陶 然，田 磊，陳明華，付君健

(1.長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002；2.水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002)

人字門是船閘重要設(shè)備之一，其左右兩扇門葉分別繞水道邊壁內(nèi)的垂直門軸旋轉(zhuǎn)，關(guān)閉水道時俯視形成“人”字形狀[1]。人字門頂樞是人字門頂端的支承裝置，它的重要作用是防止門體傾倒、與底樞配合保證門體的旋轉(zhuǎn)中心垂直[2]，主要由楔塊、A/B桿、錨架、頂樞軸及軸套、A/B桿連接軸等組成，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 人字門頂樞結(jié)構(gòu)

由于人字門運行頻次高，底樞軸瓦和蘑菇頭會磨損，密封件會損壞，從而影響人字門的安全穩(wěn)定運行，因此需定期頂升門體進行底樞檢修[3-4]。一般情況下，人字門在頂門施工前需拆除A/B桿，然而A/B桿拆除過程中，楔塊松動制約著A/B桿的拆除效率。主要原因是：1)楔塊長期運行未拆裝；2)經(jīng)過人字門啟閉牽拉的作用，楔塊與A/B桿安裝孔及錨架之間因擠壓而貼合緊密；3)結(jié)合面存在銹蝕填充雜物，導(dǎo)致楔塊松動過程阻力較大。目前人字門頂樞拉桿楔塊松動通常采用專用工裝配合液壓千斤頂?shù)姆绞綄⑿▔K與A/B桿安裝孔及錨架脫開[5]，但由于千斤頂頂升力直接作用于錨架，受力過大時會對錨架和錨架螺紋孔造成損傷，或者導(dǎo)致連接螺栓斷裂，存在安全隱患。

針對原有的人字門頂樞拉桿拆除過程中拉桿前后楔塊松動工藝安全風(fēng)險高、拆除效率低、螺紋孔易損傷且目前尚無成熟解決方案的問題，提出一種安全有效的人字門頂樞拉桿楔塊拆除設(shè)計方案，為葛洲壩船閘及國內(nèi)其他船閘人字門頂樞拉桿拆除提供參考。

1 人字門頂樞拉桿拆除工藝

1.1 人字門頂樞功能原理

由圖1可知，人字門頂樞起到上部固門作用，承受著自重、啟閉等產(chǎn)生的水平作用力以及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力。人字門頂樞楔塊分為前楔塊和后楔塊，前楔塊為人字門A/B桿及門體的固定承力楔塊，前楔塊的伸出高度對人字門門形起調(diào)整作用；后楔塊為人字門A/B桿的鎖定楔塊，當(dāng)人字門門形調(diào)整到位后對A/B桿進行鎖緊。人字門A/B桿通過前、后楔塊鎖定于錨架內(nèi)，與門體通過頂樞軸連接形成回轉(zhuǎn)中心，A/B桿對人字門起到牽拉作用。

1.2 人字門頂樞拆除工藝

人字門A/B桿拆除施工的重點在于人字門頂樞各部件的拆除，即利用專用工裝和設(shè)備依次拆除頂樞各零部件，主要包括拉桿楔塊松動、頂樞軸拆除、A/B桿連接軸拆除、A/B桿吊運移出等，拆除工藝見圖2。

圖2 人字門頂樞拆除工藝流程

1)拉桿楔塊松動。如圖3所示，2臺起重質(zhì)量為200 t的液壓千斤頂分別布設(shè)于前、后楔塊的上方及專用工裝的下方，利用專用工裝配合液壓千斤頂同步頂升，將楔塊與A/B桿安裝孔及錨架脫開，實現(xiàn)楔塊的松動。

圖3 拉桿楔塊松動

2)頂樞軸拆除。通過在頂樞軸上部焊接專用工裝拉架并布設(shè)千斤頂?shù)姆绞巾敵鲰敇休S。

3)A/B桿連接軸拆除。軸的下方無拆卸著力點，形成了不可拆卸的安裝，因此檢修時一般在軸的頂部焊接T型拉架，然后利用千斤頂將A/B桿連接軸頂起并吊出，見圖4。

圖4 A/B桿連接軸拆除

4)A/B桿吊運移出。首先固定B桿，用起重質(zhì)量32 t機械頂在錨架和A桿耳板間施加張力，使B桿與A桿耳板逐步脫開，同時在A桿尾部利用起重質(zhì)量16 t機械頂頂升A桿，使A桿頭部逐步露出門體耳板，然后系掛吊裝鋼絲繩和起重質(zhì)量10 t手拉葫蘆吊出A桿，同時在B桿尾部利用起重質(zhì)量16 t機械頂逐步頂升B桿并吊出。

從歷年葛洲壩船閘計劃性停航檢修期間人字門頂樞A/B桿的拆除現(xiàn)狀來看[6]，人字門頂樞A/B桿拆除過程存在檢修時間長、投入設(shè)備多、施工難度大、安全風(fēng)險高等問題，主要表現(xiàn)為拉桿楔塊松動制約著人字門頂樞A/B桿的拆除，因此需要設(shè)計一套人字門頂樞拉桿楔塊松動工裝，實現(xiàn)人字門頂樞拉桿前后楔塊的快速松動。

2 人字門頂樞拉桿楔塊松動工裝設(shè)計和工藝

2.1 工裝設(shè)計

考慮到葛洲壩船閘的實際工況，人字門頂樞拉桿楔塊松動工裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要由楔塊拆除頂架、液壓千斤頂、固定框、封板、調(diào)整墊墩、挑梁、液壓泵站、高壓軟管等組成，工裝裝配見圖5。

圖5 楔塊松動工裝裝配

人字門頂樞拉桿楔塊松動專用工裝使用步驟如下：1)架設(shè)楔塊拆除頂架，保證頂架中心位置與楔塊頂面重合。2)從錨架下端架設(shè)前后兩個挑梁，要求挑梁與楔塊拆除頂架垂直對應(yīng)。3)用4個固定框套入挑梁與頂架橫梁，并用鎖緊螺母鎖定。4)將4個圓柱調(diào)整墊墩架設(shè)在錨架下方和挑梁上方。5)使起重質(zhì)量200 t液壓千斤頂架設(shè)在頂架與楔塊頂面之間，利用千斤頂頂升力松動楔塊。

2.2 工藝

人字門頂樞拆除時需要在人字門失重狀態(tài)下進行，并且人字門頂樞拉架與左右兩側(cè)閘墻間距較小。根據(jù)人字門頂樞的受力條件以及作業(yè)環(huán)境，設(shè)計了葛洲壩船閘人字門頂樞拉桿楔塊松動工藝流程，見圖6。

圖6 葛洲壩船閘人字門頂樞拉桿楔塊松動工藝流程

人字門頂樞拉桿楔塊松動前，需依次解體頂樞A/B桿固定錨架、升降螺桿螺母、楔塊墊片千斤、A/B桿連接軸、頂樞軸，使得楔塊、A/B桿、門體與拉桿約束解除，最終由楔塊松動專用工裝拆除前后楔塊。

2.3 人字門頂樞拉桿楔塊松動工裝校核計算

2.3.1工裝材料選用

為驗證工裝設(shè)計的可靠性，需對工裝主要結(jié)構(gòu)進行校核計算。根據(jù)楔塊松動工裝設(shè)計要求，參照GB/T 1591—2018《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》[7]，工裝主要結(jié)構(gòu)材料均選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q345-A，其屈服強度σs=345 MPa，由于Q345-A為塑性材料，而塑性材料失效一般用屈服強度衡量，為了保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，需要考慮安全系數(shù)，一般取安全系數(shù)n=1.2，則結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足如下強度條件：

(1)

式中：σmax為結(jié)構(gòu)的最大工作應(yīng)力；[σ]為材料許用應(yīng)力，為287.5 MPa。

2.3.2工裝強度校核

由圖5可知，頂架受力危險部位在千斤頂加力處和頂架豎梁受力處[8]，考慮實際工況，工裝的實際承載能力為1 960 kN。

2.3.2.1頂架橫梁強度校核

頂架橫梁截面見圖7、受力見圖8。由圖8可知，頂架橫梁主要承受彎矩的作用，為驗證頂架橫梁的強度，首先根據(jù)頂架橫梁截面形狀和參數(shù)計算橫梁的抗彎截面系數(shù)：

(2)

式中：WZ為抗彎截面系數(shù)，僅與截面形狀和尺寸有關(guān)；IZc為頂架橫梁截面對形心軸Z的慣性矩；|ymax|為離頂架橫梁截面形心軸Z的最遠(yuǎn)距離。計算得WZ=7.6×10-4m3。

圖7 頂架橫梁截面(單位：mm。下同)

圖8頂架橫梁受力分析簡圖

2.3.2.2頂架豎梁強度校核

圖9 頂架豎梁截面

2.3.2.3固定框強度校核

固定框采用50 mm×50 mm的方鋼焊接而成，見圖10，受力薄弱點在中間的兩根連接方鋼。

2.3.2.4調(diào)整墊墩強度校核

圖10 固定框結(jié)構(gòu)

2.3.2.5挑梁強度校核

圖11 挑梁結(jié)構(gòu)

2.4 工裝主體有限元分析

為驗證工裝主體是否滿足設(shè)計要求，需對工裝頂架進行有限元分析[9]。根據(jù)有限元分析的基本步驟，首先定義頂架材料屬性，頂架材料Q345-A特性為：密度7.85×10-6kg/mm3，彈性模量206 GPa，抗拉強度470 MPa，屈服強度345 MPa，泊松比0.3；其次對頂架有限元模型進行網(wǎng)格劃分，并根據(jù)工裝1 960 kN的承載能力，對頂架施加豎直向上且大小為1 960 kN的載荷和兩側(cè)固定約束；最后對頂架模型進行有限元分析。

根據(jù)工裝主體受力特點，對頂架進行了應(yīng)力變形分析[10]，有限元分析結(jié)果見圖12，頂架整體等效應(yīng)力最大值為340.686 MPa，根據(jù)GB/T 33582—2017《機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則》[11]，有限元計算未考慮安全系數(shù)，故最大應(yīng)力值未超出Q345-A材料的屈服強度345 MPa；整體綜合變形最大值為1.9 μm，變形量較小，對結(jié)構(gòu)影響不大。因此通過有限元分析結(jié)果可以判斷，頂架在加載1 960 kN的情況下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形均滿足設(shè)計要求。

圖12 頂架有限元分析結(jié)果

3 工裝的測試與應(yīng)用

3.1 工裝的測試

為檢驗工裝設(shè)計的可行性，對工裝分別進行廠內(nèi)和現(xiàn)場測試。首先，結(jié)合工裝設(shè)計圖紙和現(xiàn)有的設(shè)備，根據(jù)實際工況對人字門頂樞拉桿楔塊松動工裝開展廠內(nèi)加載測試。在加載測試過程中，工裝未發(fā)生干涉、變形、破壞等現(xiàn)象。其次，根據(jù)葛洲壩船閘的現(xiàn)場安裝環(huán)境，結(jié)合廠內(nèi)加載測試，進行現(xiàn)場模擬測試，根據(jù)現(xiàn)場測試的實際情況，雖然工裝的安裝具有一定的空間限制，但是工裝在現(xiàn)場安裝時不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

3.2 工裝的應(yīng)用

人字門頂樞拉桿楔塊快速松動工裝在葛洲壩船閘人字門楔塊拆除中成功應(yīng)用。根據(jù)新型楔塊松動工裝現(xiàn)場實際應(yīng)用情況，安裝楔塊松動工裝的時間平均不到1 h，且整個拆除過程安全、穩(wěn)定、高效。

4 結(jié)論

1)提出了一種人字門頂樞拉桿楔塊拆除設(shè)計方案。通過研究人字門頂樞拉桿拆除工藝，設(shè)計了人字門頂樞拉桿楔塊松動工裝和工藝流程。

2)對楔塊松動工裝進行校核計算和有限元分析，驗證了設(shè)計的可靠性。結(jié)合廠內(nèi)和現(xiàn)場測試以及工程應(yīng)用情況證明了設(shè)計的可行性和實用性。

3)工裝的工程應(yīng)用情況證明該拆除方案降低了施工安全風(fēng)險、提高了人字門頂樞拉桿拆除效率，為葛洲壩船閘以及國內(nèi)其他船閘人字門頂樞拉桿拆除提供了參考。