某台车式启闭机车轮打滑原因分析及解决方案

尚力阳，张智勇，季艳茹，吕志斌

(黄河水利委员会黄河机械厂，郑州 450006)

0 引言

台车式启闭机是水利水电工程中的一种常用起重机械，多用于控制闸门、拦污栅，实现水工机械设备的升降［1］。在实际应用中，受水工建筑物沉降、车轮组制造安装误差及台车运行轨道安装误差等多种因素影响，启闭机的轮子踏面会出现与轨道不能充分接触的情况，特别是当从动轮组较多时，制造安装精度不能保证所有车轮踏面都处在一个平面上。主动轮与轨道不能有效接触，当所承受的静载荷变小时，驱动轮所受摩擦力降低，就会出现打滑现象。本文针对这一问题展开研究，结合项目现场应用情况，探索了一套结构简单、有效的辅助行走装置。

1 项目背景

在某水利工程金属结构和机电设备的运行维护过程中，发现个别台车式启闭机行走时出现车轮打滑的现象，空载时尤为突出，严重影响了启闭机的正常运行，在一定程度上影响了工程的正常运行和应对突发事件的响应速度，因此，解决台车式启闭机车轮打滑问题十分必要。

本文涉及的台车式启闭机位于该水利工程某进口检修闸，该台车式启闭机主要由起升机构、行走机构、台车架、轨道附件、电缆卷筒、抓梁、梯子等组成［2］。其中起升机构的主要技术参数为:额定起重量，2 ×250 kN;起升速度，1．71 m/min;扬程，12 m。运行机构的主要技术参数为:行走吊重，2×150 kN;行走速度，15．0 m/min;轨距，2．7 m;轮距，2．24/0．94/2．24 m;车轮直径，400 mm;机构工作级别，Q2;三合一减速电机，GKA87。

2 故障排查及原因分析

通过现场了解和查看故障记录，发现该台车式启闭机在空车运行时打滑现象较频繁。经统计，空车运行时平均每10 m打滑4次，打滑时需要借助外力(如人工推或用撬棒)才能够继续行走。在吊起闸门时，打滑现象明显减少，平均每5 m打滑1次。

2．1 行走机构结构形式

行走机构主要包括行走支撑装置、行走驱动机构以及夹轨器、缓冲器等附属装置。行走机构运行速度为1．7 ～17．0 m/min，质量为 1 941 kg，轨距为2700 mm。车轮直径为400 mm，共8个车轮，主动轮2个，轨道型号为P43。

2．2 车轮检查

(1)车轮踏面磨损未超过轮圈厚度的25%，车轮踏面无凹陷、气孔、砂眼等缺陷。

(2)车轮轮缘磨损未超过原厚度的50%。

(3)车轮表面未发现局部裂纹。

(4)轴承内外环及珠架均无裂纹，液珠表面正常无蜕皮。

经检查，车轮质量合格。

2．3 轨道检测

(1)用小锤敲击轨道紧固螺栓，无松动;检查永久性固定焊缝，未发现裂纹。

(2)检查轨道表面。用钢板尺放置于轨道表面，用塞尺检测钢板尺与轨道之间的间隙值，均在±1．00 mm误差范围内。

(3)检查打滑处轨道与轮子间隙。所有打滑位置的主动轮与轨道间均有0．15～2．00 mm的间隙。

(4)检查轨道接头处沉降及错位，测量尺寸在允差范围内［3］。

经检查，轨道质量符合技术要求。

2．4 台车车轮静压力分析

台车质量为23884 kg，额定起重量为500 kN，行走吊重为300 kN，每个轮子承受的载荷为29．75～92．25 kN。空车运行时单个轮子承受的载荷小，打滑现象频繁;负载运行时单个轮子承受的载荷大，打滑现象明显减少。

现场检查结果显示，车轮组及轨道不是造成车轮打滑的主要原因。通过分析台车行走机构的结构形式，初步判定该台车式启闭机车轮组在安装时没有保留一定的调整空间，运行过程中车轮不能根据轨道公差范围内的不平度进行适时调整，轮对与轨道接触存在过定位，个别轮子踏面与轨道支承面“接触不良”，造成轮压不足，从而出现打滑现象。

3 解决方案

根据以上分析结果，结合现场情况，采用在主动轮装置及轨道旁增设一套齿圈齿条机构的方案，以解决台车打滑问题(如图1所示)。该方案是将设计的齿圈固定在主动轮的外侧，与主动轮同心同轴，齿条在轨道旁布设并与齿圈相啮合。当2个主动轮不能同时接触轨道时，通过齿圈齿条的啮合，实现启闭机的正常行走。该装置结构简单、安装方便、便于维修。

为便于安装和维护，齿轮采用分节制造，在不拆卸主动车轮组的情况下可完成安装和更换;齿条设计主要考虑安装方便和制造成本，采用非金属材料为基体进行加工制造。为验证钢齿圈与聚苯醚(PPO)齿条的啮合性能，建立数字模型并进行分析验算。

3．1 齿轮受力分析

开式齿轮传动的主要失效形式是磨损，往往由于齿面过度磨损或轮齿磨薄后弯曲折断而失效，因此，采用降低许用应力的方法，按齿根弯曲强度进行设计计算，不必验算接触强度。齿轮齿条有侧隙和顶隙，车轮承受的载荷可由轨道承担，齿轮齿条只提供水平方向辅助动力。

图1 辅助行走装置布设方式示意Fig．1 Schematic of the layout of auxiliary walking device

齿圈做回转运动，齿条做直线运动，齿条可以看作齿数无穷多的齿圈的一部分，这时齿圈的各圆均变为直线，作为齿廓曲线的渐开线也变为直线。齿条直线的速度v(mm/s)与齿圈分度圆直径d(mm)、转速n(r/min)之间的关系为［4］v= πdn/60。

啮合线与齿圈的基圆相切，由于齿条的基圆无穷大，所以啮合线与齿条基圆的切点在无穷远处。齿圈与齿条啮合时，不论安装是否标准(齿圈与齿条安装的标准为齿圈的分度圆与齿条的分度圆相切)，其啮合角恒等于齿圈分度圆压力角，也等于齿条的齿形角，齿圈的节圆也恒与分度圆重合;只是在非标准安装时，齿条的节线与分度线不再重合［5］。

齿面啮合强度较小，在此忽略不计，只计算齿根弯曲应力。根据齿圈齿条弯曲应力计算公式，得到齿根最大弯曲应力为45 MPa。根据齿圈齿条材料、载荷、尺寸等参数建立模型进行有限元分析，在齿圈上施加约束模拟实际情况(如图2所示)，结果表明:齿圈和齿条的齿根应力相对较小，齿圈的啮合强度满足要求。

3．2 齿条的材料选择

台车式启闭机自身质量大，紧急停车时会形成较大的冲击力，如果选择刚性齿圈齿条装置，将会出现碰齿、齿圈折断等情况，因此选择PPO工程塑料材质以增加其韧性。

PPO具有优良的综合性能，在长期低负荷下具有优良的尺寸稳定性和突出的电绝缘性，可在－127～121℃范围内长期使用。具有优良的耐水、耐蒸汽性能，较高的拉伸强度和抗冲击强度，较好的抗蠕变性、耐磨性及介电性能，在机电工程中运用广泛。

图2 齿圈受力分析Fig．2 Ring gear force analysis

4 安装方案设计

安装过程中，为了降低施工难度，将齿圈平均分成3等份。大齿圈找正时通常等分18个测量点进行测量，并借助安装工具对大齿圈进行精细找正;借助百分表并通过旋转主动轮来测量大齿圈18个等分测量点的数据(即大齿圈的外圆径向、轴向跳动值和主动轮的窜移量);根据测量的数据调校大齿圈，直至齿圈外圆径向跳动公差≤1．5 mm，轴向跳动公差≤1．0 mm，达到合格要求。

齿条部分安装在启闭机轨道一侧，通过螺栓与混凝土预制梁固定。为了进行水平方向的调整，轨道压板上的孔通常做成长孔，可在钢轨下加调整垫板，实现垂直方向的调整，检查合格后，利用轨道下支承板用螺栓将齿条固定。

5 结束语

本文针对某台车式启闭机存在的打滑问题，设计了一套台车式启闭机车轮辅助运行机构，该机构具有安装方便、操控简单的特点，具有一定的通用性，可为水利水电工程台车式启闭机运行维护及检修改造提供参考。