探討“中德規(guī)范下弧門支鉸軸和支鉸預(yù)埋安裝精度控制要求”

郭天龍 陳 高

喀麥隆曼維萊水電站主溢洪道設(shè)有6孔弧形閘門，弧門采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉，支鉸采用球面軸承?；￠T先后進(jìn)行了無水調(diào)試，有水調(diào)試，現(xiàn)地和遠(yuǎn)程控制與調(diào)試，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均合格。但弧門在臨時(shí)驗(yàn)收前，發(fā)現(xiàn)2扇弧門在啟閉過程出現(xiàn)振動(dòng)和異響，經(jīng)過專家多次論證確定是由弧門支鉸軸承損壞而引起的。

為了避免由于支鉸軸及預(yù)埋件安裝誤差而導(dǎo)致支鉸軸承受損，對(duì)主溢洪道弧門支鉸軸和預(yù)埋板分為3個(gè)階段進(jìn)行測(cè)量復(fù)核：（1）支鉸軸拆卸前測(cè)量；（2）支鉸拆除后對(duì)支鉸預(yù)埋板測(cè)量；（3）2個(gè)支鉸回裝完成后測(cè)量。

主要測(cè)量?jī)?nèi)容及依據(jù)規(guī)范為：（1）依據(jù)規(guī)范NB/T 35045—2014（替換DL/T 5018—2004），對(duì)預(yù)埋板測(cè)量其平整度和里程、高程偏差；（2）按照德國規(guī)范DIN 19704-2（1998） Table 4 tolerances for embedded elements for radial lock gates對(duì)于支鉸軸需要測(cè)量其同心度和單軸的傾斜角度測(cè)量。

依據(jù)上述中德2種規(guī)范和步驟，對(duì)支鉸回裝過程進(jìn)行嚴(yán)格控制。并在執(zhí)行過程中發(fā)現(xiàn)弧形閘門鉸座安裝的允許偏值存在不一致的現(xiàn)象，針對(duì)該問題現(xiàn)場(chǎng)專家組對(duì)其進(jìn)行了分析和研究。

1 中德規(guī)范的對(duì)比分析

依據(jù)規(guī)范NB/T 35045—2014《水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》第8.3章節(jié)弧形閘門安裝控制精度要求，明確地區(qū)分了圓柱鉸和球鉸安裝公差與極限偏差值，見表1。

表1規(guī)定了弧門兩側(cè)鉸座安裝允許偏差及兩支鉸軸允許偏差，由于支鉸座與支鉸預(yù)埋板通過基礎(chǔ)螺栓緊密相連，預(yù)埋板的安裝偏差值應(yīng)與鉸座安裝偏差值相同。對(duì)于鉸座中心對(duì)孔口中心的距離、里程、高程允許偏差值均相當(dāng)于設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)線偏差值，而鉸座軸孔傾斜和兩鉸座軸線的同軸度相當(dāng)于設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線或2個(gè)支鉸軸提?。▽?shí)際）中心線的偏差值。

表1 弧形閘門鉸座安裝的允許偏差 mm

上述規(guī)范中里程和高程偏差要求±2 mm，但實(shí)際應(yīng)是指2個(gè)支鉸軸允許偏差值為同方向偏移2 mm，即允許偏差值在直徑為2 mm圓柱體內(nèi)，否則就很難滿足2個(gè)支鉸軸同心度的要求。

根據(jù)GB/T 1182—2008/ISO1101:2004 18.13.2或《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》P2-171定義，鉸座軸孔傾斜公差帶為間距公差值t的兩平行面所限定的區(qū)域，該平行平面按給定的角度傾斜基線，即以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線或提?。▽?shí)際）中心線為軸，以公差值t為直徑的圓柱面，實(shí)際軸線上的任意一點(diǎn)應(yīng)該在該圓柱面內(nèi)；軸線的同軸度的公差帶是以公差值Φt為直徑的圓柱面內(nèi)的區(qū)域，該圓柱面的軸線與基準(zhǔn)軸線同軸，即兩支鉸軸同心度為2個(gè)支鉸軸線上任一點(diǎn)到實(shí)際基準(zhǔn)線或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線的距離小于1.0 mm（Φt=2.0 mm，圓柱面的半徑r=1.0 mm）。

由于NB/T 35045—2014規(guī)范中沒有明確定義鉸座軸孔傾斜和兩鉸座軸線的同軸度基準(zhǔn)點(diǎn)問題，導(dǎo)致實(shí)際實(shí)施過程中對(duì)偏差值理解為五花八門，主要有以下幾種：

（1）按照規(guī)范鉸座軸孔傾斜控制在L/1 000，若按照受力固定鉸座的受力點(diǎn)計(jì)算其長(zhǎng)度，即指固定鉸座兩側(cè)耳板的中心距離，但為了現(xiàn)場(chǎng)便于測(cè)量，一般選用固定鉸座外側(cè)作為L(zhǎng)值。另外實(shí)際施工過程中以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線為軸，以公差值t為半徑為圓柱體，則其它任意點(diǎn)均在該圓柱體內(nèi)。

（2）按照規(guī)范兩鉸座軸線的同軸度分為球面軸承和圓柱軸承予以規(guī)定，一般現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施是以設(shè)計(jì)中心線或2個(gè)支鉸軸的被提取中心線為基準(zhǔn)線，以公差值Φt為半徑的圓柱體，2個(gè)支鉸軸的中心線上的任何一點(diǎn)均在該圓柱體內(nèi)。還有一部分人認(rèn)為，以2個(gè)支鉸軸中的任何一個(gè)軸的中心線為基準(zhǔn)線，以公差Φt值為半徑的圓柱體，另外1個(gè)支鉸軸的中心線任何一點(diǎn)均在該圓柱體內(nèi)，這種說法相對(duì)上種較為嚴(yán)格的多，同時(shí)還取決于孔口跨度，孔口越寬誤差值越大。

一般現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際執(zhí)行NB/T35045—2014規(guī)范過程中所有采取的公差值相對(duì)于GB/T 1182—2008/ISO1101:2004名詞定義恰好小50%。

對(duì)于DIN 19704-1 1998《德國水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》與上述規(guī)范有很大的區(qū)別：（1）所有偏差均相對(duì)于理論線或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線；（2）鉸座控制點(diǎn)只有2個(gè)支鉸座中心線的同心度和單個(gè)支鉸軸的傾斜度，其中支鉸同心度分為一般工況和有特殊要求的工況2種。另外，該規(guī)范雖然沒有明確定義規(guī)范中名詞，但能夠清晰和準(zhǔn)確的執(zhí)行，如圖1及表2所示。

圖1 （上）弧形閘門預(yù)埋件及支鉸軸安裝允許誤差示意圖

表2 （下）弧形閘門預(yù)埋件及支鉸軸安裝允許誤差表

根據(jù)表2 DIN 19704-1 1998《德國水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》可得：

（1）單個(gè)支鉸軸的傾斜度采取設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線與單個(gè)軸中心的夾角控制，即tanα極限值為0.002。如果設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線與單軸中心線不在同一面上，可平移支鉸軸中心線或基準(zhǔn)線使2條線相交。

（2）2個(gè)支鉸座中心線的同心度是以設(shè)計(jì)基礎(chǔ)線或理論線為基準(zhǔn)線，以公差值為直徑的圓柱體，即2個(gè)支鉸軸中心線上的任一點(diǎn)的坐標(biāo)（y，z）均在圓柱體內(nèi)，或坐標(biāo)（y，z）值（即NB/T 35045—2014規(guī)范中的里程和高程）與基準(zhǔn)線的差值的絕對(duì)值。假設(shè)支鉸軸中心線上的設(shè)計(jì)坐標(biāo)為 （y0，z0），實(shí)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為（y1，z1），Δy=｜y0-y1｜，Δz=｜z0-z1｜均小于公差值，在不確定理論線時(shí)，高程方向或里程方向最大值減去最小值的絕對(duì)值小于規(guī)范中的公差值即可。

（3）根據(jù)該規(guī)范，2個(gè)支鉸座中心線的同心度公差值與孔口凈寬度成直線關(guān)系，當(dāng)一般工況式（1）和特殊工況式（2）下關(guān)系公式如下：

式中x——孔口凈寬度；

Y——兩支鉸座中心線同軸度公差值。

2 不同規(guī)范條件下設(shè)計(jì)公差值對(duì)比分析

曼維萊水電站溢洪道弧門孔口實(shí)際凈寬度為11 m，按照一般工況下進(jìn)行計(jì)算，均為球面軸承，單軸長(zhǎng)度L為590 mm，在中德不同規(guī)范下單軸傾斜度設(shè)計(jì)值和2個(gè)支鉸座中心線的同心度設(shè)計(jì)公差值見表3。

表3 單軸傾斜度和兩支鉸軸同心度設(shè)計(jì)公差值表

依據(jù)德國DIN17904規(guī)范，繪制兩支鉸軸計(jì)算示意圖2，按照規(guī)范得出弧門支鉸單軸傾斜度計(jì)算公式轉(zhuǎn)換如式（3），兩支鉸軸同心度計(jì)算公式如式（4）。

圖2 兩支鉸軸計(jì)算示意圖

對(duì)于兩支鉸軸同心度公差值按照規(guī)范是以理論線或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)線為軸，以公差值為直徑的圓柱體，其它軸中心線上的任一點(diǎn)均在圓柱體內(nèi)。而在實(shí)際執(zhí)行過程中往往是以半徑為圓柱體進(jìn)行計(jì)算的，忽視規(guī)范中的關(guān)鍵點(diǎn)。對(duì)于單軸傾斜度NB/T35045規(guī)范備注中明確以固定鉸耳板中心為L(zhǎng)，而實(shí)際執(zhí)行規(guī)范過程中大部分是以固定鉸耳板的外邊緣作為L(zhǎng)。雖然規(guī)范要求為固定鉸的耳板中線為L(zhǎng)，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際是非常困難實(shí)施的，因?yàn)檩S的測(cè)量點(diǎn)均為固定鉸耳板的外邊緣，耳板的中線線是很難找到的，對(duì)于DIN規(guī)范中是按照夾角控制的，就不存在這種問題。

但在執(zhí)行規(guī)范過程，由于對(duì)公差值定義沒有深入理解，易把公差值理解為公差帶，對(duì)于曼維萊水電站項(xiàng)目而言，若把公差值作為公差帶計(jì)算，單軸傾斜度設(shè)計(jì)值和2個(gè)支鉸座中心線的同心度設(shè)計(jì)公差值計(jì)算結(jié)果會(huì)增大1倍，其錯(cuò)誤結(jié)果見表4。

表4 習(xí)慣用法單軸傾斜度設(shè)計(jì)值和兩支鉸軸同心度設(shè)計(jì)值表

3 中德規(guī)范的優(yōu)缺點(diǎn)分析

從實(shí)踐中可以看出，中德規(guī)范中既有缺點(diǎn)也有優(yōu)點(diǎn)，其中中國規(guī)范單軸傾斜度L/1 000得到的數(shù)值是非常小的，要求也非常之高，施工過程中很難達(dá)到的，比如一般的弧門的支鉸軸長(zhǎng)度小于1 m，按照中國規(guī)范計(jì)算，最大偏差允許1 mm之內(nèi)，甚至有些弧門的支鉸軸有效長(zhǎng)度僅0.5 m，也就是說單個(gè)支鉸軸傾斜度允許偏差值只有0.5 mm，其實(shí)真正傾斜角度是通過支鉸軸與理論線的夾角確定的，并與支鉸軸的長(zhǎng)度無關(guān)，就像DIN規(guī)范中所述的那樣。

對(duì)于兩支鉸軸的同心度問題，中國規(guī)范明確區(qū)分了球面軸承和圓柱體軸承，對(duì)于球面軸承上下可以360°旋轉(zhuǎn)，左右也可以實(shí)現(xiàn)2.5°～3°不同角度的旋轉(zhuǎn)，間接地證明了球面軸承可以允許更大的偏差，通過球面軸承實(shí)現(xiàn)抵消安裝過程帶來的偏差；而DIN規(guī)范卻沒有分為球面軸承和圓柱軸承，均采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這樣在實(shí)踐中是不合適的。但是兩支鉸軸的同心度問題依然以孔口的跨度有直接的關(guān)系，一般孔口跨度越大允許偏差值越大，反之成立，但是無論孔口大小，允許偏差均有一個(gè)極限值，最小不得小于1 mm，最大不得超過3 mm。其實(shí)這正式DIN規(guī)范所有敘述的那樣。

根據(jù)中國規(guī)范NB/T 35045—2014第8.1.8章節(jié)弧門支鉸預(yù)埋件安裝偏差的控制，“弧門支鉸鋼梁安裝時(shí)，鋼梁的中心里程、高程和對(duì)孔口的中心距離的極限偏差為±1.5 mm，鉸座鋼梁的傾斜按照水平投影L的偏差值來控制，要求L的偏差應(yīng)不大于L/1 000”。僅從字面理解，一個(gè)預(yù)埋件對(duì)于理論線可以向里程、高程方向最大允許偏差1.5 mm，另外一個(gè)預(yù)埋件也可以允許向反方向最大允許偏差為1.5 mm，若按其要求控制，在支鉸安裝時(shí)將無法滿足規(guī)范要求。

在上述章節(jié)中也明確說明了支鉸預(yù)埋板與固定鉸是通過預(yù)埋螺栓緊密結(jié)合的，雖然通過預(yù)埋螺栓與固定支鉸的螺栓孔有一定的間隔。一般認(rèn)為，可以通過這些間隙對(duì)支鉸進(jìn)行調(diào)整，但是通常情況下由于螺栓數(shù)量較多，支鉸較重，施工空間狹窄等原因，一旦預(yù)埋板埋設(shè)位置（高程，里程和相對(duì)于孔口尺寸）確定，支鉸的位置也基本確定，從理論上講預(yù)埋板的允許偏差（不包括預(yù)埋板的傾斜偏差）應(yīng)與支鉸的允許偏差是相對(duì)的，否則預(yù)埋板與支鉸無法很好銜接，換言之預(yù)埋單側(cè)板位置確定后，支鉸就很難進(jìn)行調(diào)整。

4 結(jié)語

曼維萊水電站弧門在啟閉過程出現(xiàn)振動(dòng)和異響是有兩側(cè)的支鉸部位發(fā)出，通過上述中德規(guī)范的對(duì)比分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，弧門支鉸安裝控制誤差能夠滿足規(guī)范要求，從而說明支鉸軸承開裂不是有現(xiàn)場(chǎng)安裝誤差造成的。

其實(shí)弧門支鉸安裝主要控制指標(biāo)為單軸傾斜度和兩支鉸軸同心度，從表4中可以看出，針對(duì)本工程中國規(guī)范的單軸傾斜度遠(yuǎn)高于德國規(guī)范，但兩支鉸軸同心度中國規(guī)范略低于德國規(guī)范，從而也說明了中國規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)原高于德國標(biāo)準(zhǔn)。

在實(shí)際實(shí)施過程中，支鉸預(yù)埋件的方向傾斜度也應(yīng)該有一定的要求，如果控制不好，將來2個(gè)支鉸軸很難符合規(guī)范要求。雖然在支鉸軸傾斜度和同心度有相應(yīng)的要求，但由于安裝時(shí)間長(zhǎng)，施工人員交替頻繁等原因，對(duì)預(yù)埋板和支鉸的安裝不可能在同一時(shí)間，為了確保支鉸軸安裝符合要求，在預(yù)埋件安裝時(shí)應(yīng)控制單側(cè)和兩側(cè)預(yù)埋板的平面度。

一般支鉸預(yù)埋板向下有一定的傾斜角度，中國規(guī)范有些不合理，無論是圓柱體軸承還是球面軸承，上下方向均能實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，無需限制傾斜角度的要求，滿足2個(gè)支鉸軸的同心度要求即可，即使要求也應(yīng)該與支鉸軸極限偏差結(jié)合在一起。對(duì)于中國規(guī)范不僅有要求，但是規(guī)定的偏差值很不合理。比如有些項(xiàng)目預(yù)埋板的投影長(zhǎng)度才50 mm，按照該規(guī)范計(jì)算傾斜度應(yīng)該小于L/1 000，即使0.05 mm，這樣的精度對(duì)結(jié)構(gòu)預(yù)埋是基本上做不到的。有些支鉸預(yù)埋板的向下傾斜角度較大，投影長(zhǎng)度可到500 mm，而計(jì)算的傾斜角度為0.5 mm，雖然擴(kuò)大了10倍，但是實(shí)際施工過程中也是很難做到的。

基于上述情況，參照DIN 17904-2-1998《德國水工鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造標(biāo)準(zhǔn)》，探討NB/T 35045—2014《水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)第8.3章節(jié)弧形閘門安裝控制精度要求進(jìn)行修改的可能性。