成。軸段間均用鼓形齒輪聯軸器通過軸承支座相連接，整個同步軸系統由16個軸承座支撐，軸承座采用剖分式結構。每個軸承座設兩個支點，采用雙列向心球面滾子軸承，由干油泵站集中潤滑。在同步軸系統的四邊中間位置分別設置一套可伸縮聯軸器、一套扭矩傳感器、一套脹緊套，其布置如圖2所示。

（2）為適應設計要求的塔柱結構縫（或后澆帶）處的相對變位，最大相對變位值為±50 mm，設計一套可水平偏移的可伸縮聯軸器，安裝于同步軸的四邊，聯軸器按照GⅡCLZ12型號改制，將內齒圈加長100 mm，中間為外齒圈裝配基準位，外齒圈在水平方向可以有±50 mm偏移，如圖3所示。

（3）同步軸系統為封閉矩形結構，在安裝過程中，各同步軸通過鼓型聯軸器連接，為消除傳動系統間隙和安裝時的預緊力，在四邊設帶脹緊套聯軸器。帶脹緊套聯軸器由GⅡCLZ12型號改制，在法蘭軸套一側擴展脹緊套安裝槽，脹緊套選用Z5型號。

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，每根聯接軸兩端與帶階梯軸的短軸焊接后，通過設于短軸上的平鍵，與聯軸器相連接。

同步軸在4臺電機均正常工作的狀況下，傳扭基本可以忽略，因此，只需校核3臺電機工作時的工況。按同步軸傳遞單臺電機功率計算，電機功率額定功率為200 kW。同步軸傳遞額定扭矩為25 244 Nm，按額定扭矩對同步軸進行強度和剛度校核計算。

2.2? ? 聯軸器

同步軸系統中聯軸器為鼓形齒輪聯軸器，其中作為傳動軸的為GⅡCLT13型聯軸器，按1.5倍電機額定扭矩計算，聯軸器的公稱轉矩為71 kNm;其余為GⅡCLZ12型聯軸器，按1倍電機額定扭矩計算，聯軸器的公稱轉矩為50 kNm。

（1）聯軸器計算轉矩：

1）GⅡCLT13：

Tc=TKwKKzKt=50 488 Nm≤Tn=71 000 Nm（滿足設計要求）

2）GⅡCLZ12：

Tc=TKwKKzKt=33 659 Nm≤Tn=50 000 Nm（滿足設計要求）

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

選用的聯軸器輪轂外徑Da=286 mm>184 mm，滿足設計要求（聯軸器按CⅡCLZ12的尺寸）。

GⅡCLT13聯軸器上平鍵尺寸為40 mm×22 mm×250 mm，按1.5倍電機額定扭矩，軸徑為150 mm，校核鍵連接擠壓應力、剪切應力。

擠壓應力：

Pmax==140.2 MPa≤[P]=150 MPa（滿足設計要求）

剪切應力：

τmax==31.6 MPa≤[τ]=90 MPa（滿足設計要求）

GⅡCLZ12聯軸器上平鍵尺寸為36 mm×20 mm×220 mm，按1倍電機額定扭矩，軸徑為150 mm，校核鍵連接擠壓應力、剪切應力。

擠壓應力：

Pmax==127.5 MPa≤[P]=150 MPa（滿足設計要求）

剪切應力：

τmax==21.2 MPa≤[τ]=90 MPa（滿足設計要求）

2.3? ? 花鍵

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

3? ? 結語

同步軸系統是升船機系統重要組成部分，本文提出的適應升船機同步軸系統水平方向變位和角度偏差方法具有制作、安裝簡單，運行穩定、可靠等特點，同步軸系統主要部件滿足設計要求。此套系統成功應用于沙沱升船機，運行效果良好，為今后升船機設計提供了參考。

[參考文獻]

[1] 鈕新強，宋維邦.船閘與升船機設計[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[2] 劉漢卿，楊現利.三峽升船機同步軸系統模型相似計算[J].礦山機械，1996（11）：21-23.

[3] 劉同欣，杜波，張步斌，等.大型升船機同步軸系統結構設計[J].水運工程，2017（7）：39-42.

收稿日期：2019-12-03

作者簡介：王敏（1985—），男，安徽安慶人，碩士研究生，工程師，研究方向：升船機設計和分析。