岩滩升船机主机结构布置及其特点
蒋春祥，招健生
1.国家电力公司杭州机械设计研究所，浙江 杭州 310012 2.广西电力工业勘察设计研究院，广西 南宁 530023
1 前言
升船机是岩滩水电站的通航设施。升船机由主提升机、承船厢、液压调平装置、上闸首工作闸门、力矩平衡重、静力平衡重、电力拖动及监控系统、检测系统等组成。主提升机用于驱动承船厢连船带水由下游的船厢池中提升至上闸首对接处或驱动承船厢连船带水由上闸首对接处下降至船厢池中。主提升机是升船机中的核心系统之一。
岩滩升船机采用下水式部分平衡垂直升船机，这种型式的升船机在国内属首次设计制造，在国外也尚无实际使用的报导。同时，这种型式升船机的主提升机较全平衡式升船机有更高的技术要求和更为特殊的运行条件。所以，为使我国刚起步的垂直升船机事业能有更大的发展并为从事垂直升船机的有关技术人员提供借鉴，本文对岩滩升船机主机结构布置及其特点进行论述。
2 布置与组成
主提升机装设在升船机塔柱顶部的升船机机房内，机房楼面高程为240.6 m，主提升机卷筒装置中心距主机房楼面为2.1 m。其平面布置见图1。
图1 升船机主机平面布置图
主提升机(以下简称为主机)由4组卷扬机和4组静力平衡滑轮组组成，对称布置于机房楼面。每组卷扬机由1台直流电动机驱动，通过齿式联轴器、带制动盘联轴器、双输出轴的高速减速器、齿式联轴器、传动轴将动力传递给对称布置于高速减速器两侧的2台双输入轴低速减速器。每台低速减速器的末级齿轮轴两端通过鼓形滚子联轴器在减速器两侧各联有1套卷筒装置，每一卷筒的外侧端面联有1个制动盘。每一制动盘上设有3对盘式制动器，2对在平衡重侧，1对在船厢侧。在电动机与高速减速器间的制动盘部位设有1座盘式工作制动器。每组卷扬机的低速减速器外侧输入轴间通过齿式联轴器、带胀紧套的齿式联轴器、同步轴、换向锥齿轮箱将4组卷扬机连成一矩形、封闭的传动系统。
每个卷筒设置并固定3根钢丝绳，其中2根是卷筒内外侧共绳，另1根仅从卷筒内侧出绳。主机16个卷筒内侧共出绳48根。卷筒内侧的每根绳依次下连锥套、调节螺杆并与液压调平油缸的活塞杆相连，油缸下端同船厢吊耳相连。为防止钢丝绳旋转，在调节螺杆头部设置有防转板。主机卷筒外侧出绳共32根。卷筒外侧每根出绳依次下连锥形套、螺杆调整装置并与一串平衡重相连。
每2台卷扬机之间的中间位置设置1组各有4个静力平衡绳导向滑轮组，共4组，每个滑轮内侧出绳的锥套通过拉板与船厢吊平相连。每个滑轮外侧出绳的锥套依次与调整螺杆及一串平衡重相连。
主机设有为安全制动器提供松闸动力的液压站及其管路系统，润滑8台低速减速器和4台锥齿轮箱的8台润滑站及管路系统，还有为8台润滑站的热交换器提供冷却水的水冷系统。
通过设置在中央控制室内的计算机对主机升降过程进行控制，主要的运行参数和必要的显示及报警信号亦在中央控制室的显示屏上给出。
3 主要设备简介
3.1 高速驱动装置
主机共有4套高速驱动装置。每一高速驱动装置由电机、齿式联轴器、带制动盘联轴器、工作制动器、高速减速器及机架等构成。
3.1.1 电动机
采用瑞士ABB公司生产的DMA+315M65V型电机。连续工作制，额定功率339 kW，额定转速749 r/min，额定电压420 V，额定电流877 A，允许过载倍数2.0(15 s/次)，每小时12次，效率大于90%，H级绝缘，外循环式强制冷却，他励励磁。
3.1.2 高速减速器
采用ZLY560-10硬齿面减速器，总速比10.029，标准产品。
3.1.3 工作制动器
每一电机出轴上设有一个法国西姆公司(SIME Co.)的1TX型盘式制动器。其额定正压力40000 N，在制动盘直径Φ705 mm处的制动力矩为11300 N.m，制动器安全系数大于2.5。
3.2 同步轴系统及锥齿轮箱
由8段传动轴、8段同步轴、6段中间轴共22个轴段组成，均用Φ245 mm×25 mm的20号钢热轧无缝钢管制成。
同步轴系统中，各轴段的联接采用了38个齿式联轴器(其中8个带胀紧套)。
在封闭同步轴系统中的4个角上设有4台换向弧齿锥齿轮箱，齿轮采用高精度硬齿面克林根贝格弧齿齿轮。锥齿轮箱采用强制润滑。
3.3 低速减速器
低速减速器是杭州机械设计研究所为岩滩升船机专门设计的产品，为一双输入轴、双输出轴的三级硬齿面减速器，其总减速比为66.229 2，最大输出扭矩为2×900 kN.m，减速器内置有2个大扭矩鼓形滚子联轴器。其详细介绍请参见本刊有关文章。
3.4 卷筒装置
筒壁采用厚80 mm的16 Mn钢板卷制焊接后经机加工而成，筒壁绳槽槽底直径为Φ3 148 mm，壁厚56 mm，长2 400 mm。共有16个卷筒。
卷筒轴一端支承在低速减速器箱体上，另一端支承在专设的轴承座上，轴承座侧的筒体上还设有外径为Φ3 780 mm的制动盘。
3.5 平衡滑轮组
设置4组平衡滑轮组，每一平衡滑轮组有4个滑轮组件。滑轮绳槽底径为Φ3 148 mm，外径为Φ3 304 mm。
3.6 钢丝绳
钢丝绳共64根，全部为CASAR TURBOPLAST 8×26，直径Φ52 mm，紧凑股、股间带塑料密封层的少旋转，左、右捻的钢芯钢丝绳。按使用状况，钢丝绳分为力矩长绳、力矩短绳、静力平衡绳3种。
钢丝绳的钢丝抗拉强度1960 N/mm2，最小破断拉力大于2368.4 kN。
钢丝绳在出厂时已作过预拉伸，并带有联接索套。
3.7 安全制动器
在16个卷筒的制动盘部位共设有48对96只法国SIME公司生产的SH18型液压盘式制动器，并配有一套液压驱动装置。每一制动器的静态制动力为160 kN，动态制动力为180 kN，工作压力为18 MPa。
3.8 安全制动器液压站及液压管路
由法国SIME公司提供的型号为ST210-48型液压站：电机功率为45 kW，流量为2 L/s(1500 r/min时)，最大工作压力22.5 MPa。
3.9 润滑站
共用8台润滑站对8台低速减速器和4台换向锥齿轮箱的啮合区和轴承进行强制喷油润滑，保证齿轮箱内油温不超过50℃和保证油品质量和润滑效果。公称流量为2.67 L/s，公称压力为0.63 MPa，水强制冷却。
4 主提升机的特点
岩滩升船机是船厢下水式部分平衡升船机，其主提升机的特点有：
(1)提升力大。岩滩升船机主机的提升力远大于相同过船规格的全平衡升船机。与拟建的1000 t级三峡升船机所需6000 kN的提升力相比，岩滩升船机主机的额定提升力为4401 kN，短时尖峰载荷7 708 kN已经基本与其相当。同时，岩滩升船机主机由4台339 kW电动机驱动4台高速减速器并通过传动轴、同步轴驱动8台低速减速器并带动16个卷筒升降承船厢与拟建的三峡升船机由8台160 kW电动机驱动4台高速减速器并通过传动轴、同步轴驱动8台低速减速器并带动16个卷筒升降承船厢的提升系统布置形式基本相同。岩滩升船机卷筒上的提升钢丝绳数量和布置方式与拟建的三峡升船机也相同。还需指出，岩滩升船机低速减速器的输出扭矩达到2×900 kN.m，是目前国内输出扭矩较大的低速减速器，它为我国的升船机专用低速减速器设计与制造、安装使用提供了相当宝贵的经验。
(2)双向受载的起升系统。在船厢出入水过程中，随船厢入水深度的增减，船厢所受浮托力也相应增减，浮托力在增减而平衡重为定值导致主机在每一运行过程中主机的总载荷将在4401 kN～-7 708 kN之间变化，也就是说作用在卷筒上的力矩将从一个方向换向另一方向——主机为双向受载的起升机构。而起重机的起升机构都是单向受载机构。针对双向受载系统，在低速减速器的传动齿轮副及轴承、同步轴及联轴器、换向锥齿轮箱的齿轮副及轴承采用专门的技术措施以处理传动中载荷(力矩)的变化，尤其是力矩过零(换向)时对传动系统的冲击，并能在双向载荷下正常运行。
(3)刚性同步轴系统。为保证主机的16个卷筒旋转同步性能，主机采用了刚性同步轴系统。在多传动环节中采用刚性同步轴系统有相当的技术难度。为此对各种工况下同步轴系统的力矩分配进行了详尽的分析，并应用新型、大容量非接触式扭矩传感器对轴系上的扭矩进行检测。对系统安装误差补偿技术进行研究并采用齿式联轴器加胀紧套对轴向、径向和角向的各种误差进行有效的补偿。
(4)采用液压盘式制动器。液压盘式制动器的制动力大，性能可靠。在主机中采用盘式制动器解决的关键技术是工作制动器与安全制动器的工作顺序控制和所有4对工作制动器工作时的同步性能控制，以及安全制动器液压站与总长约400 m的高压管路系统的配置。
(5)采用大直径多绳共槽卷筒。名义直径Φ3200 mm，长2.4 m，有效壁厚56 mm的卷筒。每一卷筒上共有3根钢绳，5个绳出头，每绳最大拉力达329 kN，设计要求绳槽底径圆度误差不大于0.15 mm，制动盘受载变形小于0.3 mm。对升船机专用的多绳共槽大直径卷筒的采用，在技术上进行了大量的研究工作；设计时对卷筒受力和变形作有限元分析计算、制造时用定制的钢板卷制并用专用数控卷筒车床加工、试验中按各种不同工况对卷筒进行应力测试。
(6)采用新型钢丝绳。满足升船机钢丝绳应有高疲劳强度、耐磨损、耐腐蚀、少旋转等特性要求的新型钢丝绳。在出厂前对其弹性模量、破断拉力特性进行了试验并在预应力状态下作好剪切标志。在运行中对其特性进行观测研究。
5 结语
大功率、双向受载主机的整机设计计算，低速大扭矩硬齿面减速器的轮齿载荷分配与均载技术，箱体受载分析及变形控制，大扭矩鼓形滚子联轴器的设计计算在国内外均属首次。同步轴系统在国内首次进行系统实测。升船机用钢丝绳的弹性模量测试及受载下的旋转特性分析方法及结果填补了国内空白。随着岩滩升船机的运行，必将为我国升船机设计技术提供可靠技术依据和为升船机的兴建积累宝贵经验。
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