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(guò)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(mǎn)足向駱馬湖調(diào)水27.51萬(wàn)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(mén)，上閘首人字門(mén)平面尺寸為9.75 m×9.58 m（高×寬，下同），下閘首人字門(mén)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(mén)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(jiàn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)足要求。

半圓球軸頭除應(yīng)滿(mǎn)足上述應(yīng)力要求外，還應(yīng)滿(mǎn)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(mén)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(rùn)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(lái)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(mǎn)足元件的運(yùn)行要求。襯套采用ZCuAL10Fe3并鑲嵌固體潤(rùn)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(wú)油的情況下起到自潤(rùn)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(zhǎng)使用壽命，在襯套內(nèi)壁開(kāi)設(shè)兩道油槽，槽長(zhǎng)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(rùn)滑脂的更新。半圓球軸頭和襯套的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)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(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)中心。為了使閘門(mén)在啟動(dòng)后支承塊與枕墊塊能夠立即脫離減少磨損，門(mén)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(mén)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(jiǎn)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(mén)底橫梁腹板的連接，確保底樞支承座與閘門(mén)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(mǎn)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(wú)需加工。為保證安裝精度，底樞支承座螺栓孔應(yīng)與閘門(mén)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(mǎn)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(jiàn)圖6。

圖6 軸承臺(tái)結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

3 結(jié)語(yǔ)

目前，省內(nèi)水利行業(yè)設(shè)計(jì)的船閘人字門(mén)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(lái)在大中型船閘的人字門(mén)中采用連續(xù)的鋼承壓塊支承的門(mén)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(mén)落拱小，運(yùn)行安全系數(shù)高，側(cè)止水和門(mén)縫止水使用壽命長(zhǎng)，無(wú)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(mǎn)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(mén)底樞不僅滿(mǎn)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。