偏心鉸弧門拼裝尺寸鏈的計(jì)算

江健煒

（中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限公司，四川 夾江 614100）

1 概述

一些高水頭、大流量的水電站的閘門有動(dòng)水啟門和局部開啟的要求，采用偏心鉸結(jié)構(gòu)的弧門可以滿足上述要求。一方面可以減少弧形工作閘門的水泄漏，另一方面便于靈活啟閉用于電站底孔沖砂、泄洪等特殊作業(yè)。

巴基斯坦塔貝拉水電站LLO出口閘門采用了偏心鉸弧形閘門。該弧門孔口尺寸（寬×高）為：6 m×6 m，封水截面尺寸（寬×高）為：7.4 m×7.15 m，設(shè)計(jì)水頭135.94 m，最大擋水壓力6154 2 kN，每套弧門重量達(dá)383 t。該弧門采用偏心鉸和凸擴(kuò)式門槽封水結(jié)構(gòu)，支鉸軸偏心距為50 mm，采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以進(jìn)行閘門的動(dòng)水啟閉和門葉的局部開啟。

該弧門的面板尺寸（寬×高）為：8 670 mm×7 288 mm，弧面面板加工要求控制曲率半徑，門葉橫向直線度≤2 mm，各結(jié)合面平面度≤0.5 mm。該弧門在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能需求等方面有獨(dú)特要求，對(duì)弧門結(jié)構(gòu)大拼工序具有很高的制造難度。對(duì)偏心鉸弧形閘門制造的尺寸鏈進(jìn)行分析和計(jì)算在制造過(guò)程中有著十分重要的意義。

2 偏心鉸弧門的組成

巴基斯坦塔貝拉水電站LLO出口偏心鉸弧形閘門主要由門葉、支臂、支鉸總成等組成。其中：門葉主要由門葉1、門葉2和門葉3等組成；支臂由支臂1、支臂2、豎桿和橫桿等組成；支鉸總成由活動(dòng)支鉸、固定支鉸、偏心支鉸軸、聯(lián)軸器、滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承等組成。

3 偏心鉸弧門門葉及支臂結(jié)構(gòu)制造要求

偏心鉸弧門多用于高水頭排砂泄洪底孔擋水，相對(duì)于一般弧門，存在結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、要求更嚴(yán)格、控制項(xiàng)目更多、制造難度更大等特點(diǎn)?；￠T檢驗(yàn)內(nèi)容及要求見表1。

表1 偏心鉸弧門與一般弧門檢驗(yàn)內(nèi)容及要求對(duì)比表

門葉主橫梁及支臂主要板材厚度為60 mm，其余板材厚度均為30 mm以上，而且需超聲波探傷滿足NB/T 35051規(guī)范要求的一、二類焊縫占到了全部焊縫總量的80%以上，這對(duì)于焊接質(zhì)量及焊接變形的控制難度造成很大影響。焊接后會(huì)出較大的變形，焊后數(shù)據(jù)難以滿足技術(shù)要求。根據(jù)合同條款，該弧門制作還增加以下技術(shù)控制要求：

（1）非加工面組合處的錯(cuò)位≤2 mm，加工面組合處的錯(cuò)位≤0.5 mm。

（2）縱向隔板錯(cuò)位≤2 mm。

（3）面板與梁組合的局部間隙≤1 mm。

（4）門葉底緣傾斜值2C≤2 mm。

（5）支鉸軸孔中心至面板外緣的半徑R的值為，兩側(cè)相對(duì)差不大1 mm。

為確保弧門制造滿足上述技術(shù)條款，加強(qiáng)弧門各零件制造過(guò)程中的變形和尺寸精度控制技術(shù)是關(guān)鍵。

4 弧門結(jié)構(gòu)拼裝過(guò)程

閘門的結(jié)構(gòu)拼裝是在專用弧門大拼工裝上進(jìn)行。先將組裝好的左、右支臂立于工裝上固定，將底節(jié)門葉與左、右支臂聯(lián)接固定，調(diào)整各部尺寸合格后吊裝其余門葉。再將活動(dòng)支鉸聯(lián)接到左、右支臂上，檢測(cè)弧面半徑尺寸合格后焊接前端板。拆解門葉和活動(dòng)支鉸后加工左、右支臂的前端板平面。支臂完成加工后復(fù)拼進(jìn)行驗(yàn)證檢測(cè)弧面半徑尺寸合格，完成弧門結(jié)構(gòu)的拼裝。

5 弧門主要尺寸鏈的分析與計(jì)算方法

在偏心鉸弧門使用過(guò)程中，由于閘門各機(jī)構(gòu)運(yùn)行復(fù)雜，制造精度要求高，對(duì)制造帶來(lái)了許多技術(shù)難題。通常，偏心鉸弧門在制造過(guò)程中，弧面的曲率半徑是必須控制的關(guān)鍵尺寸。從一定程度上講，弧面的曲率半徑準(zhǔn)確與否直接決定了弧門的許多重要性能和產(chǎn)品的最終制造質(zhì)量。

然而，要獲得設(shè)計(jì)要求中理想弧面的曲率半徑有許多制約因素。單從結(jié)構(gòu)拼裝這個(gè)關(guān)鍵工序來(lái)看，對(duì)弧面的曲率半徑關(guān)聯(lián)的裝配尺寸鏈進(jìn)行分析和計(jì)算很有必要。

由于偏心鉸弧門零部件重量大，吊裝難度高，制作中應(yīng)盡量減少拼裝的次數(shù)。對(duì)弧面曲率半徑相關(guān)的尺寸鏈進(jìn)行分析，明確全部組成環(huán)、封閉環(huán)，計(jì)算出封閉環(huán)基本尺寸、下極限偏差和公差。根據(jù)下極限偏差進(jìn)行切割配焊前端板；根據(jù)封閉環(huán)公差計(jì)算值，對(duì)封閉環(huán)增加相應(yīng)的加工余量。然后采用加工修配法來(lái)滿足封閉環(huán)公差范圍，從而獲得合格的弧面的曲率半徑。

6 構(gòu)件組拼的裝配尺寸鏈

偏心鉸弧門構(gòu)件的組拼是構(gòu)件制造的一個(gè)重要過(guò)程，目的是獲得偏心鉸弧門驗(yàn)收要求的許多重要尺寸，驗(yàn)證前期制造工序的質(zhì)量控制有效性和各關(guān)鍵尺寸的圖樣符合性。

通常由各節(jié)門葉、支臂1、支臂2和活動(dòng)支鉸等參與組拼。同時(shí)，為了方便尺寸鏈的分析和計(jì)算，假設(shè)偏心支鉸軸安裝在活動(dòng)支鉸的中心位置來(lái)進(jìn)行分析和計(jì)算。如圖1所示：

圖1 偏心鉸弧門的側(cè)向示意圖

6.1 偏心鉸弧門支臂上肢尺寸鏈

6.1.1 上肢尺寸鏈的表示

根據(jù)文獻(xiàn)[1]對(duì)尺寸鏈的表示方法，從圖1中可以方便獲得弧門支臂上肢尺寸鏈：

A2=mm(由Φ1 000 g6上下偏差/2計(jì)算得)

A3=mm（由滑動(dòng)軸承的徑向間隙/2計(jì)算得）

構(gòu)件在拼裝過(guò)程中，支臂2的軸線長(zhǎng)度（A0）可以方便地通過(guò)配焊調(diào)節(jié)或加工修配法獲得要求的精度，故確定其為封閉環(huán)。滑動(dòng)軸承與活動(dòng)支鉸是過(guò)盈配合，該配合對(duì)尺寸鏈基本無(wú)影響。其余尺寸很容易通過(guò)加工保證在設(shè)計(jì)要求的公差范圍內(nèi)。依照尺寸鏈理論，計(jì)算出封閉環(huán)的下偏差，可以確定拼裝前端板時(shí)支臂的切割位置；計(jì)算出封閉環(huán)的尺寸公差，確定支臂2的前端板加工余量，通過(guò)加工即可獲得符合要求的弧面曲率半徑。

6.1.2 封閉環(huán)基本尺寸計(jì)算

式（1）變換為：

將各環(huán)的基本尺寸代入式（2）各項(xiàng)數(shù)值可以計(jì)算封閉環(huán)的基本尺寸：A0=5 459.8 mm。

6.1.3 封閉環(huán)的下偏差計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1]對(duì)封閉環(huán)下偏差的計(jì)算方法可得：

計(jì)算式（3）可得支臂2的軸線長(zhǎng)度上偏差：EI（A0）=- 4.041 mm。

6.1.4 封閉環(huán)公差的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1]對(duì)封閉環(huán)公差的計(jì)算方法可得：

計(jì)算式（4）可得支臂2的軸線長(zhǎng)度公差：T0=8.428 mm。

6.2 偏心鉸弧門支臂下肢尺寸鏈

同理，從圖1中可以方便獲得弧門支臂下肢尺寸鏈：

A2=mm(由Φ1 000 g6上下偏差/2計(jì)算得)

A3=mm（由滑動(dòng)軸承的徑向間隙/2計(jì)算得）

確定支臂1的軸線長(zhǎng)度（A0）為封閉環(huán)，式（5）可變換為：

將各環(huán)的基本尺寸代入式（6）各項(xiàng)數(shù)值可以計(jì)算封閉環(huán)的基本尺寸：A0=7 360.9 mm。

同理可得封閉環(huán)的下偏差：

計(jì)算式（7）可得支臂1的軸線上偏差：EI（A0）=-2.841 mm。

同理可得封閉環(huán)的公差：

計(jì)算式（8）可得支臂2的軸線長(zhǎng)度公差：T0=6.028mm。

7 結(jié)語(yǔ)

從上述計(jì)算可知，在進(jìn)行前端板配焊時(shí)，對(duì)于支臂上肢相關(guān)尺寸鏈的各尺寸如果沒(méi)有超標(biāo)，支臂2的軸線長(zhǎng)度（5 459.8 mm）可以按照該尺寸的下偏差（4.041 mm）進(jìn)行切割配焊。同樣，對(duì)于支臂下肢也按照該尺寸鏈上支臂1的軸線長(zhǎng)度尺寸（7 360.9 mm）的下偏差（2.841 mm）進(jìn)行切割配焊。

然后，采用修配法來(lái)調(diào)節(jié)弧門曲率半徑的誤差，支臂上肢理論上需要大于8.428 mm的加工余量，支臂下肢理論上需要大于6.028 mm的加工余量。鑒于鋼板存在表面不平度；前端板的理論厚度為60 mm，且厚度應(yīng)該一致等因素，實(shí)際生產(chǎn)中前端板采用厚度為70 mm的鋼板，比設(shè)計(jì)理論厚度增加了10 mm作為加工余量，用于在修配加工時(shí)調(diào)節(jié)使用。

通過(guò)上述對(duì)偏心鉸弧形閘門組拼尺寸鏈的分析和計(jì)算，確定了實(shí)際制造過(guò)程中應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的工藝技術(shù)措施。從而順利完成了巴基斯坦塔貝拉水電站LLO出口偏心鉸弧形閘門的制造。經(jīng)過(guò)廠內(nèi)拼裝的檢驗(yàn)，工地安裝后能正常運(yùn)行使用，充分證明能夠滿足閘門設(shè)計(jì)技術(shù)要求。