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1 设计要求
岩滩升船机是部分平衡垂直升船机，其特点就在于主提升机的提升功率大，在提升总重约1430 t的承船厢时的额定载荷为4401 kN，尖峰载荷为7708 kN。升船机总体设计要求主提升机传动系统中电机最大转速为750 r/min，相应卷筒最大转速为1.13 r/min，即要求有总传动比为661.388±2%的减速器，同时要求分为高、低两种减速器以便在两减速器之间设置同步轴且同步轴转速应控制在70 r/min～80 r/min之间。升船机总体设计要求低速减速器的最大输出扭矩为1792 kN.m，以满足主机在7708 kN的尖峰载荷时船厢入水所需的扭矩。升船机总体设计要求低速减速器的最大宽度尺寸为2000 mm，总中心距为3600 mm。
2 选定设计方案
作为主机最关键部件和输出扭矩与减速比都很大的低速减速器，在设计中我们参考国外类似产品图样并和国内的齿轮专业厂家及专家进行交流，对低速减速器的结构形式、齿轮强度、轮轴强度、刚度及低速减速器与卷筒的联接方式、齿轮加工工艺、整机装配工艺等等方面进行分析研究，选定的设计主要参数见表1。
表1 主要技术参数表
序 号
项 目
单 位
Ⅰ轴
Ⅱ轴
Ⅲ轴
Ⅸ轴
第Ⅰ级
第Ⅱ级
第Ⅲ级
小齿轮
大齿轮
小齿轮
大齿轮
小齿轮
大齿轮
1
中心距
mm
850
1200
1550
2
总中心距
mm
3600
3
模 数
mm
10
14
25
4
齿 数
个
26
142
34
133
30
94
5
齿数比
5.4615
3.9118
3.1333
6
总速比
66.229 2
7
有效齿宽
mm
360
240×2
480
8
螺旋角
(°)
0
11.365
0
9
变位系数
0.258
0.785
0.2502
0.4189
0.19
0.3249
10
齿顶圆直径
mm
248.3
1 454.8
519.4
1936
808
2390.5
11
齿轮副精度
GB10095-86 6级
12
最大输出扭矩
kN.m
900×2
13
额定输出扭矩
kN.m
550×2
14
润滑方式
集中强制循环润滑
15
润滑油牌号
N320(GB5903-88)
3 设计原则与技术措施
在进行减速器各级速比分配时采用：
(1)等强度原则。力求各级传动中的承载能力基本相等而使各级轮齿的接触强度安全系数大致相同。在设计中第一级采用直齿，第二级采用双斜齿，第三级采用直齿传动。设计计算结果为第一级两轮齿的接触疲劳强度安全系数皆为2.63，第二级两轮齿的接触疲劳强度安全系数为2.43与2.67，第三级两轮齿的接触疲劳强度安全系数为1.97和2.14。上列数值大于要求的轮齿接触疲劳强度安全系数1.5；
(2)工艺原则。考虑国内对高精度硬齿面齿轮加工能力的限制，控制最大齿轮外径小于或等于Φ2 500 mm，设计为Φ2 390 mm，考虑齿轮轮毂和轴的联接性能及轴的强度刚度要求而控制最小齿轮外径大于或等于Φ200 mm，设计为Φ248 mm
(3)装配原则。在满足箱内零部件布置要求下使减速器有最小的外形尺寸和重量且满足主机总体布置对减速器总中心距要求，设计的减速器最大宽度为2 000 mm(卷筒轴处)，总中心距3 600 mm，总重量52 t。
4 设计中采用的关键技术
4.1 载荷分流的均载技术
由于第一级采用直齿，第二级采用斜齿作载荷分流，为保证各对齿轮副受载均匀而须采用均载技术。第一级的大齿轮轴的轴承采用双排单列调心轴承解除齿轮与轴之间的轴向附加约束，达到人字齿轮副的均载。
4.2 高承载能力、高精度齿轮的设计与工艺
在上述设计原则下，采用成熟设计技术和先进工艺措施，对轮齿齿形设计均用国内齿轮制造行业的直齿和斜齿圆柱齿轮承载能力的专用计算程序进行计算校核。小齿轮采用正变位以力求大小齿轮等强度。轮齿表面双向修缘以确保轮齿接触精度，加大齿根圆角以减小齿根局部应力集中。高速级采用斜齿以增加重合度，提高运行平稳性。采用20 CrMnMo高强度材质并保证齿面硬度为HRC58～62，同时控制末级大小齿轮有一定的硬度差以减少低速重载的末级大齿轮的磨损。减速器采用强制润滑并合理布置喷油嘴位置以保证啮合区的有效润滑。轮齿皆进行胶合承载能力计算，实际的胶合承载能力安全系数SB≥2.0。
4.3 箱体设计
长×高×宽为5 500 mm×2 700 mm×2 000 mm的箱体，须保证有足够的刚性又要便于制造与安装。设计中充分考虑各种因素和反复计算，确定将箱体分为三部分。下箱体为主承力部件，采用铸焊结合的双辐板结构使箱体有较大的整体刚性，并对各轴支承处的刚性作重点加强，尤其是输出轴处的箱体还需支承2个卷筒轴而每一卷筒轴上最大的载荷达1 000 kN，所以在这些部位都采用加强构件的箱形结构，力求在运行中的箱体不因变形而影响齿轮啮合精度。中箱体为辅助承力部件，铸焊结构加局部箱形以增加箱体整体刚度。上箱体为非承力部件，设有观察孔。对箱体进行整体的有限元分析计算，实测的运行中变形量完全符合设计要求。
4.4 鼓形滚子联轴器设计
要将减速器宽度尺寸控制在2 m之内，其中设置齿宽480 mm的末级齿轮及齿轮轴支承并需要2个输出扭矩达900 kN.m的联轴器来联接卷筒轴，这样的设计要求本身就是一个工程技术难题。对轴的联接方式、各种联轴器的承载能力、外形尺寸、加工工艺性能及对轴间的误差补偿能力进行大量的分析对比、计算校核后确定在低速减速器输出轴与卷筒的联接上采用鼓形滚子联轴器并将其置于减速器箱体内。鼓形滚子联轴器由内套、外套、鼓形滚子、端盖及挡圈等组成，内套和外套上开有均布的半圆槽并相对形成槽孔来装鼓形滚子。鼓形滚子的鼓形表面与槽孔表面接触所形成共轭曲面，可实现扭矩和径向力的传递和因鼓形曲面而实现轴向、角向的补偿。在升船机减速器上使用的鼓形滚子联轴器可承受15000 kN的径向载荷，允许角位移1°30′，允许轴向位移±5 mm。鼓形滚子联轴器具有外形尺寸小、重量轻(传扭能力比同重量的齿轮联轴器大30%，轴向尺寸小约200 mm)、安装方便、两半联轴器可进行轴向折分、工艺性能好等特点。
在设计中对鼓形滚子与槽孔的接触应力、联接销应力和主要承力件的材质、热处理要求及疲劳应力及寿命进行详细的分析计算并结合国内高精度槽孔加工工艺进行施工设计。实践证明鼓形滚子联轴器在大扭矩低速减速器上的应用是十分成功的。
5 其它
低速减速器采用专用润滑油泵站对所有齿轮和轴承进行强制喷油润滑，润滑油采用N320中极压齿轮油，润滑油泵站设有列管式冷却器利用冷却水进行换热冷却，可以保证供油温度比回油温度降低5℃以上。润滑站内设有高低压报警、滤油器压差报警、回油超温报警、油箱液位报警等检测功能。
低速减速器所有的轴承为滚动轴承，各轴上的轴型号见表2。
低速减速器内的所有轴承都采用喷油方式进行润滑。
低速减速器输入轴尺寸：Φ180 m6，长260 mm
表2 滚动轴承轴型号表
项 目
Ⅰ轴
Ⅱ轴
Ⅲ轴
Ⅳ轴
型号
3003744
32160
3003776
31131/500
件数
2
4
2
4
标准号
GB288-87
GB283-87
GB288-87
GB287-87
(双输入轴、单端尺寸)。
低速减速器输出轴尺寸：Φ500花键，长145 mm。
低速减速器重量：51921 kg(不含油重)。
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