阿爾塔什水利樞紐工程 2 號深孔泄洪洞鏈輪閘門支承型式設(shè)計研究

張廣川

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

阿爾塔什水利樞紐工程 2 號深孔泄洪洞鏈輪閘門支承型式設(shè)計研究

張廣川

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

通過對閘門三種不同支承形式（滑道支承、定輪支承、鏈輪支承）的分析和研究，結(jié)合阿爾塔什水利樞紐工程2號深孔泄洪洞事故閘門實際運用工況及工作狀態(tài)確定閘門采用鏈輪支承。對鏈輪系統(tǒng)型式的選擇、輥輪的設(shè)計及鏈輪系統(tǒng)的裝配及摩阻系數(shù)等方面做出細(xì)致的研究和計算，并對鏈輪材料的選擇及加工要求等重要因素提出了可行性的解決辦法，介紹了不同形式支承型式設(shè)計研究。

阿爾塔什水利樞紐；閘門；鏈輪；支承型式

1 設(shè)計基本參數(shù)（見表1）

表12 號深孔泄洪洞事故閘門主要設(shè)計參數(shù)

2 閘門型式選擇設(shè)計

閘門按工作性質(zhì)分為三大類：①檢修閘門；②事故閘門；③工作閘門。而事故閘門是指閘門的上下游發(fā)生事故時，需要動水閉門的閘門，該類閘門宜在靜水中開啟。事故閘門多采用平面鋼閘門，按照行走支承型式分為3種：①滑道支承；②定輪支承；③鏈輪支承。從設(shè)計原理上來說，事故閘門的行走支承采用上述3種支承形式皆是可行的，應(yīng)根據(jù)閘門所承受的荷載、工作條件及跨度等條件選擇合適的支承型式。

（1）滑道支承

滑道支承平面閘門具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝維護方便、門槽埋件受力均勻等優(yōu)點，摩擦系數(shù)根據(jù)滑道材料不同而不同。支承滑道所采用的材料常用的有3種：①壓合膠木；②鑄造油尼龍；③鋼基銅塑復(fù)合滑道（MG系列）。壓合膠木是一種從前蘇聯(lián)引進的老材料，經(jīng)過多年使用發(fā)現(xiàn)該種材料老化干裂，影響摩擦系數(shù)穩(wěn)定性；鋼基銅塑復(fù)合滑道（MG系列）填充的復(fù)合材料是多種金屬化合物合成的聚合物，具有摩擦系數(shù)低、自潤滑免維護、耐腐蝕、承載力大、抗老化等特性，但其磨阻系數(shù)有隨泥沙含量的增大而增大的趨勢，該工程所在地的泥沙含量較高，復(fù)合材料遇到水中的大顆粒泥沙極易造成破壞，使摩擦系數(shù)迅速變大，影響閘門啟閉；油尼龍滑道擁有復(fù)合材料滑道的優(yōu)點，且在泥沙含量較高的河水中摩擦系數(shù)穩(wěn)定，并有抗泥沙磨損、抗氣蝕的性能，純金屬材料和壓合膠木的滑道由于摩擦系數(shù)大而逐漸被復(fù)合材料取代。目前，國內(nèi)復(fù)合材料最大線荷載可達8 kN/mm，摩阻系數(shù)為0.04～0.15。根據(jù)計算，2號深孔泄洪洞事故閘門采用滑道支承，滑道線荷載大于10kN/mm，超過復(fù)合材料線荷載最大值，造成閘門支承破壞，唯有金屬滑道能承受這種超高線荷載，而金屬滑道的摩擦系數(shù)較大，達到0.35，據(jù)此摩擦系數(shù)計算，啟門力達到13 000 kN。顯然，這種啟閉機容量太大，國內(nèi)外尚無使用實例。

（2）定輪支承

定輪閘門軌道受力不如滑道支承均勻，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度亦高于滑道式閘門，但其受力點相對明確、運行平穩(wěn)可靠等特性優(yōu)于前者，而滑道的摩阻系數(shù)隨著摩擦面的平整度及接觸面的流體介質(zhì)（如干摩擦，清水，含有泥沙的水）的特性變化而改變。定輪閘門摩阻系數(shù)遠(yuǎn)低于滑道式閘門，定輪如采用滾動軸承，摩阻系數(shù)可達到0.015。但在超大型閘門中，超高水頭情況下，定輪的承載能力往往受限于定輪的材料及熱處理等制造加工工藝。事故閘門行走支承采用定輪是否成立，取決于定輪承載能力。采用定輪支承，在每根主梁之間設(shè)計布置定輪，定輪的最大輪壓將高達6 000 kN。提高定輪承載能力的方法不外乎是增大定輪半徑、增大定輪踏面寬度、采用高強度材料等。增大定輪半徑會增大定輪加工難度，也會增大閘門的厚度，從而增加了門槽寬度，無法保證門槽的合宜寬深比，使門槽水力學(xué)條件惡化，導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，并限制門葉主梁的布置；采用高強度材料從而提高定輪踏面的允許接觸應(yīng)力，但受限于材質(zhì)及熱處理的工藝；定輪踏面越寬，表面硬度越硬，要求制造、安裝精度也越高。因此，由于在加工、熱處理方面有難以預(yù)料的困難，國內(nèi)目前還沒有輪壓超過5 000 kN的定輪。

（3）鏈輪支承

鏈輪支承閘門的缺點是：鏈輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對鏈輪本身、門葉結(jié)構(gòu)及埋件等均有較高的制造安裝要求；制造安裝造價高；運行、檢修、保養(yǎng)、維護比較困難。與定輪支承閘門相比，鏈輪鉸接部位已被泥沙等推移質(zhì)堵塞，運行穩(wěn)定性稍差。由于鏈輪的原因，鏈輪支承閘門不適宜局部開啟。但鏈輪支承閘門最大的優(yōu)點是：輥輪及埋件受力均勻；承受荷載大；輥輪由于外形尺寸較小，易于制造加工，而且摩擦系數(shù)小。表2是部分已建鏈輪支承閘門的參數(shù)。

2號深孔泄洪洞平面事故閘門不需要局部開啟，采用鏈輪支承主要是解決支承承受較大荷載問題。通過計算及類比已建同類工程，閘門共設(shè)置134個輥輪，每側(cè)邊梁設(shè)置67個輥輪，輥輪半徑為φ150mm，踏面寬度為φ380 mm，輥輪鏈板節(jié)距為313 mm，單個輥輪所承受的最大荷載為3 890 kN。

通過3種支承型式的比較及支承材料的研究，2號深孔泄洪洞事故閘門的支承型式選定為鏈輪支承。

3 鏈輪系統(tǒng)設(shè)計

鏈輪系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容包括：①鏈輪系統(tǒng)型式的選擇；②輥輪的設(shè)計；③鏈輪系統(tǒng)的裝配及摩阻系數(shù)。

3.1 鏈輪系統(tǒng)型式的選擇

鏈輪系統(tǒng)型式是根據(jù)閘門門葉結(jié)構(gòu)的分節(jié)情況來確定。若閘門分為多節(jié)，且每節(jié)閘門邊梁設(shè)置一掛鏈輪，則為多掛式鏈輪閘門，例如龍羊峽水利樞紐泄洪洞平面事故閘門的門葉分為二節(jié)，每節(jié)門葉高度

4.2 m，每側(cè)設(shè)置二掛鏈輪；天生橋一級水電站放空沖沙洞平面事故閘門、二灘水電站放水中孔平面事故閘門皆采用多掛式鏈輪閘門。若整節(jié)閘門邊梁只設(shè)置一掛鏈輪，則為整掛式鏈輪閘門。例如小灣水電站放空底孔平面事故閘門采用整掛式鏈輪閘門；整掛式鏈輪閘門與多掛式鏈輪閘門優(yōu)缺點比較如下：

1）多掛式鏈輪承受荷載大。多掛式鏈輪在閘門分節(jié)處無法布置輥輪，圓弧段承載走道處的輥輪也無法有效承載，減少了輥輪有效承載個數(shù)，縮短了有效承載長度；

2）多掛式鏈輪由于鏈輪掛數(shù)較多，制造及安裝的控制點亦隨之增加，各掛鏈輪間的共面問題在安裝過程中需要嚴(yán)格控制；

表2 部分鏈輪支承閘門的參數(shù)

3）多掛式鏈輪可根據(jù)門葉分節(jié)情況分掛，在制造廠家與門葉組裝運輸，減少工地安裝難度。

本工程事故閘門采用的是整掛式鏈輪結(jié)構(gòu)。整掛式鏈輪是由鏈輪通過輪軸、鏈板軸套、鏈板聯(lián)結(jié)為回轉(zhuǎn)的整體，并通過扣環(huán)可靠固定鏈板，輥輪與輪軸是獨立的，中間為間隙配合。國外有些鏈輪門輥輪與輪軸是相互固定的，實踐表明這種做法會導(dǎo)致鏈輪系統(tǒng)內(nèi)部拉力加大，鏈輪系統(tǒng)摩擦力增加。

整掛鏈輪安裝在門葉邊梁的承載走道（邊梁后翼緣承載走道即均衡座）上，面板側(cè)為不承受水壓力的承載走道（承受因自重引起的擠壓力），均衡座的材質(zhì)與輥輪相同。為保證輥輪與均衡座間接觸為線接觸，均衡座底部加工為圓弧段，在輥輪與均衡座間出現(xiàn)非線性接觸時，均衡座可作微小轉(zhuǎn)動，調(diào)整輥輪與均衡座的局部位移，使之恢復(fù)為線接觸。

門葉上的承載走道為封閉環(huán)，由門葉頂部圓弧段、均衡座（直線段）、門葉底部圓弧段、面板側(cè)走道（直線段）組成。承載走道較為理想的布置型式是由兩個半圓圓弧段、兩段直線段組成。但因半圓弧段半徑由閘門厚度決定，若主梁高度較大，則導(dǎo)致圓弧半徑過大，將縮短直線段長度，減少了有效承載長度，也即減少了輥輪有效承載個數(shù)?；谝陨显虺休d走道均布置為四個1/4圓弧段，圓弧段之間直線段連接。

對于輥輪數(shù)量、輥輪半徑、鏈輪的節(jié)距的選取，綜合考慮了以下因素：

1）為減少鏈輪運行阻力，每掛鏈輪中，輥輪總數(shù)為奇數(shù)；

2）確定節(jié)距后，制作數(shù)片節(jié)距±1,±2,±3的鏈板，便于調(diào)整；

3）借鑒已建工程實例中的經(jīng)驗。

通過布置計算，鏈輪的節(jié)距取為313 mm，單掛鏈輪中輥輪數(shù)量為67個，輥輪直徑為φ300 mm，承載走道圓弧段半徑為R350 mm。

3.2 輥輪的設(shè)計

1）輥輪荷載計算

①考慮鏈輪能均勻受力，則：其中：P總為總水壓力，P0為單個鏈輪的壓力，n為單邊受荷的鏈輪個數(shù)。

考慮不均勻系數(shù)2，則有：P=208.8 t

②按鏈輪受荷的最大寬度進行計算

受力最大的鏈輪為門葉受力時的最下一個鏈輪（此鏈輪的下個鏈輪即將與主軌接觸）。

鏈輪受水壓的寬度為：

綜上比較，單個鏈輪最大受力按：P=389 t考慮。

2）輥輪材料

鏈輪門工作時，輥輪與均衡座、軌道的接觸為線接觸，根據(jù)彈性理論，按下式計算輥輪強度，選擇輥輪材料。

式中：滓——輥輪的接觸應(yīng)力；P——作用在輥輪上的荷載；E——輥輪、軌道綜合彈性模量；B——輥輪有效踏面寬度；R——輥輪半徑；滓s——輥輪或軌道材料中較小的屈服強度。

經(jīng)計算，輥輪有效踏面寬度取380 mm，輥輪材料選用0Cr17Ni4Cu4Nb，均衡座、軌道也用同種材料。0Cr17Ni4Cu4Nb為沉淀硬化型不銹鋼，屬于馬氏體不銹鋼。具有很高的強度及抗腐蝕能力，以往常用作30～60萬kW級別火電機組葉片制造鋼種。

0Cr17Ni4Cu4Nb在H1025（指經(jīng)1 040℃水或空冷，再經(jīng)550℃回火，4 h空冷熱處理）狀態(tài)下，其主要機械性能為：

滓b≥1 060 MPa；滓s≥1 000 MPa；啄5≥12%；追≥45%；HB≥380。

3）輥輪的加工要求

為保證輥輪在運行中受力均勻、運行流暢。輥輪的加工精度要求：輥輪直徑誤差±0.01 mm；表面光潔度1.6；φ300鏈輪輪廓圓柱度0.014；均衡座：表面光潔度1.6；與鏈輪接觸平面度300:0.02；且整個接觸面平面度為0.05；平直端走道、圓弧端走道應(yīng)進行退火消應(yīng)處理；走道間的接合面高差應(yīng)小于0.03mm。

根據(jù)目前推薦的強度硬度關(guān)系，滓s/滓b=0.75，滓b[MPa]=3.3，要求輥輪、均衡座熱處理后，工作面硬度HB：380～430。同時，根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，淬硬層深度應(yīng)達到20 mm，并具有良好梯度。針對上述熱處理要求，輥輪、均衡座的熱處理方案選為：1 040℃水或空冷，再經(jīng)550℃回火，4 h空冷熱處理。

3.3 鏈輪系統(tǒng)的裝配及摩擦系數(shù)

1）鏈輪系統(tǒng)的裝配

鏈輪系統(tǒng)與門葉之間的裝配關(guān)系是設(shè)計中需要考慮的重中之重，裝配關(guān)系主要體現(xiàn)為以下兩個方面：

①鏈輪系統(tǒng)內(nèi)部之間的裝配，即鏈輪與鏈板之間、鏈板與鏈板裝配間隙。若裝配間隙過小，則裝配困難，鏈輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)動時，導(dǎo)致鏈板已被咬死，鏈條之間的回轉(zhuǎn)阻力增大；若裝配間隙過大，則裝配容易，鏈輪軸向位移量加大，不易保證輥輪與均衡座間線性接觸。根據(jù)已建工程鏈輪的設(shè)計經(jīng)驗，本工程鏈輪與鏈板之間、鏈板與鏈板裝配間隙均定為3 mm，中間設(shè)置3 mm的隔環(huán)（材質(zhì)為ZQAl9-4）。

②鏈輪與承載走道之間的裝配，即當(dāng)閘門位于工作狀態(tài)（垂直）時，門葉承載走道與鏈輪下部的輥輪之間裝配間隙。若裝配間隙過大，鏈輪閘門運行時，鏈輪易脫離承載走道；若裝配間隙過小，需嚴(yán)格控制鏈輪節(jié)距精度誤差，裝配困難。借鑒以往工程經(jīng)驗，鏈輪與承載走道之間的最大裝配間隙定為25～35 mm以內(nèi)。

2）鏈輪系統(tǒng)的摩擦系數(shù)

上游面板、上游封水的事故閘門的啟閉力主要取決于支承摩阻力、水封摩阻力和閘門自重，水封摩阻力和閘門自重由閘門孔口尺寸和承壓水頭確定，孔口和水頭確定，水封摩阻力和閘門自重即為定值，支承摩阻力就成為確定啟閉力的關(guān)鍵因素。鏈輪閘門支承摩阻力一般包括：輥輪在埋件上運行的滾動摩阻力，鏈輪在承載走道上運行時產(chǎn)生的滾動摩阻力，輥輪軸與鏈板的摩擦力。準(zhǔn)確地計算這三部分摩阻力及明確三種摩阻力之間的關(guān)系，目前尚無成熟可靠的方法，因此，鏈輪系統(tǒng)的摩擦系數(shù)，目前還是根據(jù)工程經(jīng)驗來選取。

鏈輪閘門摩擦力系數(shù)與鏈輪的下垂度有關(guān)，下垂度是指閘門處于垂直狀態(tài)時，鏈輪系統(tǒng)下部輥輪的上沿與承載走道的裝配間隙，是影響鏈輪閘門支承摩阻力的重要參數(shù)。下垂度越大，鏈輪閘門支承摩阻力越小，但下垂度過大，輥輪也易脫離承載走道；下垂度越小，閘門門葉結(jié)構(gòu)與鏈輪整體性越好，但會造成支承摩阻力增大。在考慮鏈輪支承閘門的設(shè)計時，應(yīng)該兼顧鏈輪閘門的整體性和較小的支承摩阻力，因此下垂度參數(shù)的選取尤為重要。通過瀑布溝水電站、小灣水電站等工程鏈輪閘門的研究及實際運行狀況，并經(jīng)過全國金屬結(jié)構(gòu)專家的咨詢，初選35mm為本工程事故閘門鏈輪下垂度。

由于鏈輪閘門制造安裝精度較高，故在標(biāo)書文件中明確規(guī)定，閘門需在制造工廠組裝，做鏈輪轉(zhuǎn)動試驗。要求閘門水平拖動時，鏈輪應(yīng)既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)；鏈條轉(zhuǎn)動過程中輥輪不應(yīng)脫離承載走道，鏈輪與埋件、鏈輪與承載走道應(yīng)緊密接觸，應(yīng)保證85%的鏈輪處于受力狀態(tài)，并根據(jù)試驗成果調(diào)整鏈輪的下垂度。為避免鏈條受高速水流的沖擊和雜物的卡阻，在鏈輪上游側(cè)設(shè)置鏈輪保護裝置。

通過對我國大伙房水利樞紐鏈輪閘門進行原型觀測，在輥輪嚴(yán)重銹蝕的情況下，綜合摩阻系數(shù)（鏈輪摩阻系數(shù)+水封橡皮摩阻系數(shù)）為0.02～0.03。前蘇聯(lián)用1∶2的鏈輪閘門進行試驗，綜合摩阻系數(shù)為

0.017 ～0.035。漫灣水電站鏈輪閘門，在輥輪嚴(yán)重銹蝕的情況下，根據(jù)啟閉機上荷重傳感器顯示的數(shù)據(jù)，推出綜合摩阻系數(shù)不大于0.015。

基于以上工程實例，本工程鏈輪閘門在設(shè)計中，選取鏈輪系統(tǒng)的摩擦系數(shù)為0.015（不含水封橡皮摩阻力）。同時，為減小鏈輪系統(tǒng)的摩擦系數(shù)，還采取了以下措施：

①輥輪、均衡座、主軌埋件均采用馬氏體沉淀硬化不銹鋼（0Cr17Ni4Cu4Nb），該鋼種具有很強的抗腐蝕能力，防止鏈輪因銹蝕而摩擦系數(shù)增大；

②輥輪與輪軸之間為間隙配合，能發(fā)生轉(zhuǎn)動；

③輪軸、鏈板均采用不銹鋼材質(zhì)；輥輪軸軸承和鏈板軸套均采用自潤滑材料，減小摩擦系數(shù)，從而減小輥輪軸與鏈板的摩擦力及鏈輪繞軌道運行時的繞行阻力。

4 結(jié)語

2號深孔泄洪洞事故閘門為新疆首例鏈輪閘門，設(shè)計水頭達到130 m，已位于世界前矛，進一步深入認(rèn)識鏈輪閘門的特性十分必要；同時還應(yīng)及時開展輪壓試驗，鏈輪輪壓力分布規(guī)律試驗，以及閘門動水關(guān)閉試驗，這些也是十分必要的。

TV663

：A

：1672-5387（2017）03-0033-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.010

2016-08-30

張廣川（1979-），男，工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)/設(shè)計工作。