王 榮姜海濤周建華

（1.江蘇省河道管理局，江蘇南京 210029；2.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇淮安 223005；3.淮安市淮陰區(qū)水利局，江蘇淮安 223300）

1 概述

泗洪泵站樞紐是南水北調(diào)東線第一期工程的第四級(jí)抽水泵站，工程的主要任務(wù)是由洪澤湖抽水入徐洪河，與睢寧泵站和邳州泵站一起通過徐洪河向駱馬湖調(diào)水100m3/s，實(shí)現(xiàn)與中運(yùn)河線共同滿足向駱馬湖調(diào)水27.51萬m3/s的目標(biāo)，并結(jié)合徐洪河地區(qū)的排澇，改善航運(yùn)。工程包括：泵站、排澇調(diào)節(jié)閘、徐洪河節(jié)制閘、利民河排澇閘、泗洪船閘及引河等調(diào)水、排澇、擋洪、航運(yùn)交通建筑物。建筑物中船閘級(jí)別為Ⅴ級(jí)（規(guī)劃Ⅲ級(jí)），設(shè)計(jì)船舶噸級(jí)300 t，兼顧1000 t級(jí)船舶通航。船閘閘孔凈寬16m，上下閘首各配兩扇人字門，上閘首人字門平面尺寸為9.75 m×9.58 m（高×寬，下同），下閘首人字門平面尺寸為10.25 m×9.58m，設(shè)計(jì)水頭均為4.5m，采用頂、底樞支承。

2 底樞設(shè)計(jì)

底樞是人字門重要且復(fù)雜的部件，它的基本組成部分有半圓球軸頭（蘑菇頭）、襯套、軸承巢及底樞支承座、軸承臺(tái)，一般可分為可動(dòng)式底樞和固定式底樞。不同的底樞型式對(duì)應(yīng)于不同的支、枕座安裝方式，泗洪船閘采用的是落拱較小的連續(xù)的支、枕座，因而底樞采用的是與之配套的固定式底樞。底樞裝配平面和剖面圖見圖 1、圖 2。

2.1 半圓球軸頭及襯套

半圓球軸頭半徑300mm，材料選用40Cr，襯套材料采用ZCuAL10Fe3。半圓球軸頭在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)滿足半圓球軸頭與襯套的承壓應(yīng)力、軸頭頸部的承壓應(yīng)力、頸部剪應(yīng)力均小于允許應(yīng)力。

半圓球軸頭與襯套的承壓應(yīng)力采用公式（1）計(jì)算。

式中：

σcg—承壓應(yīng)力，N/mm2；

R—底樞反力，40 t；

Ay—半球頭面積，70650mm2。

則 σcg=5.7N/mm2<［σcg］＝20N/mm2，滿足要求。

軸頭頸部的承壓應(yīng)力采用公式（2）計(jì)算。

式中：

σcj—承壓應(yīng)力，N/mm2；

R—底樞反力，40 t；

d1—內(nèi)徑，300mm；

d2—外徑，360mm。

則 σcj＝12.8 N/mm2<［σcj］=95 N/mm2，滿足要求。

圖1 底樞裝配平面圖

圖2 底樞裝配剖面圖

頸部剪應(yīng)力采用公式（3）計(jì)算。

MRN—摩擦扭矩，kN·m（MRN=RZ×f×ρ，R=40 t，摩擦系數(shù) f=0.5，磨擦臂ρ=2/3×r=100mm，則 MRN=20.0 kN·m）；

Wn—抵抗矩，5263mm3。

則 τ=3.8N/mm2<［τ］=95N/mm2，滿足要求。

半圓球軸頭除應(yīng)滿足上述應(yīng)力要求外，還應(yīng)滿足摩擦力小、耐磨損及具有足夠的表面硬度等條件。工程實(shí)踐中很多人字門均因半圓球軸頭及襯套磨損而不能正常工作，因此，必須選擇合適的材料及潤滑方式。傳統(tǒng)的半圓球軸頭采用45#碳鋼，表面堆焊不銹鋼以提高軸頭表面的耐磨及耐腐蝕性能。但是，大面積堆焊不銹鋼時(shí)如果焊材或者焊接工藝選擇不當(dāng)，在焊縫熔合區(qū)及熱影響敏化區(qū)容易造成晶間腐蝕，給工程運(yùn)行帶來隱患。

泗洪船閘半圓球軸頭采用40Cr，該鋼價(jià)格適中，加工容易，經(jīng)淬火、低溫回火及調(diào)質(zhì)處理后可承受重負(fù)荷并具有耐磨性。設(shè)計(jì)要求對(duì)零件進(jìn)行淬火處理，HRC45～50，外層鍍鉻，厚度為0.05 mm軟鉻+0.07 mm硬鉻，Ra1.6μm，可滿足元件的運(yùn)行要求。襯套采用ZCuAL10Fe3并鑲嵌固體潤滑劑，該材料具有承載力高、耐腐蝕、摩擦系數(shù)低、不損傷對(duì)磨表面等優(yōu)點(diǎn)，并可在無油的情況下起到自潤滑作用。其承載能力可達(dá)140 MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥650 MPa，屈服強(qiáng)度σs≥250 MPa，延伸率 δ5≥13，硬度≥HB110，摩擦系數(shù)僅為 0.08～0.13。為進(jìn)一步降低摩擦系數(shù)及延長使用壽命，在襯套內(nèi)壁開設(shè)兩道油槽，槽長850 mm，槽寬 14mm，槽深 4mm，夾角為90°，并設(shè)置回油口以形成回油通道，方便襯套內(nèi)潤滑脂的更新。半圓球軸頭和襯套的結(jié)構(gòu)示意見圖3、圖4。

2.2 軸承巢與底樞支承座

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 半圓球軸頭結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

圖4 襯套結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

圖5 軸承巢與底樞支承座結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

一般軸承巢與底樞支承座鑄成整體，結(jié)構(gòu)型式如圖5所示。圖中圓心A點(diǎn)即為襯套的安裝中心點(diǎn)，也是底樞垂直反力的中心及閘門轉(zhuǎn)動(dòng)中心。為了使閘門在啟動(dòng)后支承塊與枕墊塊能夠立即脫離減少磨損，門扇反力作用線應(yīng)偏向轉(zhuǎn)動(dòng)中心的下游，支承塊應(yīng)位于門扇反力作用線上。在底樞支承座的下游側(cè)預(yù)留底止水橡皮安裝座，使止水安裝簡潔、方便。在底樞支承座的適當(dāng)位置布置26只M24螺栓用于與閘門底橫梁腹板的連接，確保底樞支承座與閘門底橫梁連接牢固。軸承巢與底樞支承座的設(shè)計(jì)不僅要滿足襯套的安裝要求，同時(shí)還應(yīng)兼顧支承塊及底止水橡皮的安裝要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)緊湊、實(shí)用、巧妙。

2.2.2 材料與技術(shù)要求

軸承巢與底樞支承座材料選用價(jià)格適中、強(qiáng)度高、易加工的ZG310-570，鑄件需要進(jìn)行退火處理，以消除鑄件應(yīng)力。所有配合面、接觸面均應(yīng)精加工，襯套安裝面Ra1.6μm，其余配合面Ra6.3μm，非配合面無需加工。為保證安裝精度，底樞支承座螺栓孔應(yīng)與閘門底梁配鉆。

2.3 軸承臺(tái)

軸承臺(tái)是安裝、固定半球形軸頭的重要部件，除了應(yīng)滿足半球形軸頭的安裝要求外，還應(yīng)具備可靠的錨固措施，使得軸承臺(tái)與底板的混凝土可靠連接。泗洪站船閘底樞軸承臺(tái)選用價(jià)格適中、強(qiáng)度高、易加工的ZG310-570，并對(duì)鑄件進(jìn)行退火處理，以消除鑄件應(yīng)力。軸承臺(tái)采用10根M30×1000mm預(yù)埋螺栓與船閘底板連接固定，軸承臺(tái)結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 軸承臺(tái)結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

3 結(jié)語

目前，省內(nèi)水利行業(yè)設(shè)計(jì)的船閘人字門大多仍采用分段式的支、枕座及與之配套的微動(dòng)式底樞。這種支承及底樞型式落拱較大，安全系數(shù)低，常因落拱較大、底樞磨損嚴(yán)重而斷航檢修。近年來在大中型船閘的人字門中采用連續(xù)的鋼承壓塊支承的門軸柱與斜接柱及與之配套的固定式底樞逐漸增多，這種支承型式的閘門落拱小，運(yùn)行安全系數(shù)高，側(cè)止水和門縫止水使用壽命長，無需頻繁檢修，雖然耗鋼量有所增加，加工制造及安裝精度要求高，但是能夠滿足高標(biāo)準(zhǔn)大中型工程的運(yùn)行要求，確保運(yùn)行安全，減少檢修頻次，值得推廣。泗洪船閘人字門底樞不僅滿足襯套及半圓球軸頭的安裝運(yùn)行要求，同時(shí)還兼顧了支承塊及底止水橡皮的安裝要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、緊湊、巧妙。