CN111396489A - 一种升船机中应用的安全型液气弹簧装置及其载荷转移方法 - Google Patents

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于庆奎
王可
方杨
余友安
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Abstract

一种升船机中应用的安全型液气弹簧装置，包括支架、测量轴、下法兰、导向轴套、自润滑轴承、液气弹簧油缸、拉杆、上法兰、自润滑滑动套筒、气囊式蓄能器及油管；支架下端固定安装在承船厢结构上，液气弹簧油缸中部的支铰轴通过自润滑轴承支承于支架；上活塞杆端部与上法兰通过螺纹进行连接，液气弹簧油缸的下活塞杆下端通过导向轴套与下法兰的安装孔以间隙配合装配，测量轴下端和齿轮托架机构底梁形成铰接结构；拉杆上端套于带法兰的自润滑轴套内孔且顶部以螺母定位，拉杆下端通过底部的测量轴与齿轮托架机构底梁形成铰接，气囊式蓄能器通过油管和无杆腔相通；实现船厢竖向支承由小齿轮和齿条向安全机构旋转螺杆和螺母柱平稳过渡的功能,提高了安全性。

Description

一种升船机中应用的安全型液气弹簧装置及其载荷转移方法
技术领域
本发明涉及到一种液气弹簧装置，更加具体来说是一种适合齿轮齿条爬升式垂直升船机在承船厢发生失衡事故时,通过双活塞杆的运动以及相应的位移-载荷机械特性,实现承船厢双向事故载荷由驱动机构齿轮齿条向安全机构转移的安全型液气弹簧装置及其载荷转移方法。
背景技术
垂直升船机作为一种通航设施，由于其船舶过坝时间且较短且适合高坝通航，在水利枢纽得到日益广泛的应用。齿轮齿条全平衡式垂直升船机以其高安全性在大型船舶过坝的水利枢纽中得到应用，如三峡水利枢纽3000t齿轮齿条爬升式垂直升船机和向家坝水电站1000t级齿轮齿条爬升式垂直升船机，该两座升船机居目前我国已建和在建升船机规模之首，其中三峡升船机是目前世界上规模最大的升船机。全平衡垂直升船机船厢设计总重和悬吊平衡重总重相等，因而驱动承船厢运行仅需克服由承船厢水深引起的误载水重、滑轮轴承摩阻力、钢丝绳僵性阻力和惯性力等载荷。全平衡齿轮齿体爬升式升船机一个最重要的特点是承船厢的升降运行采用采用开式齿轮和齿条啮合的驱动方式，其中开式齿轮安装在承船厢上,齿条在塔柱运行高度内安装；同时设置安全机构,用于承船厢发生失衡事故时为其提供支承，因而是一种安全性很高的升船机。安全机构通过机械轴传动系统与驱动机构相连，使驱动机构开式齿轮的线速度与安全机构旋转螺杆升降速度相同；但现有技术中的齿轮齿条全平衡式垂直升船机的驱动机构的开式齿轮经常会发生在承船厢发生失衡事故时往往会承受较大的事故载荷导致齿轮损坏的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的齿轮齿条全平衡式垂直升船机的驱动机构的开式齿轮在承船厢发生失衡事故时往往会承受较大的事故载荷导致齿轮损坏的问题。
本发明采用的技术方案是：一种升船机中应用的安全型液气弹簧装置，：包括支架、测量轴、下法兰、导向轴套、自润滑轴承、液气弹簧油缸、拉杆、上法兰、自润滑滑动套筒、气囊式蓄能器及油管；
所述支架的下端固定安装在承船厢结构上，气弹簧油缸采用双活塞杆式，液气弹簧油缸中部的支铰轴通过自润滑轴承支承于支架；液气弹簧油缸的上活塞杆端部与上法兰通过螺纹进行连接，液气弹簧油缸的下活塞杆下端通过导向轴套与下法兰的安装孔以间隙配合装配，测量轴固定安装在下法兰的下端且其下端和齿轮托架机构底梁形成铰接结构；上、下法兰通过拉杆相连，上法兰的上法兰拉杆安装孔上安装了带法兰的自润滑滑动套筒，拉杆上端套于带法兰的自润滑滑动套筒内孔且顶部以螺母定位，拉杆下端则通过螺母固定于下法兰；通过底部的测量轴与齿轮托架机构底梁形成铰接，从而与小齿轮托架共同组成传力系统，将升船机升降工况下承船厢的不平衡载荷传递至塔柱；所述气囊式蓄能器通过油管和液气弹簧油缸的无杆腔相通；
液气弹簧油缸与外部液压泵站的气囊式蓄能器连通，液气弹簧预紧力由气囊式蓄能器的油压确定，并可根据需要调整；油缸与气囊式蓄能器组成的液气弹簧具有预压缩非线性弹簧的位移载荷特性：当齿轮载荷小于由气囊式蓄能器油压确定的预紧载荷时，液气弹簧油缸两端的活塞被油压力顶靠在液气弹簧油缸缸体的两端，液气弹簧油缸两端的活塞保持初始位置，从而维持驱动机构齿轮与齿条啮合的正常承载和运行；当齿轮负荷超过预紧载荷时，双活塞杆液气弹簧油缸无杆腔的油压超过初始值，并压缩气囊式蓄能器的气囊的气体使气体体积缩小，无杆腔内的油液进入气囊式蓄能器，使液气弹簧油缸的受压活塞产生轴向位移；并由此产生测量轴下部与小齿轮托架底梁的连接铰点的上下移动以及液气弹簧油缸绕与承船厢连接支铰的转动,从而引发小齿轮托架的运动,使安全机构旋转螺杆与螺母柱螺纹副间隙减小，直至安全机构螺纹副间隙消失，最终形成安全机构承受承船厢不平衡载荷的几何接触条件；当齿轮齿齿条爬升式升船机承船厢发生失衡事故时，通过液气弹簧油缸上活塞杆和下活塞杆的轴向移动，位于液气弹簧底部的测量轴与小齿轮托架底梁的铰接处发生上下位移。
进一步的，所述底部测量轴通过装配在下法兰轴孔内的自调心滚动轴承以及底梁端部的支铰孔内与齿轮托架机构底梁形成铰接，并通过安装在底梁端部的轴端挡板和连接螺钉进行轴向定位。
进一步的，所述支架包括底板、竖向板及加强三角板，底板通过底板螺栓和承船厢结构相连，竖向板垂直安装在底板的上端面，起加强作用的加强三角板的两个侧边分别固定安装在底板、竖向板上。
所述的升船机中应用的安全型液气弹簧装置的载荷转移方法，包括如下步骤：
步骤一：设定液气弹簧油缸行程，液气弹簧油缸的行程是液气弹簧装置较为重要的参数，油缸的行程必须保证安全机构螺纹间隙消失后液气弹簧油缸尚保留一定的富裕行程，以避免安全机构螺纹间隙尚未消失而油缸行程已用尽而发生安全机构无法提供支承的事故；为此，螺纹间隙应尽量考虑较大值，即上下螺纹间隙不相等而偏向一侧时的较大间隙值，同时应考虑安全机构和驱动机构所在承船厢结构在承船厢发生失衡事故时的变位差值；液气弹簧油缸行程按下式计算：
fs＝2(2dsb+df+dm-5mm)
式中，fs为液气弹簧油缸行程；dsb为安全机构理论螺纹间隙(即上下螺纹副间隙相等时的螺纹间隙值)；df为安全机构和驱动机构所在承船厢结构在承船厢发生失衡事故时的变位差值；dm为油缸行程的裕度；上式中2dsb-5mm代表由于各种原因使上下螺纹副不均衡而导致的单侧最大螺纹间隙；
步骤二：设定气囊式蓄能器充气后的初始压力p0和初始体积V0；
步骤三：在升船机实际运行中，当升船机承船厢与上下闸首对接过程结束，集控总站发出“船厢升降运行”指令时，启动外部液压系统向气囊式蓄能器注入压力油液，使其初始压力为p0，从而使驱动机构小齿轮托架形成升降过程承船厢的支承结构；
当液气弹簧装置在测量轴部位承受小齿轮托架底梁传递的竖直向下载荷时,该载荷经过下法兰、带螺纹拉杆、上法兰盘传递至上部活塞杆，形成上部活塞对液气弹簧油缸无杆腔的压力；当该向下载荷小于由气囊式蓄能器设定的液气弹簧油缸无杆腔内油液对上部活塞杆的初始油压力时，上部活塞杆保持不动；当该向下载荷大于液气弹簧油缸无杆腔油液初始设定值时，所产生的无杆腔内油液压缩气囊式蓄能器的空气，从而使上部活塞杆向下移动，从而使液气弹簧油缸无杆腔的体积减小,进一步压缩气囊式蓄能器的气体,使液气弹簧油缸无杆腔的压力增大；与此同时，下法兰在向下的外部载荷作用下亦同时向下位移，此时与下活塞杆底端螺纹连接的导向轴套相对于下法兰内孔相对滑动，从而使下活塞杆不受外载荷作用，并相对于液气弹簧油缸缸体保持静止；下法兰及其测量轴向下的运动可引发小齿轮托架机构的对应运动，从而使承船厢产生向下的位移，导致安全机构旋转螺杆和螺母柱的下部螺纹间隙减小；
当液气弹簧装置在测量轴部位承受小齿轮托架底梁传递的竖直向上的载荷时,该载荷通过导向轴套传递至下部活塞杆，形成下部活塞对液气弹簧油缸无杆腔的压力；当该向上的载荷小于由气囊式蓄能器设定的液气弹簧油缸无杆腔内油液对下部活塞杆的初始油压力时，下部活塞杆保持不动；当该向上的载荷大于液气弹簧油缸无杆腔内油液初始设定值时，所产生的油杆腔内油液压缩气囊式蓄能器的空气，从而使下部活塞杆向上移动，从而使液气弹簧油缸无杆腔的体积减小,进一步压缩气囊式蓄能器内的气体,使液气弹簧油缸无杆腔的压力增大；下法兰在向上外载荷作用下向上移动；此时下法兰螺纹连接的拉杆也随之向上移动；由于拉杆上端空套于带法兰的自润滑轴套的内孔，拉杆向上运动时不会对上法兰产生作用力，上法兰及其上活塞杆相对于液气弹簧油缸缸体保持静止；下法兰及其测量轴向上的运动可引发小齿轮托架的对应运动，从而使承船厢结构产生向上的位移，导致安全机构旋转螺杆和螺母柱的上部螺纹间隙减小；
步骤四：当升船机完成并结束当次升降运行后，在集控总站发出“船厢对接”指令后，在确认升船机对接锁定已经形成对承船厢的支承之后，液气弹簧蓄能器的压力泄至接近于零的值，其压力值大小根据齿轮轴的重量确定，从而使驱动机构小齿轮托架仅支承开式小齿轮的重量使其保持机构构型，而不具备承受外载的能力，承船厢转而由对接锁定机构锁定，驱动机构开式小齿轮处于卸载状态，从而使开式小齿轮在船厢与上下闸首对接过程中免受外载作用，避免由船厢和塔柱相对水平移动导致的小齿轮沿宽度方向的带载滑动。
进一步的，所述初始压力P0按升船机驱动机构停机载荷设定：
Figure BDA0002446590980000061
初始体积V0按下式确定：
Figure BDA0002446590980000062
式中：
Fds为驱动机构超载停机小齿轮设定载荷；
p0为气囊式蓄能器充气后的初始压力；p1为液气弹簧开始动作初始时刻的气囊式蓄能器压力；
V1为该时刻的气囊式蓄能器容积；p2为液气弹簧动作终了时刻的气囊式蓄能器压力，V2为该时刻的气囊式蓄能器容积；
Di为液气弹簧油缸的内径；
λ为小齿轮托架机构的杠杆比，
Figure BDA0002446590980000063
L1和L2分别为小齿轮托架底铰座至液气弹簧油缸支铰座和底铰座至小齿轮的距离；
Fsp为液气弹簧变形初始时刻的齿轮载荷，Flim为齿轮极限载荷；
Vw为气囊式蓄能器的有效容积，
Figure BDA0002446590980000071
本发明的有益效果和特点是：
油缸与蓄能器组成的液气弹簧具有双向预压缩非线性弹簧的位移-载荷机械特性，从而当齿轮齿齿条爬升式升船机承船厢发生失衡事故时，通过液气弹簧油缸双活塞杆的轴向移动，使该机构底部与小齿轮托架的连接支铰轴发生上下位移,从而实现船厢竖向支承由小齿轮和齿条向安全机构旋转螺杆和螺母柱平稳过渡的功能,提高了安全性；
附图说明
图1为本发明较佳实施例液气弹簧机构的剖面结构图；
图2为图1的侧视结构图；
图3为本发明较佳实施例双活塞杆液气弹簧油缸的结构示意图；
图4为本发明较佳实施例下法兰盘、下活塞杆和自润滑滑动套筒连接的局部结构图；
图5为本发明较佳实施例上法兰盘、自润滑轴套和拉杆连接结构；
图6为本发明较佳实施例液气弹簧工作原理简图；
图7为本发明较佳实施例液与小齿轮托架连接示意图。
图中标号分别表示：1-支架、1-1-底板、1-2-竖向板、1-3-加强三角板、2-测量轴、3-下法兰、4-导向轴套、5-自润滑轴承、6-液气弹簧油缸、6-1-上活塞杆、6-2-下活塞杆、6-3-支铰轴、6-4-无杆腔、7-拉杆、8-上法兰、9-自润滑滑动套筒、10-气囊式蓄能器、11-油管、12-自调心滚动轴承、13-液压油管、15-螺栓、16-小齿轮托架底梁、17-小齿轮托架、18-承船厢结构。19-开式小齿轮、20-齿条。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：
请参考图1～图4，一种升船机中应用的安全型液气弹簧装置，安装在小齿轮托架机构尾部,包括支架1、测量轴2(测量轴外形与普通轴一样，具有传力的功能，里面装设检测装置)、下法兰3、导向轴套4、自润滑轴承5、液气弹簧油缸6、拉杆7、上法兰8、自润滑滑动套筒9、及其轴承等零部件以及蓄能器液压管路和阀件等零部件；液气弹簧油缸6采用双活塞杆式，液气弹簧油缸6中部的支铰轴通过自润滑轴承5支承于支架1，支架1底部通过螺栓15与船厢结构18相连，支架1包括底板1-1、竖向板1-2及加强三角板1-3，底板1-1通过底板螺栓15和承船厢结构18相连，竖向板1-2垂直安装在底板1-1的上端面，起加强作用的加强三角板1-3的两个侧边分别固定安装在底板1-1、竖向板1-2上；
液气弹簧油缸6上部活塞杆端部与上法兰8通过螺纹进行连接，油缸下部活塞杆通过导向轴套4与下法兰3的安装孔以间隙配合装配；上、下法兰通过拉杆7相连，上法兰拉杆安装孔安装了带法兰的自润滑轴套，拉杆(7)上端空套于带法兰的自润滑轴套内孔，顶部以螺母定位，拉杆7下端则通过上、下螺母固定于下法兰3。底部测量轴2装配在下法兰3轴孔内的自调心滚动轴承12以及底梁端部的支铰孔内，并通过安装在底梁端部的轴端挡板和连接螺钉进行轴向固定。
请参考图5、图6，液气弹簧油缸6与外部液压泵站的气囊式蓄能器10连通，液气弹簧预紧力由气囊式蓄能器的油压确定，并可根据需要调整。油缸与气囊式蓄能器组成的液气弹簧具有预压缩非线性弹簧的位移载荷特性：当齿轮载荷小于由气囊式蓄能器油压确定的预紧载荷时，液气弹簧油缸6两端的活塞被油压力顶靠在液气弹簧油缸6缸体的两端，液气弹簧保持初始位置，当齿轮负荷超过预紧载荷时，双活塞杆液气弹簧油缸无杆腔15的油压超过初始值，并压缩气囊式蓄能器气囊的气体使气体体积缩小，油缸内的油液进入气囊式蓄能器，使液气弹簧油缸的受压活塞产生轴向位移。
根据拉杆及活塞杆头部的结构型式，当液气弹簧装置在测量轴部位承受小齿轮托架底梁16传递的竖直向下载荷时,该载荷经过下法兰3、带螺纹拉杆7、上法兰盘传递至上部活塞杆6-1，形成上部活塞对液气弹簧油缸无杆腔的压力。当该载荷小于由气囊式蓄能器设定的液气弹簧油缸无杆腔15内油液对上部活塞杆的初始油压力时，上部活塞杆6-1保持不动；当该载荷大于液气弹簧油缸无杆腔15油液初始设定值时，所产生的无杆腔15内油液压缩气囊式蓄能器10的空气，从而使上部活塞杆向下移动，从而使液气弹簧油缸无杆腔15的体积减小,进一步压缩气囊式蓄能器10的气体,使液气弹簧油缸无杆腔的压力增大；与此同时，下法兰3在向下的外部载荷作用下亦同时向下位移，此时与下活塞杆底端螺纹连接的导向轴套4相对于下法兰内孔相对滑动，从而使下活塞杆6-2不受外载荷作用，并相对于液气弹簧油缸6缸体保持静止。下法兰3及其测量轴2向下的运动可引发小齿轮托架16机构的对应运动，从而使承船厢产生向下的位移，导致安全机构旋转螺杆和螺母柱的下部螺纹间隙减小。
当液气弹簧装置在测量轴2部位承受小齿轮托架16底梁传递的竖直向上的载荷时,该载荷通过导向轴套4传递至下部活塞杆，形成下部活塞对液气弹簧油缸无杆腔15的压力。当该载荷小于由气囊式蓄能器10设定的液气弹簧油缸无杆腔15内油液对下部活塞杆的初始油压力时，下部活塞杆保持不动；当该载荷大于液气弹簧油缸无杆腔15内油液初始设定值时，所产生的油杆腔15内油液压缩气囊式蓄能器的空气，从而使下部活塞杆6-2向上移动，从而使液气弹簧油缸无杆腔15的体积减小,进一步压缩气囊式蓄能器10内的气体,使液气弹簧油缸无杆腔15的压力增大。下法兰在向上外载荷作用下向上移动。此时下法兰螺纹连接的拉杆也随之向上移动。由于拉杆上端空套于带法兰的自润滑轴套9的内孔，拉杆7向上运动时不会对上法兰8产生作用力，上法兰8及其上活塞杆6-1相对于液气弹簧油缸缸体保持静止。下法兰3及其测量轴2向上的运动可引发小齿轮托架17的对应运动，从而使承船厢结构18产生向上的位移，导致安全机构旋转螺杆和螺母柱的上部螺纹间隙减小。
(2)液气弹簧油缸基本参数及机械性能的计算
1)液气弹簧油缸行程的确定
液气弹簧油缸的行程是液气弹簧装置较为重要的参数，油缸的行程必须保证安全机构螺纹间隙消失后液气弹簧油缸尚保留一定的富裕行程，以避免安全机构螺纹间隙尚未消失而油缸行程已用尽而发生安全机构无法提供支承的事故。为此，螺纹间隙应尽量考虑较大值，即上下螺纹间隙不相等而偏向一侧时的较大间隙值，同时应考虑安全机构和驱动机构所在承船厢结构在承船厢发生失衡事故时的变位差值。对于大中型齿轮齿条爬升式升船机，液气弹簧油缸行程可按下列公式计算：
fs＝2(2dsb+df+dm-5mm) (1)
式中，fs为液气弹簧油缸行程；dsb为安全机构理论螺纹间隙(即上下螺纹副间隙相等时的螺纹间隙值)；df为安全机构和驱动机构所在承船厢结构在承船厢发生失衡事故时的变位差值；dm为油缸行程的裕度。上式中2dsb-5mm代表由于各种原因使上下螺纹副不均衡而导致的单侧最大螺纹间隙。
2)气囊式蓄能器的总容积计算
气囊式蓄能器内的气体的压力p和容积V满足波义耳定律
pVn＝C (2)
式中，n为指数，C为常数。对于等温热力学过程，n＝1；对于绝热热力学过程，n＝1.4。升船机升降运行中的承船厢失衡事故一般是由承船厢漏水引起，三峡升船机和向家坝升船机的现场试验表明，由承船厢漏水事故引起的液气弹簧动作相对较缓，因此，液气弹簧气囊式蓄能器设计可按等温过程考虑。因此，液气弹簧气囊式蓄能器设计的基本方程为
p0V0＝p1V1＝p2V2＝C (3)
式中p0为气囊式蓄能器充气后的初始压力，V0为初始容积，亦即气囊式蓄能器总容积；p1为液气弹簧开始动作初始时刻的蓄能器压力，V1为该时刻的气囊式蓄能器容积；p2为液气弹簧动作终了时刻的气囊式蓄能器压力，V2为该时刻的气囊式蓄能器容积。
Figure BDA0002446590980000111
Figure BDA0002446590980000112
(4)、(5)式中Di为液气弹簧油缸的内径，λ为小齿轮托架机构的杠杆比：
Figure BDA0002446590980000121
L1和L2分别为小齿轮托架底铰座至液气弹簧油缸支铰座和底铰座至小齿轮的距离，如图6所示。
Fsp为液气弹簧变形初始时刻的齿轮载荷，Flim为齿轮极限载荷，气囊式蓄能器的有效容积为与液气弹簧油缸活塞全行程移动所排出的液压油体积：
Figure BDA0002446590980000122
根据(3)式和(6)式，可求得气囊式蓄能器总容积为
Figure BDA0002446590980000123
需要指出的是，由于等温过程是理想的热力学过程，液气弹簧动作过程中系统温度不可避免地会变化，特别是当承船厢由于升降过程发生卡阻、承船厢发生大量漏水等原因而使小齿轮载荷快速增加时，气囊式蓄能器实际热力学过程与等温过程会有一定的偏差，按等温过程进行的计算使气囊式蓄能器总容积偏小，因此按(7)式计算的气囊式蓄能器总容积应视为最小值，在确定气囊式蓄能器总容积设计值时，应考虑适度的裕量。
3)液气弹簧的弹性系数函数和机械特性函数
在液气弹簧动作过程中，与液气弹簧活塞杆位移x相对应的体积为
V(x)＝V1-Sx (8)
上式中S＝πDi 2/4为液气弹簧油缸无杆腔面积。
根据等温过程的波义耳定律
pV(x)＝C (9)
对(8)式两边微分，得
dpV(x)+pdV(x)＝0 (10)
将(8)、(9)式代入(10)式
Figure BDA0002446590980000131
将C＝p1V1以及Fsp＝Sp1/λ代入(11)式，得
Figure BDA0002446590980000132
液气弹簧油缸动作过程中的轴向载荷为
F(x)＝p(x)S (13)
将(13)式代入(12)式，得液气弹簧的弹性系数函数为
Figure BDA0002446590980000133
从(14)可看出，液气弹簧的弹性系数函数为位移的正值非线性函数。
根据(14)求积分，可求得液气弹簧的机械特性曲线。将(14)写成如下形式
Figure BDA0002446590980000134
对(15)式两边积分
Figure BDA0002446590980000135
液气弹簧的机械特性曲线精确表达式为
Figure BDA0002446590980000136
令F0＝Fsp/λ，x0＝V1/S，(17)式可写为
Figure BDA0002446590980000141
为便于升船机系统动力学分析和控制，也可将(18)式写成如下多项式级数形式
Figure BDA0002446590980000142
由于x/x0<<1，该级数是收敛的,因此，可以略去n>3的项，得
Figure BDA0002446590980000143
很明显,该液气弹簧为初始载荷为F0，预压缩量为x0的预压缩非线性弹簧。需要注意的是，(18)和(20)式对应的是F(x)和x均为正数的情况，即对应于x-F(x)坐标平面第一象限的情况。由于液气弹簧可承受双向载荷，(18)和(20)式对应的机械特性曲线相对于x-F(x)坐标原点反对称。
载荷转移实施过程：
1、按图1～5安设齿轮托架机构，并按图7与小齿轮托架机构相连。液气弹簧机构与气囊式蓄能器按图6进行配置，液气弹簧油缸按式(1)确定。
2、设定气囊式蓄能器初始压力p0和初始体积V0，其中初始压力按升船机驱动机构停机载荷设定：
Figure BDA0002446590980000144
式中，Fds为驱动机构超载停机小齿轮设定载荷。初始体积按式(7)确定。
3、在升船机实际运行中，当升船机承船厢与上下闸首对接过程结束，集控总站发出“船厢升降运行”指令时，液压系统向气囊式蓄能器10注入压力油液，使其初始压力为p0，从而使驱动机构小齿轮托架17形成升降过程承船厢的支承结构，并按“权利要求书”和“发明内容”所述的原理行使液气弹簧载荷传递及向安全机构转移的功能。
4、当升船机完成并结束当次升降运行后，在集控总站发出“船厢对接”指令后，在确认升船机对接锁定已经形成对承船厢的支承之后，气囊式蓄能器10的压力泄至接近于零的值，其压力值大小根据齿轮轴的重量确定，从而使驱动机构小齿轮托架仅支承开式小齿轮19的重量使其保持机构构型，而不具备承受外载的能力，承船厢转而由对接锁定机构锁定，驱动机构开式小齿轮19处于卸载状态，从而使开式小齿轮19在船厢与上下闸首对接过程中免受外载作用，避免由船厢和塔柱相对水平移动导致的小齿轮沿宽度方向的带载滑动。
当齿轮载荷小于由气囊式蓄能器油压确定的弹簧变形初始载荷时，两活塞被其间的油缸无杆腔的油压力顶靠在油缸两端，液气弹簧保持初始位置，从而维持驱动机构齿轮与齿条啮合的正常承载和运行；当齿轮负荷超过弹簧变形初始载荷时，通过该结构测量轴发出驱动机构超载信号，驱动系统停机；同时油缸超载负荷形成的两活塞之间的油压使油缸由杆腔的体积减小,液压油的压力使气囊式蓄能器的气体体积压缩，并使其中一端的受压活塞产生位移，并由此产生机构下部与小齿轮托架的连接铰点的上下移动以及液气弹簧油缸绕与承船厢连接支铰的转动,从而引发小齿轮托架机构的运动,使安全机构旋转螺杆与螺母柱螺纹副间隙减小，直至安全机构螺纹副间隙消失，最终形成安全机构承受承船厢不平衡载荷的几何接触条件。
该安全型液气弹簧装置在升船机正常升降运行工况作为开式齿轮在承船厢上的支承系统的组成部分，参与承船厢不平衡载荷向塔柱结构的载荷传递；在承船厢失衡事故工况下，通过液气弹簧装置超载产生的蓄能器空气的压缩以及由此产生的双活塞杆油缸两端活塞杆的移动，从而使双活塞油缸的载荷和位移呈现弹簧的机械特性；该装置的机构设置,使得双活塞油缸两活塞各自的单向轴向移动,导致该装置下法兰盘上与小齿轮托架底梁连接支铰轴的上下移动,从而使安全机构间隙缓慢地消失。液气弹簧装置的机构设计使双活塞杆液气弹簧油缸的每个活塞杆仅承受单向轴向载荷，且每个液气弹簧油缸在驱动机构超载时活塞杆的运动,导致该装置与小齿轮托架底梁连接铰点沿液气弹簧油缸轴线的向上或向下运动以及液气弹簧油缸绕支铰轴的转动,从而使螺纹间隙消失形成的螺纹接触副与承船厢不平衡载荷的方向相对应。
双活塞油缸两活塞各自的单向轴向移动,导致该装置下法兰盘上与小齿轮托架底梁连接支铰轴的上下移动,从而使安全机构间隙缓慢地消失，双活塞杆液气弹簧油缸的每个活塞杆仅承受单向轴向载荷，且每个液气弹簧油缸在驱动机构超载时活塞杆的运动,导致该装置与小齿轮托架底梁连接铰点沿液气弹簧油缸轴线的向上或向下运动以及液气弹簧油缸绕支铰轴的转动,从而使螺纹间隙消失形成的螺纹接触副与承船厢不平衡载荷的方向相对应，实现安全平稳的载荷转移。
在正常工况，齿轮齿条全平衡垂直升船机承船厢的不平衡力、摩擦力和惯性力等负载通过驱动机构液气弹簧、齿轮托架、小齿轮通过齿条传递至塔柱，并由电动机、减速器和万向联轴节向开式齿轮提供动力，克服驱动机构负载驱动承船厢升降运行。开式齿轮通过齿轮托架和液气弹簧装置支承在承船厢侧翼结构平台上，通过齿轮托架机构相对于齿条水平横向定位。塔柱和承船厢的水平相对位移和角位移通过齿轮托架适应。液气弹簧油缸机构底部与齿轮托架底梁通过测量轴和轴承铰接。在承船厢正常升降工况，液气弹簧油缸作为向塔柱传递承船厢不平衡力的传力构件之一，既不因齿轮托架机构适应塔柱和承船厢相对位移而发生整体转动，也不会发生由轴向载荷引起的活塞轴向位移。当承船厢因漏水等原因失衡导致驱动机构过载时，液气弹簧装置通过气囊式蓄能器中气体的压缩以及双作用油缸活塞的轴向移动，引发齿轮托架机构的运动，使安全机构旋转螺杆和螺母柱一侧的螺纹间隙平稳缓慢地消失，从而为安全机构承受承船厢失衡事故载荷提供了必需的条件。安全机构旋转螺杆和螺母柱螺牙间隙消失并相互接触后，承船厢由失衡事故产生的新增的不平衡力通过安全机构螺纹副传递至螺母柱及塔柱结构，驱动机构开式齿轮的载荷不再增加，从而使驱动机构免予承受较大的事故载荷。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖向”、“横向”“平行”“垂直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种升船机中应用的安全型液气弹簧装置，其特征在于：包括支架(1)、测量轴(2)、下法兰(3)、导向轴套(4)、自润滑轴承(5)、液气弹簧油缸(6)、拉杆(7)、上法兰(8)、自润滑滑动套筒(9)、气囊式蓄能器(10)及油管(11)；
所述支架(1)的下端固定安装在承船厢结构(18)上，气弹簧油缸(6)采用双活塞杆式，液气弹簧油缸(6)中部的支铰轴(6-3)通过自润滑轴承(5)支承于支架(1)；液气弹簧油缸(6)的上活塞杆(6-1)端部与上法兰(8)通过螺纹进行连接，液气弹簧油缸(6)的下活塞杆(6-2)下端通过导向轴套(4)与下法兰(3)的安装孔(3-1)以间隙配合装配，测量轴(2)固定安装在下法兰(3)的下端且其下端和齿轮托架机构底梁形成铰接结构；上、下法兰通过拉杆(7)相连，上法兰(8)的上法兰拉杆安装孔(81)上安装了带法兰的自润滑滑动套筒(9)，拉杆(7)上端套于带法兰的自润滑滑动套筒(9)内孔且顶部以螺母定位，拉杆(7)下端则通过螺母固定于下法兰(3)；通过底部的测量轴与齿轮托架机构底梁形成铰接，从而与小齿轮托架共同组成传力系统，将升船机升降工况下承船厢的不平衡载荷传递至塔柱；所述气囊式蓄能器(10)通过油管(11)和液气弹簧油缸(6)的无杆腔(6-4)相通；
液气弹簧油缸(6)与外部液压泵站的气囊式蓄能器(10)连通，液气弹簧预紧力由蓄能器的油压确定，并可根据需要调整；油缸与蓄能器组成的液气弹簧具有预压缩非线性弹簧的位移载荷特性：当齿轮载荷小于由蓄能器油压确定的预紧载荷时，液气弹簧油缸(6)两端的活塞被油压力顶靠在液气弹簧油缸(6)缸体的两端，液气弹簧油缸(6)两端的活塞保持初始位置，从而维持驱动机构齿轮与齿条啮合的正常承载和运行；当齿轮负荷超过预紧载荷时，双活塞杆液气弹簧油缸无杆腔(15)的油压超过初始值，并压缩蓄能器的气囊(10-1)的气体使气体体积缩小，无杆腔(6-4)内的油液进入蓄能器(10)，使液气弹簧油缸(6)的受压活塞产生轴向位移；并由此产生测量轴(2)下部与小齿轮托架底梁(16)的连接铰点的上下移动以及液气弹簧油缸(6)绕与承船厢连接支铰的转动,从而引发小齿轮托架(17)的运动,使安全机构旋转螺杆与螺母柱螺纹副间隙减小，直至安全机构螺纹副间隙消失，最终形成安全机构承受承船厢不平衡载荷的几何接触条件；当齿轮齿齿条爬升式升船机承船厢发生失衡事故时，通过液气弹簧油缸上活塞杆(6-1)和下活塞杆(6-2)的轴向移动，位于液气弹簧底部的测量轴(2)与小齿轮托架底梁(16)的铰接处发生上下位移,实现船厢竖向支承由小齿轮和齿条向安全机构旋转螺杆和螺母柱平稳过渡。
2.根据权利要求1所述的升船机中应用的安全型液气弹簧装置，其特征在于：所述底部测量轴(2)通过装配在下法兰(3)轴孔内的自调心滚动轴承(12)以及底梁端部的支铰孔内与齿轮托架机构底梁形成铰接。
3.根据权利要求1所述的升船机中应用的安全型液气弹簧装置，其特征在于：所述支架(1)包括底板(1-1)、竖向板(1-2)及加强三角板(1-3)，底板(1-1)通过底板螺栓(15)和承船厢结构(18)相连，竖向板(1-2)垂直安装在底板(1-1)的上端面，起加强作用的加强三角板(1-3)的两个侧边分别固定安装在底板(1-1)、竖向板(1-2)上。
4.根据权利要求1所述的升船机中应用的安全型液气弹簧装置的载荷转移方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：设定液气弹簧油缸行程，油缸的行程必须保证安全机构螺纹间隙消失后液气弹簧油缸尚保留一定的富裕行程，以避免安全机构螺纹间隙尚未消失而油缸行程已用尽而发生安全机构无法提供支承的事故；为此，螺纹间隙应尽量考虑较大值，即上下螺纹间隙不相等而偏向一侧时的较大间隙值，同时应考虑安全机构和驱动机构所在承船厢结构在承船厢发生失衡事故时的变位差值；液气弹簧油缸行程按下式计算：
fs＝2(2dsb+df+dm-5mm)
式中，fs为液气弹簧油缸行程；dsb为安全机构理论螺纹间隙(即上下螺纹副间隙相等时的螺纹间隙值)；df为安全机构和驱动机构所在承船厢结构在承船厢发生失衡事故时的变位差值；dm为油缸行程的裕度；上式中2dsb-5mm代表由于各种原因使上下螺纹副不均衡而导致的单侧最大螺纹间隙；
步骤二：设定蓄能器充气后的初始压力p0和初始体积V0；
步骤三：在升船机实际运行中，当升船机承船厢与上下闸首对接过程结束，集控总站发出“船厢升降运行”指令时，启动外部液压系统向蓄能器(10)注入压力油液，使其初始压力为p0，从而使驱动机构小齿轮托架(17)形成升降过程承船厢的支承结构；
当液气弹簧装置在测量轴部位承受小齿轮托架底梁(16)传递的竖直向下载荷时,该载荷经过下法兰(3)、带螺纹拉杆(7)、上法兰盘传递至上部活塞杆(6-1)，形成上部活塞对液气弹簧油缸无杆腔(6-4)的压力；当该向下载荷小于由蓄能器设定的液气弹簧油缸无杆腔(6-4)内油液对上部活塞杆的初始油压力时，上部活塞杆(6-1)保持不动；当该向下载荷大于液气弹簧油缸无杆腔(6-4)油液初始设定值时，所产生的无杆腔(6-4)内油液压缩蓄能器(10)的空气，从而使上部活塞杆向下移动，从而使液气弹簧油缸无杆腔(6-4)的体积减小,进一步压缩蓄能器(10)的气体,使液气弹簧油缸无杆腔的压力增大；与此同时，下法兰(3)在向下的外部载荷作用下亦同时向下位移，此时与下活塞杆底端螺纹连接的导向轴套(4)相对于下法兰内孔相对滑动，从而使下活塞杆(6-2)不受外载荷作用，并相对于液气弹簧油缸(6)缸体保持静止；下法兰(3)及其测量轴(2)向下的运动可引发小齿轮托架(16)机构的对应运动，从而使承船厢产生向下的位移，导致安全机构旋转螺杆和螺母柱的下部螺纹间隙减小；
当液气弹簧装置在测量轴(2)部位承受小齿轮托架(16)底梁传递的竖直向上的载荷时,该载荷通过导向轴套(4)传递至下部活塞杆，形成下部活塞对液气弹簧油缸无杆腔(6-4)的压力；当该向上的载荷小于由蓄能器(10)设定的液气弹簧油缸无杆腔(6-4)内油液对下部活塞杆的初始油压力时，下部活塞杆保持不动；当该向上的载荷大于液气弹簧油缸无杆腔(15)内油液初始设定值时，所产生的无杆腔内油液压缩蓄能器的空气，从而使下部活塞杆(6-2)向上移动，从而使液气弹簧油缸无杆腔(6-4)的体积减小,进一步压缩蓄能器(10)内的气体,使液气弹簧油缸无杆腔(6-4)的压力增大；下法兰在向上外载荷作用下向上移动；此时下法兰螺纹连接的拉杆也随之向上移动；由于拉杆上端空套于带法兰的自润滑轴套(9)的内孔，拉杆(7)向上运动时不会对上法兰(8)产生作用力，上法兰(8)及其上活塞杆(6-1)相对于液气弹簧油缸缸体保持静止；下法兰(3)及其测量轴(2)向上的运动可引发小齿轮托架(17)的对应运动，从而使承船厢结构(18)产生向上的位移，导致安全机构旋转螺杆和螺母柱的上部螺纹间隙减小；
步骤四：当升船机完成并结束当次升降运行后，在集控总站发出“船厢对接”指令后，在确认升船机对接锁定已经形成对承船厢的支承之后，液气弹簧蓄能器(10)的压力泄至接近于零的值，其压力值大小根据齿轮轴的重量确定，从而使驱动机构小齿轮托架(17)仅支承开式小齿轮(19)的重量使其保持机构构型，而不具备承受外载的能力，承船厢转而由对接锁定机构锁定，驱动机构开式小齿轮(19)处于卸载状态，从而使开式小齿轮(19)在船厢与上下闸首对接过程中免受外载作用，避免由船厢和塔柱相对水平移动导致的开式小齿轮(19)沿宽度方向的带载滑动。
5.根据权利要求4所述的升船机中应用的安全型液气弹簧装置的载荷转移方法，其特征在于：所述初始压力P0按升船机驱动机构停机载荷设定：
Figure FDA0002446590970000051
初始体积V0按下式确定：
Figure FDA0002446590970000052
式中：
Fds为驱动机构超载停机小齿轮设定载荷；
p0为气囊式蓄能器充气后的初始压力；p1为液气弹簧开始动作初始时刻的蓄能器压力；
V1为该时刻的气囊式蓄能器容积；p2为液气弹簧动作终了时刻的气囊式蓄能器压力，V2为该时刻的蓄能器容积；
Di为液气弹簧油缸的内径；
λ为小齿轮托架机构的杠杆比，
Figure FDA0002446590970000061
L1和L2分别为小齿轮托架底铰座至液气弹簧油缸支铰座和底铰座至小齿轮的距离；
Fsp为液气弹簧变形初始时刻的齿轮载荷，Flim为齿轮极限载荷；
Vw为气囊式蓄能器的有效容积，
Figure FDA0002446590970000062
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112145604A (zh) * 2020-10-23 2020-12-29 河北机电职业技术学院 一种可调式液压减震器
CN113338251A (zh) * 2021-06-17 2021-09-03 安徽工业大学 一种便于海运轮船在桥梁底部通航的充气式升降结构

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