鑄鐵鑲銅閘門設(shè)計(jì)及制造研究

姚能棟，張晶晶

(江蘇潤源水務(wù)設(shè)備有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225264)

鑄鐵鑲銅閘門設(shè)計(jì)及制造研究

姚能棟，張晶晶

(江蘇潤源水務(wù)設(shè)備有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225264)

鑄鐵鑲銅閘門廣泛用于中小型市政工程、農(nóng)田水利工程、水利水電工程。本文從材質(zhì)選用、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鑄造、加工、裝配到滲漏試驗(yàn),系統(tǒng)地介紹了鑄鐵鑲銅閘門設(shè)計(jì)、制造過程,并給了駱馬湖水源地及第二水廠鑄鐵鑲銅閘門工程設(shè)計(jì)實(shí)例。

鑄鐵鑲銅閘門;設(shè)計(jì);制造

1 鑄鐵閘門門體設(shè)計(jì)

門體結(jié)構(gòu)按最高水頭設(shè)計(jì)，其拉伸、壓縮、剪切強(qiáng)度安全系數(shù)不小于5。

1.1 材料

鑄鐵閘門根據(jù)孔口尺寸和承壓水頭，選用合適材料。常用鑄鐵閘門材料有灰鑄鐵 H T 200和H T 250，球墨鑄鐵Q T 400和Q T 450。灰鑄鐵的機(jī)械性能符合GB 9439規(guī)定，球墨鑄鐵的機(jī)械性能符合GB/T 1348規(guī)定。小孔徑、淺水頭閘門采用灰鑄鐵，大孔徑、深水頭閘門采用球墨鑄鐵。鑄件容許應(yīng)力見表1。

表1 鑄件容許應(yīng)力 MP a

1.2 面板厚度確定

初選面板厚度，按四邊固定彈性薄板承受均布荷載考慮。面板初選厚度計(jì)算為

式中:α—面板計(jì)算區(qū)格的短邊長度，m m;ky—支承板長邊中點(diǎn)彎曲應(yīng)力系數(shù)，平板加強(qiáng)肋閘門取ky=0.5，拱形閘門取ky=0.35～0.5;q—面板計(jì)算區(qū)格中心水壓力強(qiáng)度，MP a;［σ w］—鑄件的彎曲抗拉容許應(yīng)力，MP a。

面板的實(shí)際厚度比計(jì)算值增加2m m腐蝕裕量。同時(shí)考慮到合理的鑄造工藝，鑄鐵壁厚越大，越有利于液態(tài)合金充填型腔。但隨著壁厚增加，鑄件心部的晶粒變得粗大，而且凝固收縮時(shí)沒有金屬液的補(bǔ)充，易產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷;過薄，易產(chǎn)生澆鑄不足或冷隔缺陷。表2為門體面板推薦最小壁厚。

表2 門體面板鑄件厚度

1.3 載荷分析

門體是由面板、橫筋和縱筋組成的板肋結(jié)構(gòu)。作用在門體上的靜水壓力F(壓力的大小與水深成正比)門體的尺寸及各部位承受水壓大小如圖1所示，L 4區(qū)間的門體斷面構(gòu)造如圖2所示，圖3為跨度為L的該斷面梁受力計(jì)算簡圖。

圖1 門體荷載分布

圖2 L 4區(qū)間的門體斷面

圖3 板梁A B受力計(jì)算

設(shè)A B上承受的均布載荷為q，則L 4區(qū)間的總載荷F 4為

式中:q—板梁單位寬度承受的均布載荷，N/m m; l—板梁的跨距，m m。

梁A B承受的最大彎矩Mmax為

1.4 截面特性

門體的斷面由幾個(gè)簡單幾何圖形組成的復(fù)合斷面，為了確定主形心慣性軸位置和主形心慣性的數(shù)值，按以下分析計(jì)算。

設(shè)靜矩Sx為該斷面對X1-X1軸的靜矩:

式中:A1=b d，m m2;A2=m m2;H—筋高，m m。

慣性矩Ix為:

為確定形心位置，設(shè)X-X距X1-X1為e1，e1為:

1.5 應(yīng)力

截面模數(shù)W為:

梁的最大彎曲應(yīng)力σmax為

1.6 撓度計(jì)算

梁A B的最大撓度值y為:

式中:［y］—許用撓度，［y］=l/1500，m m;I—極慣性距，m m4;E為材料的彈性模量，N/m m2。

2 鑄鐵閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

面板要求微拱形，以增大承壓能力;面板兩側(cè)的(與門框是楔受力處)剪力較大，要適當(dāng)加厚。門體四周的邊框考慮鑄件的受力條件和內(nèi)應(yīng)力，防止變形，宜適當(dāng)加寬。

導(dǎo)軌采用與門體相同材料制造，擰緊在門框上或與門框整體澆鑄(小孔徑閘門)，所有的支承面及接觸面需經(jīng)機(jī)械加工。閘門在全開位置時(shí)，導(dǎo)軌的頂端高于門體的頂端。

閘門止水密封條采用錫青銅 Z C uSn5P b5Z n5，密封面工作表面需加工，表面粗糙度不低于3.2μ m，表面不得有劃痕，止水密封條規(guī)格尺寸符合表3要求。止水密封條分別設(shè)置于門體和門框相應(yīng)位置，止水密封與門體、門框用環(huán)氧樹脂粘接后用沉頭螺釘固定，再進(jìn)行機(jī)加工。

表3 止水密封條規(guī)格 m m

3 鑄鐵閘門制造

3.1 鑄造

鑄鐵閘門一般為單件、小批量生產(chǎn)?？紤]到成本、制作周期和制作費(fèi)用，鑄件模具采用木模制作。鑄造砂采用樹脂砂，樹脂砂生產(chǎn)的鑄件尺寸精度高、外部輪廓清晰;它比粘土砂及油砂生產(chǎn)的鑄件可提高1～2級(jí)別。

在澆鑄前先制定鑄造方案，確定工藝參數(shù)，澆鑄時(shí)間、澆鑄速度、澆鑄位置、合理設(shè)置冒口。根據(jù)材料要求，配料計(jì)算、裝料、溶化，爐前分析，澆鑄，如圖4所示。

圖4 爐前取樣分析及澆鑄

鑄鐵牌號(hào)力學(xué)性能，通過門體上隨爐試棒經(jīng)過拉力試驗(yàn)機(jī)檢測，依據(jù)GB/T 9469灰鑄鐵件或GB/T 1348球墨鑄鐵件標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行鑄鐵試棒最小抗拉強(qiáng)度檢測。生產(chǎn)廠家先自檢合格后，方可進(jìn)行機(jī)加工，另一根由監(jiān)造單位復(fù)檢。門體同體試棒如圖5所示。

圖5 門體同體試棒

鑄件不得有裂紋、夾渣、疏松和澆鑄不足等缺陷。對氣孔、縮孔和渣眼等缺陷應(yīng)焊補(bǔ)與修整，但面板表面不得修補(bǔ)。鑄件出爐自然冷卻后進(jìn)行時(shí)效處理，可采用高溫回火處理或時(shí)效振動(dòng)處理，消除鑄造應(yīng)力。

校本課程的開發(fā)于20世紀(jì)90年代由西方引入我國，一度也是教育的熱點(diǎn)課題，相對較為成熟，值得借鑒。校本課程是在學(xué)校本土生成的，既能體現(xiàn)各校的辦學(xué)宗旨、學(xué)生的特別需要和本校資源優(yōu)勢，又與國家課程、地方課程緊密結(jié)合，具有多樣性和可選擇性，是國家課程和地方課程的延伸與補(bǔ)充。校本課程的主要功能在于關(guān)注學(xué)生的需要和差異，滿足他們多樣化的學(xué)習(xí)需要，其本質(zhì)體現(xiàn)在：在課程權(quán)利方面，學(xué)校擁有課程自主權(quán)；在課程開發(fā)主體方面，教師是開發(fā)主體；在課程實(shí)施方面，學(xué)習(xí)場所、學(xué)習(xí)對象具體真實(shí)。這些特性和功能，微課程都具備，因此可以說微課程概念是校本課程的下位概念。對微課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施可借鑒校本課程開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)。

鑄件尺寸公差與機(jī)械加工余量符合GB/T 6414中I T 9級(jí)精度要求。

3.2 閘門加工、裝配、滲漏試驗(yàn)

加工:門體與門框的側(cè)向間隙不大于1.5m m;止水密封條與楔緊裝置表面粗糙度小于3.2μ m。楔緊裝置是閘門止水效果的關(guān)鍵，楔塊采用錫青銅Z C uSn5P b5Z n5，用螺栓分別與門體和門框的楔座固定，楔座銑加工成長孔，便于楔塊的調(diào)整。當(dāng)閘門的某一處止水效果不好時(shí)可局部調(diào)整楔塊。上下兩楔塊工作面接觸面積不應(yīng)小于85%。

裝配檢驗(yàn):門體與門框?qū)虿壑g的前后總間隙應(yīng)不大于1.6m m。止水密封條應(yīng)連接牢固。門體止水密封條下邊緣應(yīng)高于門框止水密封條下邊緣，其高差應(yīng)不大于2.0m m;楔緊裝置應(yīng)連接牢固。閘門全閉時(shí)，門體與門框的各楔緊面應(yīng)同時(shí)相互楔緊?；顒?dòng)楔塊、偏心銷應(yīng)有一定的調(diào)節(jié)量。閘門全閉、平放、無外加荷載條件下，止水密封條間隙應(yīng)不大于0.1m m。門體與門框和導(dǎo)軌對合，無卡阻。

滲漏試驗(yàn):密封面清除污物，不得在兩密封面間涂抹油脂，閘門全閉、平放，門框孔口向上，在門框孔口內(nèi)注滿清水，以水不溢出為限，其密封面的滲水量不大于1.25L/m i n·m(密封長度)。

涂裝前處理鑄件表面。涂裝環(huán)境溫度在3°C以上，相對濕度小于85%，涂裝現(xiàn)場通風(fēng)良好。先涂環(huán)氧瀝青防銹底漆120μ m，后涂厚漿型環(huán)氧瀝青面漆200μ m。漆膜附著力符合SL 105規(guī)定。門框和導(dǎo)軌與混凝土接觸面涂刷苛性鈉水泥漿。

涂漆應(yīng)均勻一致，表面無鼓泡、皺紋、流掛、針孔、裂紋等缺陷。測區(qū)漆膜厚度90%以上應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)值，未達(dá)到設(shè)計(jì)值的測區(qū)，其最小厚度就不低于設(shè)計(jì)值的90%。

4 應(yīng)用實(shí)例

駱馬湖水源地及第二水廠建設(shè)工程由原水工程、水廠工程、清水工程(水廠配套清水管網(wǎng)一期)3部分組成，概算投資27.1億元，其中:原水工程20.8億元、水廠工程4億元、清水工程2.3億元，是徐州水利史上單體投資最大的項(xiàng)目。進(jìn)水孔口有6臺(tái)2000m m×2000m m鑄鐵鑲銅閘門，閘門設(shè)計(jì)承受最大水頭12m。

閘門材質(zhì)采用灰鑄鐵H T 250。門體面板厚度為25m m，橫肋采用等間距布置 415m m，橫肋凈高240m m，橫筋上端厚度 16m m，橫筋下端厚度24m m。止水密封條采用錫青銅Z C uSn5P b5Z n5，規(guī)格25m m×12m m。

經(jīng)計(jì)算，梁的最大彎曲抗拉應(yīng)力σw=19.2N/ m m2＜［σw］35N/m m2，梁的最大彎曲抗壓應(yīng)力σa=74.6N/m m2＜［σa］140N/m m2，撓度f=1.1m m＜［f］=L/1500=1.3m m。同體試棒H T 250檢測抗拉強(qiáng)度270MP a＞最小最抗拉強(qiáng)度［Rm］210MP a，滿足規(guī)范要求。鑄鐵閘門外形尺寸如圖6所示。

圖6 鑄鐵閘門外形尺寸(單位:m m)

5 結(jié)語

鑄鐵鑲銅閘門由于布置簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，防腐性能好，止水效果好，一次性安裝成型，運(yùn)行維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，在中小型工程中應(yīng)用十分廣泛。鑄鐵鑲銅閘門質(zhì)量必須從原材料、鑄造、加工、裝配各個(gè)環(huán)節(jié)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)和規(guī)范要求執(zhí)行，才能保征產(chǎn)品可靠運(yùn)行。

［1］C J/T 3006-92.供水排水用鑄鐵閘門［S］.

［2］江寧，王煦.水利工程鑄鐵閘門應(yīng)用研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2011，19(01):52-54.

［3］SL 74-95.水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］江蘇省水利廳.小型水閘工程設(shè)計(jì)［M］.北京:水利水電出版社，1998.

［5］D B 32/T 1712-200.水利工程鑄鐵閘門設(shè)計(jì)制造安裝驗(yàn)收規(guī)范［S］.

［6］SL 105-2007.水工金屬結(jié)構(gòu)防腐規(guī)范［S］.

T V 663

B

1008-1305(2016)05-0112-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.039

鑄鐵鑲銅閘門，按形狀分圓形閘門和矩形閘門。按密封形式分鑲銅密封和不鑲銅密封。按承壓方向分單向閘門和雙向閘門。按螺桿傳動(dòng)形式分明桿和暗桿。

鑄鐵鑲銅閘門由門體、門框、導(dǎo)軌、楔座、楔塊、止水密封條組成。

2015-12-09

姚能棟(1980年—)，男，工程師。