三河閘弧門支鉸軸及軸套更換方案研究

丁 軍

（江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 江蘇揚州 225127）

三河閘弧門支鉸軸及軸套更換方案研究

丁 軍

（江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 江蘇揚州 225127）

淮河入江水道三河閘工程弧門支鉸軸套，在設計擋水位下，其承壓應力σcg=72MPa,已嚴重超過規(guī)范的容許應力［σcg］=40MPa。鉸軸的彎曲應力也略大于容許應力?？紤]到當時的支鉸結構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)目前自潤滑軸套的材料特點，對該工程弧門支鉸軸及軸套進行更換設計和研究。

支鉸軸套 容許應力 自潤滑軸套 更換設計

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日動工興建，1953年7月26日建成放水，它是建國初期我國自行設計自行施工的大(Ⅰ)型水閘。共63孔，每孔凈寬10m，閘身總寬697.75m，設計流量為12000m3/s。閘門為鋼結構弧形門，重14.98噸。每孔設QH-2×100kN-12m弧門啟閉機一臺，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，材料相當于ZCuSn10Zn2錫青銅,在正常蓄水工況下， 軸套的承壓應力σ cg=72MPa。約超出現(xiàn)行設計規(guī)范ZQAl9-4銅容許徑向承壓應力的1.5倍，工程處于帶病運行狀態(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，急需對其進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，三河閘進行了歷史上的第三次加固，也是對金屬結構部分最大的一次加固，原鉚接的鋼閘門全部更新為鋼結構實腹式雙主梁結構弧門。對弧門支鉸座部位，經(jīng)過復核計算，在擋水水位（H上=13.5m，H下=7.5m）的工況下，軸套的承壓應力σcg=72MPa,已嚴重超過當時承壓高的鑄錫青銅ZCuSn10Zn2的容許應力［σcg］=40MPa。 45#鋼支鉸軸的彎曲應力σ=159MPa，也略大于其容許應力［σ］=145MPa?？紤]到當時支鉸結構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構質(zhì)檢中心，對在役軸套進行了安全試驗，并出具了《江蘇三河閘在役弧形閘門支鉸軸套試驗報告》。試驗報告結論和建議如下：

2.1試驗結論

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

（2）試驗結果表明，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)過在役軸套檢測和試驗表明，在現(xiàn)有條件下，軸套繼續(xù)使用是可以的。

2.2試驗建議2

（1）軸套運行時必須保證潤滑，否則，原有的設計條件都滿足不了，對軸套的使用將更加不利。

（2）因現(xiàn)有工況已超出現(xiàn)行設計規(guī)范許用應力的兩倍多，若有條件，還是適當加大軸套的尺寸，以增加軸套的安全儲備為宜。

根據(jù)水利部水工金屬結構質(zhì)檢中心的檢測報告，考慮當時的技術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，為縮小承壓應力差，將原軸套材料更換為鑄鋁鐵青銅ZQAL9-4，并增設安全可靠的加油設施。

3　支鉸軸及軸套更換實施緣由

3.1強度不滿足規(guī)范要求

2009年，根據(jù)啟閉機檢測情況，在入江水道整治工程中，研究決定對啟閉機作更換處理。2013年5月全部更換為QH-2×100kN-12m弧門啟閉機,共63臺套。2011年2月，我公司受江蘇省洪澤湖管理處委托，對三河閘工程金屬結構重新進行了安全復核。根據(jù)復核結果，弧形鋼閘門強度滿足要求。對閘門支鉸座部分，按照三河閘加固后的水位（H上=13.5m，H下=7.5m），發(fā)現(xiàn)軸套的承壓應力σcg=72MPa,仍遠大于鑄鋁鐵青銅ZQAL9-4的容許應力［σcg］=50MPa。45#鋼鉸軸的彎曲應力σ=156MPa，也略大于其容許應力［σ］=145MPa。具體計算結果見表1。

表1　閘門支鉸軸及軸套計算成果表

3.2現(xiàn)場運行工況惡化

經(jīng)過近20年的運行，現(xiàn)場運用情況有一些惡化，具體表現(xiàn)在：

（1）原設計的加油潤滑設施已報廢無法使用。

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

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

4　目前國內(nèi)軸套新技術發(fā)展

隨著新技術、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），加油潤滑已經(jīng)發(fā)展到自潤滑。該自潤滑銅合金軸套在國內(nèi)已普遍使用，技術很成熟，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

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

5　軸套、鉸軸更換設計方案

根據(jù)以上軸套材料的力學分析，采用高力黃銅的自潤滑軸套FZ-5(3)、DF-5(4)、JDB-650，其許用動荷載均大于現(xiàn)行工況下三河閘軸套的承壓應力σcg=72MPa,在不須加潤滑設施的情況下，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次周轉施工，一次同時施工6孔。施工時，先放下檢修門，在下游搭鋼結構操作平臺，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　軸套化學成分比較表

表3　軸套力學性能比較表

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　結語

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)3000萬畝農(nóng)田和2000萬人民生命財產(chǎn)安全的咽喉工程。采用安全可靠的自潤滑軸承是工程安全的保證。隨著新技術、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.滑動軸承銅合金鑲嵌固體潤滑軸承.北京：中國標準出版社,2009.9.

2.《水利水電工程鋼閘門設計規(guī)范》(DL/T5019-95).北京：中國電力出版社,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，高級工程師。