抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统及其设置方法

摘要

本发明提供一种抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统的设置方法，通过对主动抗倾覆机械同步系统同步轴刚度、强度设置及间隙、制造误差控制，使主动抗倾覆机械同步系统同时具备承船厢抗倾覆和传递均衡承船厢不均匀荷载双重功能，当承船厢受到不平衡荷载作用下出现倾斜时，能通过主动抗倾覆机械同步系统的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩，达到控制承船厢倾斜量和降低同步轴扭矩的目的，并在船厢倾斜量或同步系统扭矩达到设计值时，通过主动抗倾覆机械同步系统的制动器锁定卷筒转动，保障升船机整体安全，有利于确保水力式升船机安全、可靠运行。

主权项

一种抗倾覆水力式升船机用主动抗倾覆机械同步系统的设置方法，其特征在于所述主动抗倾覆机械同步系统包括与承船厢两侧的多个部位相连的多根钢绳，多根钢绳的另一端分别绕过对应的设置在顶部的卷筒以及设置在竖井中浮筒上的滑轮固定在竖井的顶部，多个卷筒之间通过同步轴及联轴器相连；所述主动抗倾覆机械同步系统按下列方法进行设计：主动抗倾覆机械同步系统同时具备承船厢抗倾覆和传递均衡承船厢不均匀荷载双重功能，该系统通过同步轴的微量变形对承船厢主动产生抗倾覆力矩，并在承船厢倾斜量或同步系统扭矩达到设计值时，通过设置在卷筒上的安全装置锁定卷筒，保障升船机整体安全；设主动抗倾覆机械同步系统中的两排卷筒及联轴器和同步轴，以及伞齿对、联轴器和横向同步轴完全对称、承船厢充分调平、各卷筒、钢丝绳受力和摩擦完全相同，忽略承船厢和钢丝绳刚度影响，则主动抗倾覆机械同步系统刚度、强度按下列方法设置，具体为：一、刚度设置方法所述承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP按下式计算：$\Delta P=\frac{(\Delta h+{\mathrm{\Delta h}}_0)L_c{B}_c\rho g}{24}+\frac{M_b+M_p}{2L_c}---\left(1\right)$式中：Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起的承船厢倾斜量，单位为m；Δh₀为承船厢升降运行卷筒、钢绳等加工安装误差引起的承船厢倾斜量，单位为m；L_c为承船厢长度，单位为m；B_c为承船厢宽度，单位为m；ρ为密度，单位为kg/m³；g为重力加速度，单位为m/s^‑2；M_b为承船厢水面波动引起的倾覆力矩，单位为kN·m；M_p为承船厢偏心荷载引起的倾覆力矩，单位为kN·m；因同步轴受不均匀荷载产生变形以及同步轴之间的间隙之和引起承船厢发生倾斜量Δh后，主动抗倾覆机械同步系统又通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF根据下式计算：$\Delta F=\frac{\Delta h-{\theta }_{2}R+4M_{f}R\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}{R^2\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}}---\left(2\right)$式中：ΔF为作用于承船厢的抗倾覆力，单位为kN；Δh为同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起的承船厢倾斜量，单位为m；θ₂为同步轴之间的总间隙，单位为弧度；R为卷筒半径，单位为m；M_f为单个卷筒摩擦力产生的扭矩，单位为kN·m；G为剪切弹性模量，单位为kPa；L_i为第i根同步轴长度，单位为m；I_pi为第i根同步轴截面极惯性矩，其中：$I_p=\frac{{\mathrm{\pi D}}^4}{32}(1-a^4)$式中：D‑‑同步轴外径；a‑‑空心同步轴，内径/外径；实心同步轴相当于内径为0，即a＝0；因此，在不考虑同步轴强度破坏条件下，得知：(1)ΔF>ΔP,同步轴受不均匀荷载产生变形和同步轴间隙之和引起承船厢倾斜Δh时，通过卷筒作用于承船厢的抗倾覆力ΔF大于承船厢倾斜后作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢倾斜量Δh将减小；(2)ΔF<ΔP,承船厢倾斜量Δh继续增加，同步轴需要发生更大的扭转变形，产生更大的抵抗力，这样才能保证承船厢平衡；(3)ΔF＝ΔP,承船厢倾斜量Δh等于其作用在主动抗倾覆机械同步系统的最大倾斜荷载ΔP时，承船厢稳定，则记$\begin{array}{cc}\beta =\frac{L_c{B}_c\rho g}{24},& \delta =R\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\frac{L_i}{{\mathrm{GI}}_{pi}}\end{array}$根据承船厢稳定时的条件即ΔF＝ΔP可知，承船厢稳定时应满足以下条件：$\Delta h=\frac{{\theta }_{2}R}{1-\beta \delta R}+\frac{{\mathrm{\Delta h}}_0\beta \delta R}{1-\beta \delta R}+\frac{\delta R(M_b+M_p)}{2L_c(1-\beta \delta R)}-\frac{4{\mathrm{\delta M}}_f}{1-\beta \delta R}---\left(3\right)$由于Δh≥0，定义主动抗倾覆机械同步系统整体刚度公式(4)成立的必要条件是：1>βδR，即主动抗倾覆机械同步系统能维持承船厢稳定的必要条件为：$K>\frac{L_c{B}_c{\mathrm{\rho gR}}^2}{24}---\left(4\right)$承船厢升降运行过程中，承船厢允许发生的最大倾斜量为Δh_max，则主动抗倾覆机械同步系统刚度还应满足：γ₁(θ₂R+Δh₀)+γ₂(M_b+M_p)‑γ₃M_f≤Δh_max  (5)式中：(1)γ₁(θ₂R+Δh₀)为制造误差产生的倾斜量，即主动抗倾覆机械同步系统间隙、钢绳走线误差等引起的承船厢倾斜量，定义：为制造误差倾斜系数，定义γ₁为与承船厢尺度和同步轴刚度相关的系数，结合公式(5)可知γ₁∈[1,+∞)，根据系数γ₁定义可知γ₁为大于或等于1的数值；同步轴刚度越大，γ₁值越小，但不会小于1；当同步轴刚度无穷大时γ₁＝1，此时制造误差引起的承船厢最大倾斜量为θ₂R+Δh₀；因此γ₁会对制造误差产生的承船厢倾斜量起到放大作用，同步轴的刚度越小，对制造误差产生的承船厢倾斜量放大作用越大；同步轴的刚度越大，对制造误差产生的船厢倾斜量放大作用越小；(2)γ₂(M_b+M_p)为倾覆力矩引起的承船厢倾斜量ΔH₂，即承船厢在水面波动、承船厢偏心荷载等倾覆力矩作用下发生的倾斜量，定义为波动倾斜量系数，刚度无穷大时，γ₂→0，此时水面波动倾覆力矩对承船厢产生倾斜量影响越小；(3)‑γ₃M_f为系统摩擦力产生的承船厢倾斜量抵抗量，定义为摩擦力倾斜量抵抗系数，系统越大，对降低承船厢倾斜量越有利；因此，主动抗倾覆机械同步系统要具备抗倾覆能力，其同步轴刚度应同时满足公式(4)和公式(5)；二、强度设置方法承船厢运行过程中同步轴最大扭矩T_N表示为:式中,为倾覆力矩系数,M_Q为承船厢倾覆力矩，单位为kN·m；为制造误差系数；θ₂R+Δh₀为主动抗倾覆机械同步系统制造误差；体现了承船厢水面波动、承船厢偏心荷载等产生的承船厢倾覆力矩M_Q对同步轴扭矩的影响；体现了承船厢加水后，主动抗倾覆机械同步系统制造误差θ₂R+Δh₀对同步轴扭矩的影响；体现了承船厢内水体对同步轴扭矩荷载的影响；反映了系统摩擦力对同步轴扭矩的抵抗作用；M_k反映了由于安装误差等在同步轴转动时产生的同步轴内部扭矩变化；M_g反映了承船厢初始调平时，相邻卷筒、钢绳受力不均对同步轴产生的初始扭矩；无水承船厢升降运行时，这两项影响可忽略，因此无水承船厢升降运行时，同步轴扭矩可表示为：三、间隙及制造误差控制条件对于主动抗倾覆机械同步系统间隙θ₂R、制造误差倾斜量Δh₀，应按以下条件进行控制：$({\theta }_{2}R+{\mathrm{\Delta h}}_0)\le \frac{{\mathrm{\Delta h}}_{max}+{\gamma }_3{M}_f-{\gamma }_2(M_b+M_p)}{{\gamma }_1}---\left(6\right)$式中：Δh_max为承船厢允许发生的最大倾斜量，单位为m；M_max为主动抗倾覆机械同步系统允许的最大扭矩，单位为kN·m；其余符号意义同前；所述主动抗倾覆机械同步系统的其它设置按常规进行。