湘江長沙綜合樞紐船閘人字閘門難點(diǎn)制造工藝淺析

尹斌勇，崔貞鵬

(1.長沙市湘江綜合樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，湖南長沙 410200;2.武昌船舶重工有限責(zé)任公司，湖北武漢 430000)

1 樞紐概況

湘江長沙綜合樞紐船閘為2 000 t級單級雙線船閘，級別為Ⅱ級，閘室尺寸34 m×280 m×4.5 m(寬×長×門檻水深)，年通過能力9 800萬t;泄水閘46孔，左汊26孔，孔口尺寸22 m×11.2 m(寬×高)，右汊20孔，孔口尺寸14 m×5.2 m(寬×高);壩頂公路橋為雙向六車道城市特大橋，橋?qū)?7 m，全長1.9 km;電廠安裝6臺單機(jī)容量為0.95 MW燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量5.7 MW，年發(fā)電量2.3億kW·h。

雙線船閘共有2孔上閘首人字門和2孔下閘首人字門，人字門采用主橫梁式平面人字閘門，門軸柱和斜接柱截面形式為開口式，采用聯(lián)系式支、枕墊兼作側(cè)止水使用，底止水采用橡膠止水，為了使側(cè)止水與底止水能夠銜接，在底樞和斜接柱底部分別采用了異形橡皮止水。人字門的布置見圖1，其具體設(shè)計參數(shù)見表1。

圖1 人字門布置示意圖

表1 設(shè)計參數(shù)

2 人字門主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

人字門的結(jié)構(gòu)分為中部單元和邊單元，邊單元按使用功能分為門軸柱和斜接柱。中部單元是由實腹板工字型主橫梁、T型隔板、面板和加強(qiáng)筋等零部件組成，邊單元是由端板、推力隔板、變截面工字型主橫梁、邊隔板和加強(qiáng)筋等零部件組成。中部單元和邊單元分別制造完成后進(jìn)行合攏，保證門體半寬尺寸。見圖2。

圖2 典型分節(jié)模型圖

左右人字門之間及人字門與閘墻之間的止水，采用整條的不銹鋼支枕墊塊的凹凸弧面接觸止水。

3 主要制造工藝

人字門制造的難點(diǎn)在于邊單元的消應(yīng)力處理，主梁的焊接變形控制，蘑菇頭和支、枕墊塊的加工，以及邊單元與中部單元分別單獨(dú)制造后總成時的匹配問題。為了能滿足人字門的設(shè)計要求，有效的保證產(chǎn)品質(zhì)量，縮短閘門制造周期，在制造過程中主要對蘑菇頭加工、焊接工藝、不銹鋼支枕墊塊加工等六個難點(diǎn)制造工藝進(jìn)行了改進(jìn)研究。

3.1 蘑菇頭加工

蘑菇頭是人字門的旋轉(zhuǎn)軸心，承受整個人字門的全部重量。為了減少運(yùn)轉(zhuǎn)阻力，設(shè)計時在船閘底樞軸瓦上使用了自潤滑材料，蘑菇頭采用不銹鋼鑄件，球面半徑為SR370，既能承載又能耐磨且防銹，同時對蘑菇頭表面粗糙度、圓度提出了極高的要求。

為達(dá)到上述設(shè)計要求和節(jié)約成本，設(shè)計了以普通車床為基礎(chǔ)的球面自動加工成型設(shè)備，適合SR370及以下半球面蘑菇頭加工。該加工設(shè)備采用車床中拖板通過連桿機(jī)構(gòu)與固定在軌道上的旋轉(zhuǎn)中心連接，通過車床中拖板的運(yùn)動，實現(xiàn)小刀架繞旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)，通過調(diào)節(jié)中拖板的自動走刀一次完成球面加工。球面加工成型后，將小刀架換成拋光輪對球面進(jìn)行精磨，表面粗糙度可以達(dá)到1.6 μm。見圖3。

該設(shè)備大大提升了工廠的加工能力和實力，同時創(chuàng)造出了用普通車床加工高精度球體的先例。當(dāng)然也可以采用三軸或三軸以上的數(shù)控車床對蘑菇頭進(jìn)行加工，但費(fèi)用較高。

3.2 焊接工藝

閘門結(jié)構(gòu)使用的鋼材種類主要有Q345B和鍛35#;焊縫種類主要有角焊縫、組合焊縫和對接焊縫;主要的焊接位置有平、立、仰焊。為保證人字門制造的焊接質(zhì)量和工期，在水工鋼結(jié)構(gòu)中大批量采用藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊，同時大批量開展中厚板的埋弧自動焊。

圖3 蘑菇頭加工

同時為了確保焊接質(zhì)量則進(jìn)行了焊接工藝評定項目共計16項，分別為:Q345B鋼分別做t=16 mm、t=30 mm的埋弧自動對接平焊，板厚覆蓋范圍為12～45 mm，計4項;Q345B鋼分別做t=16 mm、t=30 mm的藥芯CO2平和立對接焊，板厚覆蓋范圍為12～45 mm，計8項;Q345B鋼做t=60 mm的藥芯CO2平焊和立對接焊，則板厚覆蓋范圍為490 mm，計2項;Q345B做t=30 mm的組合焊縫平焊(CO2焊和埋弧自動焊)，計4項。通過以上焊接工藝評定項目工藝試驗確定的各種焊接形式下的焊接參數(shù)，制定出了各種部件及總段制造的焊接工藝，并繪制了焊縫焊接順序示意圖。焊接工藝的制定有效保證了門體制造的焊接質(zhì)量，并減少了焊縫返工和焊接變形，節(jié)約了焊材和能源消耗。

3.3 不銹鋼支、枕墊塊加工

支、枕墊塊(湘江長沙綜合樞紐雙線船閘共計152件)是左、右人字門之間和人字門與閘墻之間的傳力和密封構(gòu)件，是閘門工作的關(guān)鍵部件。支、枕墊塊工作面為凹、凸弧形面，為了保證其加工精度和防止變形，單件長度為2 800 mm，配合間隙≤0.05 mm且每米不超過2處，粗糙度要求Ra3.2，加工時必須保證所有的圓弧面外形一致。支、枕墊塊的弧度及表面粗糙度是加工的難點(diǎn)和重點(diǎn)。為節(jié)約成本，研制了普通的龍門刨銑床加工圓弧面的設(shè)備。

該設(shè)備采用自動弧形導(dǎo)向，利用絲桿帶動立刀架自動在圓弧導(dǎo)向模板上運(yùn)動，成功實現(xiàn)了圓弧工作面的加工，保證了所有的圓弧面外形一致，解決了用普通的龍門刨銑床加工圓弧面軌道的難題。通過該方案制造的支、枕墊塊圓弧面尺寸和光潔度超過了三維數(shù)控銑床的加工質(zhì)量。

3.4 工字梁焊接工藝

為了提高工字梁焊接質(zhì)量，在工字梁焊接中采用旋轉(zhuǎn)設(shè)備直接替代了大型行車起吊、翻身并有效的控制了焊接變形。該設(shè)備利用腹板上的流水孔與旋轉(zhuǎn)設(shè)備固定，并用電機(jī)為動力帶動旋轉(zhuǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)到焊接位置后鎖定。具體實施步驟:

第1步:用固定在兩側(cè)的焊機(jī)(見圖4)對該條組合焊縫的一側(cè)進(jìn)行施焊，一層焊完后，將焊機(jī)推到軌道的兩端并取出鎖定(避免工字梁旋轉(zhuǎn)時撞壞焊機(jī));

第2步:將工字梁焊接旋轉(zhuǎn)胎架順時針旋轉(zhuǎn)90°鎖定，焊接該條組合焊縫的另一側(cè)，將焊機(jī)推到軌道的兩端并取出鎖定(避免工字梁旋轉(zhuǎn)時撞壞焊機(jī));

第3步:按第2步進(jìn)行旋轉(zhuǎn)直至焊接完成。

圖4 工字梁焊接旋轉(zhuǎn)原理圖

通過該旋轉(zhuǎn)設(shè)備的使用，實現(xiàn)了工字梁的自動翻轉(zhuǎn)，自動實現(xiàn)船形焊，保證了焊接的最佳位置，并實現(xiàn)了多層多道焊，有效的控制了焊接變形。

3.5 應(yīng)用成組匹配制造技術(shù)

成組技術(shù)是研究事物間的相似性，并將其合理應(yīng)用的一種技術(shù)。用于產(chǎn)品制造時，可理解為以統(tǒng)籌優(yōu)化理論為指導(dǎo)、以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向、按區(qū)域組織生產(chǎn)，使各區(qū)域生產(chǎn)在空間上分道，時間上有序，實現(xiàn)設(shè)計、生產(chǎn)、管理一體化。成組匹配制造技術(shù)是利用相似性原理，將相互之間有配合要求的部件進(jìn)行匹配制造，以滿足相鄰部件之間的配合關(guān)系的一種制造技術(shù)。

首先將門體劃分為中部單元和邊單元，再將中部單元分為主梁部件和隔板部件，邊單元分為端板部件和隔板部件。將構(gòu)成邊單元的零部件制造完成后，進(jìn)行整體匹配制造，最后與中部單元進(jìn)行對接。通過邊單元的成組匹配制造，使分成兩部分制造的邊單元和中部單元成功對接，為人字門制造的半寬尺寸控制起到?jīng)Q定性的作用，同時為工地安裝提供了有效的保證。

3.6 邊單元焊接工藝

為減小邊單元的焊接變形，盡可能控制焊接內(nèi)應(yīng)力，根據(jù)邊單元結(jié)構(gòu)(見圖5)，研究制定了下列焊接順序。

圖5 邊單元結(jié)構(gòu)圖

1)立焊。

端隔板①與端腹板②的立焊(探傷);端腹板②與端板③的立焊(探傷);推力隔板加勁板④與端腹板②的立焊(角焊縫);端隔板①與端隔板加勁⑤的立焊(角焊縫)。

2)平焊。

端隔板①與下翼緣⑥的平焊(探傷);端板③與下翼緣⑥的平焊(探傷);推力隔板加勁板④與下翼緣⑥的平焊(角焊縫);端腹板②與下翼緣⑥的平焊(角焊縫，個別需探傷);推力隔板⑦與端隔板①的平焊(探傷);推力隔板⑦與端腹板②的平焊(探傷);推力隔板加勁板④與推力隔板⑦的平焊(角焊縫);推力隔板加勁梁⑧與結(jié)構(gòu)的平、立焊(角焊縫);上翼緣⑨與端板③、端隔板上翼緣⑩的平焊(探傷)。

3)解除約束，下胎架翻身。

4)氣刨。

上翼緣⑨與端板③、端隔板上翼緣⑩的坡口;推力隔板⑦的坡口;下翼緣⑥與端板③的坡口。

5)焊接。

上翼緣⑨與端板③、端隔板上翼緣⑩的組合焊縫(探傷);上翼緣⑨與端腹板②的角焊縫;推力隔板⑦與端腹板②、端隔板①的組合焊縫(探傷);下翼緣⑥與端板③的組合焊縫(探傷);端隔板①與端隔板上翼緣⑩的組合焊縫(探傷);推力隔板加勁板④與上翼緣⑨和推力隔板⑦的角焊縫。

4 結(jié)語

在人字門的制造過程中，通過上述設(shè)備、工藝以及成組技術(shù)的研究應(yīng)用，很好的保證了產(chǎn)品質(zhì)量。給同類工程的船閘人字閘門制作或類似鋼結(jié)構(gòu)制作提供了較好的參考和借鑒。

［1］鈕新強(qiáng)，宋維邦.船閘與升船機(jī)設(shè)計［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［2］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.水電水利工程鋼閘門制造安裝及驗收規(guī)范［M］.北京:中國電力出版社，2005.