丁 軍

（江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇揚(yáng)州 225127）

三河閘弧門支鉸軸及軸套更換方案研究

丁 軍

（江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇揚(yáng)州 225127）

淮河入江水道三河閘工程弧門支鉸軸套，在設(shè)計(jì)擋水位下，其承壓應(yīng)力σcg=72MPa,已嚴(yán)重超過規(guī)范的容許應(yīng)力［σcg］=40MPa。鉸軸的彎曲應(yīng)力也略大于容許應(yīng)力?？紤]到當(dāng)時(shí)的支鉸結(jié)構(gòu)的特殊性以及工期緊等客觀條件，軸套及鉸軸一直超工況使用，給工程安全埋下了隱患，急需做更換處理。本文根據(jù)目前自潤(rùn)滑軸套的材料特點(diǎn)，對(duì)該工程弧門支鉸軸及軸套進(jìn)行更換設(shè)計(jì)和研究。

支鉸軸套 容許應(yīng)力 自潤(rùn)滑軸套 更換設(shè)計(jì)

1　前言

三河閘工程位于江蘇省洪澤縣，是淮河下游洪澤湖主要泄洪河道淮河入江水道的控制建筑物，該工程于1952年10月1日動(dòng)工興建，1953年7月26日建成放水，它是建國(guó)初期我國(guó)自行設(shè)計(jì)自行施工的大(Ⅰ)型水閘。共63孔，每孔凈寬10m，閘身總寬697.75m，設(shè)計(jì)流量為12000m3/s。閘門為鋼結(jié)構(gòu)弧形門，重14.98噸。每孔設(shè)QH-2×100kN-12m弧門啟閉機(jī)一臺(tái)，啟門速度約為0.19m/min。閘門支承形式為直支臂支承，支鉸軸直徑φ100mm，材料為45#鋼，軸套為φ100×110-66mm，材料相當(dāng)于ZCuSn10Zn2錫青銅,在正常蓄水工況下， 軸套的承壓應(yīng)力σ cg=72MPa。約超出現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范ZQAl9-4銅容許徑向承壓應(yīng)力的1.5倍，工程處于帶病運(yùn)行狀態(tài)，雖經(jīng)論證，在一定的條件下可以使用，但仍然是工程隱患，急需對(duì)其進(jìn)行重新研究和更換處理。

2　歷史加固支鉸軸和軸套處理情況

1992年到1995年，三河閘進(jìn)行了歷史上的第三次加固，也是對(duì)金屬結(jié)構(gòu)部分最大的一次加固，原鉚接的鋼閘門全部更新為鋼結(jié)構(gòu)實(shí)腹式雙主梁結(jié)構(gòu)弧門。對(duì)弧門支鉸座部位，經(jīng)過復(fù)核計(jì)算，在擋水水位（H上=13.5m，H下=7.5m）的工況下，軸套的承壓應(yīng)力σcg=72MPa,已嚴(yán)重超過當(dāng)時(shí)承壓高的鑄錫青銅ZCuSn10Zn2的容許應(yīng)力［σcg］=40MPa。 45#鋼支鉸軸的彎曲應(yīng)力σ=159MPa，也略大于其容許應(yīng)力［σ］=145MPa?？紤]到當(dāng)時(shí)支鉸結(jié)構(gòu)的特殊性以及工期緊等客觀條件，欲保留軸套繼續(xù)使用。為慎重起見，1991年9～10月，由原三河閘管理處委托水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)檢中心，對(duì)在役軸套進(jìn)行了安全試驗(yàn)，并出具了《江蘇三河閘在役弧形閘門支鉸軸套試驗(yàn)報(bào)告》。試驗(yàn)報(bào)告結(jié)論和建議如下：

2.1試驗(yàn)結(jié)論

（1）經(jīng)過化學(xué)分析，在役軸套材料屬于錫青銅，相當(dāng)于現(xiàn)行牌號(hào)為ZCuSn10Zn22的銅合金。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，在不改變現(xiàn)有使用工況條件和軸套與支鉸、軸套與軸的原狀態(tài)下，使用小于90MPa承壓力較適宜。

（3）經(jīng)過在役軸套檢測(cè)和試驗(yàn)表明，在現(xiàn)有條件下，軸套繼續(xù)使用是可以的。

2.2試驗(yàn)建議2

（1）軸套運(yùn)行時(shí)必須保證潤(rùn)滑，否則，原有的設(shè)計(jì)條件都滿足不了，對(duì)軸套的使用將更加不利。

（2）因現(xiàn)有工況已超出現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范許用應(yīng)力的兩倍多，若有條件，還是適當(dāng)加大軸套的尺寸，以增加軸套的安全儲(chǔ)備為宜。

根據(jù)水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)檢中心的檢測(cè)報(bào)告，考慮當(dāng)時(shí)的技術(shù)和材料特性以及工期要求，我公司經(jīng)過研究決定，保留原支鉸軸套尺寸不變，保留原支鉸座，為縮小承壓應(yīng)力差，將原軸套材料更換為鑄鋁鐵青銅ZQAL9-4，并增設(shè)安全可靠的加油設(shè)施。

3　支鉸軸及軸套更換實(shí)施緣由

3.1強(qiáng)度不滿足規(guī)范要求

2009年，根據(jù)啟閉機(jī)檢測(cè)情況，在入江水道整治工程中，研究決定對(duì)啟閉機(jī)作更換處理。2013年5月全部更換為QH-2×100kN-12m弧門啟閉機(jī),共63臺(tái)套。2011年2月，我公司受江蘇省洪澤湖管理處委托，對(duì)三河閘工程金屬結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行了安全復(fù)核。根據(jù)復(fù)核結(jié)果，弧形鋼閘門強(qiáng)度滿足要求。對(duì)閘門支鉸座部分，按照三河閘加固后的水位（H上=13.5m，H下=7.5m），發(fā)現(xiàn)軸套的承壓應(yīng)力σcg=72MPa,仍遠(yuǎn)大于鑄鋁鐵青銅ZQAL9-4的容許應(yīng)力［σcg］=50MPa。45#鋼鉸軸的彎曲應(yīng)力σ=156MPa，也略大于其容許應(yīng)力［σ］=145MPa。具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　閘門支鉸軸及軸套計(jì)算成果表

3.2現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況惡化

經(jīng)過近20年的運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用情況有一些惡化，具體表現(xiàn)在：

（1）原設(shè)計(jì)的加油潤(rùn)滑設(shè)施已報(bào)廢無(wú)法使用。

（2）更換后的鑄鋁鐵青銅ZQAL9-4軸套的使用荷載仍超出規(guī)范許用應(yīng)力1.5倍，無(wú)安全儲(chǔ)備，仍在有一定塑變量的極限范圍內(nèi)工作。

從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用情況看，為了保證工程安全，我們建議對(duì)原遺留問題軸套、鉸軸（材料由45#鋼改為40Cr材料）等零部件進(jìn)行更換。

4　目前國(guó)內(nèi)軸套新技術(shù)發(fā)展

隨著新技術(shù)、新材料不斷的出現(xiàn)，軸套的材料和性能都有很大的提高，由原普通的鑄鋁鐵青銅ZQAl9-4已發(fā)展到高承壓的銅合金材料（俗稱高力黃銅合金），加油潤(rùn)滑已經(jīng)發(fā)展到自潤(rùn)滑。該自潤(rùn)滑銅合金軸套在國(guó)內(nèi)已普遍使用，技術(shù)很成熟，生產(chǎn)廠家多，主要分布在大連和浙江嘉善。

4.1軸套性能比較

由于主要化學(xué)成分不同，導(dǎo)致現(xiàn)軸承鑄鋁鐵青銅ZQAl9-4和擬用自潤(rùn)滑耐高壓軸套的力學(xué)性能不同。其主要化學(xué)成分比較見表2。力學(xué)性能比較見表3。

5　軸套、鉸軸更換設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以上軸套材料的力學(xué)分析，采用高力黃銅的自潤(rùn)滑軸套FZ-5(3)、DF-5(4)、JDB-650，其許用動(dòng)荷載均大于現(xiàn)行工況下三河閘軸套的承壓應(yīng)力σcg=72MPa,在不須加潤(rùn)滑設(shè)施的情況下，滿足三河閘工程軸套的使用要求。具體施工措施為軸套、鉸軸更換施工在兩個(gè)非汛期完成，根據(jù)現(xiàn)有檢修門的數(shù)量，可考慮10次周轉(zhuǎn)施工，一次同時(shí)施工6孔。施工時(shí)，先放下檢修門，在下游搭鋼結(jié)構(gòu)操作平臺(tái)，抬升閘門離開閘底板50cm左右后在門底擱置好，在門頂胸墻處焊接固

表2　軸套化學(xué)成分比較表

表3　軸套力學(xué)性能比較表

定牢靠，兩支臂之間采用鋼撐固定，支臂與鉸座焊接牢靠后，拆除鉸軸和鉸鏈，最后從鉸鏈上拆出原軸套。在拆出過程中注意要保證閘門變形在可控范圍內(nèi)，以便最后能保證新軸套和鉸軸的安裝。

6　結(jié)語(yǔ)

三河閘工程為大(Ⅰ)型水閘，外形體量大、壯觀，是確保里下河地區(qū)3000萬(wàn)畝農(nóng)田和2000萬(wàn)人民生命財(cái)產(chǎn)安全的咽喉工程。采用安全可靠的自潤(rùn)滑軸承是工程安全的保證。隨著新技術(shù)、新材料的不斷出現(xiàn)，加上可靠的施工措施，三河閘工程將更加安全可靠。

1.滑動(dòng)軸承銅合金鑲嵌固體潤(rùn)滑軸承.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.9.

2.《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5019-95).北京：中國(guó)電力出版社,1996.1.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.024

TV34

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1672-2469（2014）08-0077-02

丁 軍（1967年—），男，高級(jí)工程師。