鑄鐵閘門螺桿彎曲的成因分析

馬宏岳

（商丘市水利建筑勘測設(shè)計院，河南 商丘 476000）

1 前言

鑄鐵閘門因其具有耐腐蝕、安裝簡單、止水密封好、使用壽命長等優(yōu)點，在小型水閘中有廣泛應(yīng)用。金屬結(jié)構(gòu)在水閘工程中的投資比重雖然較小，卻決定著水閘能否正常運行，是非常關(guān)鍵的部位。但在使用過程中卻經(jīng)常面臨一個問題，那就是部分水閘的啟閉機螺桿會發(fā)生彎曲，甚至經(jīng)過數(shù)次維修或更換仍然容易彎曲，造成閘門不能啟閉。這個故障看似渺小，但實際上影響很大，以灌區(qū)工程為例，一座渠首閘往往控制著上萬畝耕地的灌溉，僅僅因為螺桿彎曲，造成整個工程的效益不能實現(xiàn)，著實讓人感覺可惜和痛心。因此找出螺桿彎曲的原因，對癥下藥，徹底解決這個問題，保證水閘建設(shè)作用的正常發(fā)揮，至關(guān)重要。

2 螺桿彎曲的原因分析

根據(jù)多年的工作經(jīng)驗，鑄鐵閘門螺桿彎曲的原因主要有：螺桿安裝傾斜、門板重量偏輕、螺桿直徑偏細、螺桿材質(zhì)取用不當(dāng)、未安裝限位開關(guān)和力矩限制器、運行管理不規(guī)范等。

2.1 螺桿安裝傾斜

鑄鐵閘門的螺桿安裝傾斜有設(shè)計原因也有施工原因。

設(shè)計原因，金屬結(jié)構(gòu)和水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計人員溝通不到位，往往造成圖紙前后不一，螺桿傾斜。舉一個經(jīng)常見到的例子：水工結(jié)構(gòu)設(shè)計時，工作橋預(yù)留螺桿孔中心的設(shè)計位置往往位于閘墩門槽中心線上，而金屬結(jié)構(gòu)所畫的鑄鐵閘門安裝圖中，經(jīng)常將鑄鐵閘門的門框緊靠門槽的下游面，造成了螺桿安裝傾斜。這種傾斜偏差值往往較大，對水閘的正常使用是致命性的。

施工原因，看圖不細、各工種之間的配合不到位、施工誤差過大等原因，都可以造成螺桿傾斜。

螺桿作為細長構(gòu)件，一旦傾斜，很容易發(fā)生彎曲。針對這種情況，就要求不同專業(yè)的人員之間，要充分溝通，保證螺桿垂直度。

2.2 門板重量偏輕

在鑄鐵閘門的設(shè)計成果中，多數(shù)都沒有明確要求門板的重量。如果門板重量較輕，不足以抵抗閉門摩阻力，就需要通過螺桿施加一定的壓力才能使閘門關(guān)閉，造成螺桿彎曲。

文章提出了“零閉門力控制法”，即在各種上、下游水位組合工況下，令最大閉門力為零，計算出對應(yīng)的門板重量作為門板的下限重量，即最小要求重量。此時，在理想狀況下，閘門依靠自重就可實現(xiàn)閉門，螺桿的承壓能力僅作為富余度考慮，只有在出現(xiàn)銹蝕摩阻、局部卡阻等特殊情況時螺桿才發(fā)揮作用輔助閉門。這個方法已在多座小型水閘中使用，并取得了不錯的效果。

鑄鐵閘門的閉門力計算公式如下：

式（1）中：FW—閉門力（kN）；P—鑄鐵閘門所受到的總水壓力（kN）；G—門板自重（kN）；γ—水的重度（kN/m3）；V—門板排開水的體積（m3）；f—止水座滑動摩擦系數(shù)，其取值根據(jù)表1確定。

表1 止水座材料的滑動摩擦系數(shù)表

2.2.1 開敞式鑄鐵閘門最小門板重量計算

根據(jù)公式（1）可知，當(dāng)閘門重量一定時，上游水位越高，閉門力越大。對于開敞式閘門，雖然水閘在設(shè)計時的正常蓄水位一般都低于門頂高程，但實際運行過程中，小型水閘的管理往往不夠及時和規(guī)范，經(jīng)常出現(xiàn)實際蓄水位高于正常蓄水位的情況，所以，為安全起見，在計算開敞式鑄鐵閘門閉門力時，一般按照上游水位與閘門頂高程齊平計算。

值得注意的是，公式（1）中門板排開水的體積V 只取決于下游水位，由于鑄鐵閘門的形狀并不是規(guī)則的棱體，想精確計算不同水位下的體積V非常困難也沒有必要，一般可假設(shè)門板重量在高度方向上均勻分布來估算V值。

在采用“零閉門力控制法”時，令閉門力為零，則公式（1）就可表達為：

式（2）（3）（4）中：H—上游水深（m）；h—下游水深（m）；B—閘門寬度（m）；γm—閘門門板的重度（kN/m3）；其余符號意義同前。

分析上述公式可知，下游水位越高，V值越大，但閘門所受到的總水壓力P越小，因此，當(dāng)上游水位一定時，必然存在一個下游水位使公式（2）中等號右側(cè)的值最大，此最大值即為所求的最小門板重量。

由于門板排開水的體積V 同時取決于門板重量和下游水位，所以利用公式無法直接求解出G 值，需要采用試算法進行計算。在計算前，首先要確定各種閉門工況下可能出現(xiàn)的最大上游水深，如前文所述，對于開敞式閘門，可取為門高。試算步驟如下：先令下游水深為0，此時V 值也為0，計算出一個門板重量G1；令下游水深為0.10 m，以G1 為已知G 值，計算V 和P的值，進而計算出G2；下游水深以0.10 m 為單位遞增，重復(fù)上述過程，直至公式（2）等號成立，此時的G值即為最大閉門力為零時的門板重量。

由于“零閉門力控制法”試算過程復(fù)雜，計算量大，為了方便設(shè)計人員參考使用，文章計算出了不同尺寸的開敞式鑄鐵閘門最大閉門力為零時對應(yīng)的門板重量。計算結(jié)果見表2。

表2 不同尺寸的開敞式鑄鐵閘門零閉門力控制法對應(yīng)的門板重量表

需要說明的是，在此次計算中，上游堰上水深取為閘門高度，止水摩擦系數(shù)取值為0.28（按照最常見的情況，即止水材料為青銅、門框為鑄鐵），水的重度取為9.80 kN/m3，設(shè)計人員在參考使用時要分析是否滿足上述計算前提，不可盲目直接取用。

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)分析可知：采用“零閉門力控制法”時，對于開敞式鑄鐵閘門，門板重量隨著閘門尺寸的增加而增加；最大閉門力對應(yīng)的下游水深隨閘門高度增加而增加，但其比值在不斷減小。

2.2.2 潛孔式鑄鐵閘門最小門板重量計算

潛孔式和開敞式閘門采用“零閉門力控制法”的計算原理一致，不再贅述，僅將幾種常見尺寸的潛孔式鑄鐵閘門在不同作用水頭下的門板重量試算結(jié)果列出，方便設(shè)計人員參考使用。止水摩擦系數(shù)取值為0.28，計算結(jié)果見表3。

表3 潛孔式鑄鐵閘門零閉門力控制法對應(yīng)的門板重量表

分析表3 數(shù)據(jù)可知：采用“零閉門力控制法”時，對于潛孔式鑄鐵閘門，門板重量隨著閘門尺寸和上游堰上水深的增加而增加；當(dāng)閘門尺寸確定時，最大閉門力對應(yīng)的下游水深隨上游水深的增加而增加，且其比值也隨之增加。

2.3 螺桿直徑和材質(zhì)要求

2.3.1 螺桿直徑計算

鑄鐵閘門的設(shè)計成果中，應(yīng)明確提出螺桿直徑要求。《給水排水設(shè)計手冊》對螺桿直徑給出了計算方法，《水利水電工程啟閉機設(shè)計規(guī)范》（SL41-2018）對螺桿的計算長度折算系數(shù)給出了明確規(guī)定，綜合這兩本設(shè)計依據(jù)，可得螺桿直徑的計算公式如下：

式（5）中：λ—螺桿長細比；μ—螺桿的計算長度折算系數(shù)，按一端鉸接一端固結(jié)，取值0.7；Hx—螺桿有效長度（mm）；d—螺桿外徑（mm）；螺桿容許長細比最大值為200。由此可以得出螺桿直徑應(yīng)滿足：d≥Hx/71.43。

2.3.2 螺桿材質(zhì)要求

螺桿的材質(zhì)一般采用GB/T 700 規(guī)定的Q275 或GB/T 699規(guī)定的35、45號鋼，表面進行氮化或滲鉻；也可以采用1Cr13不銹鋼，并進行調(diào)質(zhì)處理，增加材料的抗?jié)駸嵝院涂垢g性。不建議采用普通碳素鋼，容易彎曲；嚴(yán)禁采用鑄鐵，防止脆斷。

2.4 限位開關(guān)和力矩限制器

當(dāng)閘門已經(jīng)完全關(guān)閉或受到嚴(yán)重卡阻無法繼續(xù)下落時，如果繼續(xù)施壓，就很容易使螺桿發(fā)生彎曲，甚至破壞閘室結(jié)構(gòu)。因此，對于螺桿啟閉機，一定要配置限位開關(guān)和力矩限制器，防止螺桿彎曲。

2.5 規(guī)范運行管理

在工程建設(shè)中，如果運行管理不當(dāng)，仍然不能保證工程效益的發(fā)揮。但是在中國，“重建設(shè)輕管理”是目前普遍存在的一個現(xiàn)象。為了避免螺桿彎曲，在運行時應(yīng)特別注意以下兩點：①做好日常維護和保養(yǎng)工作，保證水閘運行狀態(tài)良好，避免因銹蝕或卡阻造成螺桿受壓彎曲；②無論是否設(shè)置了限位開關(guān)和力矩限制器，水閘閉門時，都應(yīng)至少有兩人在場，一人操控，一人觀察閘門情況，避免因沒有限位開關(guān)或者設(shè)備故障造成螺桿超壓彎曲。

3 結(jié)語

螺桿對于整個水閘工程來說雖然只是一個小構(gòu)件，但卻決定著水閘能否正常運行。在工程設(shè)計和施工過程中，要加強溝通，保證螺桿安裝的垂直度；采用“零閉門力控制法”可以有效避免由于門板重量偏輕造成螺桿彎曲的發(fā)生，值得推廣；另外在設(shè)計成果中，要明確螺桿的直徑和材質(zhì)要求。