水力式升船机同步轴同轴度测量及评价方法研究

刘剑明， 格日勒图， 赵利锋

（1.华能澜沧江水电股份有限公司 景洪水电厂， 云南 景洪 666100；2.机械科学研究总院集团有限公司 中机生产力促进中心， 北京 100044）

0 引言

升船机是水电站的重要配套设施之一，是水电站高坝通航技术的实现形式之一。对于承载能力达百吨级以上供大型船只过坝的升船机，其承吊结构通常采用由多个卷筒作为支点的类定滑轮组结构， 钢丝绳负责连接承船厢、卷筒与作动器。 其中，成组的卷筒作为支撑全部重量的唯一支点和衔接承船厢和作动器的过渡，必须保证卷筒之间的同步转动，以确保承船厢上下行的平稳姿态。因此，每个卷筒与卷筒之间通过同步轴进行连接， 构成同步轴系统，使得卷筒运行能够保持同步，不产生大的错位[1-2]。

由于采用了同步轴结构， 每段同步轴中扭转应力必须时刻小于强度极限， 否则有可能会发生塑性变形乃至断轴的危险。 卷筒同轴度作为反映卷筒系统安装精度的重要参数，是影响同步轴中扭矩的关键因素。 若卷筒同轴度良好， 则安装在其上的同步轴在运动旋转过程中不会因系统安装精度差而产生扭矩过大， 可保证轴与整个升船机系统的安全[3]。

1 同轴度测量原理

升船机同步轴两段卷筒间示意如图1 所示， 同轴度可分为偏心距e 分量和轴交角φ 分量，其中，轴交角φ 常用δmm/100mm 的斜度进行表示。 以水平方向为H 轴，竖直方向为V 轴构建二维坐标系， 则偏心距e 及轴交角φ可分别由水平和竖直两个方向上的分量进行表征， 其表达式为：

图1 两段卷筒间示意图

同轴度测量原理是在两卷筒轴头上分别固定激光对中仪测头S 和M， 通过调整激光光点位置使其照射至对面测头接收窗口中部。输入两测头之间距离后开始测量，记录两端接收窗读数hS0、hM0和初始位置角θ0； 将两轴同时转过一定角度，再次测量，记录接收窗读数hS1、hM1和相对转角θ1；再次将两轴同时转过一定角度，再次测量，记录接收窗读数hS2、hM2和相对转角θ2。仪器通过数学分析，就能得到同轴度两分量在坐标轴上的偏心距投影eH、eV及轴交角投影δH、δV。

2 升船机同步轴同轴度测量方法

在对升船机同步轴同轴度进行测量及评价时， 激光对中仪测量单元S、M 分别通过特制工装固定在同步轴上， 通过调整激光位置， 使激光照射对侧测头测试窗中部，保证同步轴同轴度测量准确性及有效性。根据实际工况，采用两种测量方法对同步轴同轴度进行测量：①当升船机静止时，采用任意三点测量法（图2）。 任意三点测量法可以使测量点之间以不小于40°的跨度进行测量，根据激光对中仪对同轴度测量的要求，转动工装两次，保证每次转动角度大于20°并尽可能使两次角度和大于180°以获得更高测量精度。 通过转动两次前后得到的三个测量点数据， 进行同轴度评价；②当升船机动作时，采用连续扫描测量法。 此时，卷筒随升船机升降进行转动，激光对中仪在轴的连续转动过程中自动扫描并记录测量值，通过分析计算，进而实现同步轴同轴度评价。

按照上述测量评价方法， 对两两相邻卷筒依次进行同轴度测量，直至完成全部卷筒（图3）的数据测量。

图2 任意三点测量法

图3 同轴度测量测点布置图

3 同轴度测量数据处理与评价模型

各对卷筒同轴度测量结果如表1 所示。

由于升船机卷筒系统理论上是由多个卷筒布置于同一轴线，以获得最优的轴向性能。因此实际中需根据已测得的各个卷筒之间同轴度， 拟合出全部卷筒的唯一公共轴线，进而确定出最大同轴度误差并进行评价。公共轴线的拟合过程如图4 所示。

表1 卷筒同轴度测量数据

图4 多体同轴度的测量原理

拟合公共轴线时，首先依据同轴度测量数据，计算各个测点对应卷筒端点在空间中的坐标位置。 为保证计算正确不失真而又简化计算过程、易于理解，将空间中的三维坐标参数投影到垂直和水平平面， 转化为两个平面内的二维坐标参数。依据端点坐标计算结果，分别利用长轴向-垂直向坐标（Z，X），长轴向-水平向坐标（Z，Y），采用最小二乘法，在长轴向-垂直向平面（ZX 平面），长轴向-水平向平面（ZY 平面）拟合出各平面的轴线直线方程。 所拟合出的两条直线方程相当于三维空间中拟合轴线在两个平面上的投影。 公共轴线的多项式系数A1和A2（截距）、B1和B2（斜率）分别为：

式中：N 为数据点的个数。

经最小二乘法得出卷筒端点坐标、 垂直轴线与水平轴线多项式系数如表2 所示。

通过在三维空间中对各个卷筒端点到拟合轴线的距离可以对同步轴轴线偏差进行评价。 设M0（x0，y0，z0）为各个卷筒端点，M1（x1，y1，z1）为z1=0 时的起始原点，s→=（x，y，z）为拟合轴线方向向量（此时，z=1）。

表2 卷筒端点坐标与拟合轴线系数

图5 卷筒整体同轴度示意图

根据上述计算原理与计算数据，计算出各个卷筒端点的距离公共轴线的偏距如表3 所示。

由卷筒端点偏差值表格可知，卷筒1-8 同轴度误差最大值为：rmax=5.709mm。

表3 卷筒端点距离公共轴线的偏距

4 结束语

本文针对升船机同步轴系统， 提出了一种基于立体空间域下激光测量的同步轴测量方法， 建立了升船机同步轴同轴度评价模型，在此基础上，通过任意三点测量法及连续扫描测量法获取实测数据， 对升船机同步轴同轴度进行分析评价，结果表明：使用最小二乘法拟合计算获取全部卷筒的公共轴线。 以空间中公共轴线为基准，卷筒与公共轴线之间最大偏距为5.709mm， 最小偏距为1.558mm。 按照同步轴系统设计一般容许保险偏距为20.7mm 考虑， 现阶段卷筒同轴度状态充分满足使用要求，可继续正常使用。