三河闸弧门支铰轴及轴套更换方案研究

丁 军

（江苏省水利勘测设计研究院有限公司 江苏扬州 225127）

三河闸弧门支铰轴及轴套更换方案研究

丁 军

（江苏省水利勘测设计研究院有限公司 江苏扬州 225127）

淮河入江水道三河闸工程弧门支铰轴套，在设计挡水位下，其承压应力σcg=72MPa,已严重超过规范的容许应力［σcg］=40MPa。铰轴的弯曲应力也略大于容许应力。考虑到当时的支铰结构的特殊性以及工期紧等客观条件，轴套及铰轴一直超工况使用，给工程安全埋下了隐患，急需做更换处理。本文根据目前自润滑轴套的材料特点，对该工程弧门支铰轴及轴套进行更换设计和研究。

支铰轴套 容许应力 自润滑轴套 更换设计

1　前言

三河闸工程位于江苏省洪泽县，是淮河下游洪泽湖主要泄洪河道淮河入江水道的控制建筑物，该工程于1952年10月1日动工兴建，1953年7月26日建成放水，它是建国初期我国自行设计自行施工的大(Ⅰ)型水闸。共63孔，每孔净宽10m，闸身总宽697.75m，设计流量为12000m3/s。闸门为钢结构弧形门，重14.98吨。每孔设QH-2×100kN-12m弧门启闭机一台，启门速度约为0.19m/min。闸门支承形式为直支臂支承，支铰轴直径φ100mm，材料为45#钢，轴套为φ100×110-66mm，材料相当于ZCuSn10Zn2锡青铜,在正常蓄水工况下， 轴套的承压应力σ cg=72MPa。约超出现行设计规范ZQAl9-4铜容许径向承压应力的1.5倍，工程处于带病运行状态，虽经论证，在一定的条件下可以使用，但仍然是工程隐患，急需对其进行重新研究和更换处理。

2　历史加固支铰轴和轴套处理情况

1992年到1995年，三河闸进行了历史上的第三次加固，也是对金属结构部分最大的一次加固，原铆接的钢闸门全部更新为钢结构实腹式双主梁结构弧门。对弧门支铰座部位，经过复核计算，在挡水水位（H上=13.5m，H下=7.5m）的工况下，轴套的承压应力σcg=72MPa,已严重超过当时承压高的铸锡青铜ZCuSn10Zn2的容许应力［σcg］=40MPa。 45#钢支铰轴的弯曲应力σ=159MPa，也略大于其容许应力［σ］=145MPa。考虑到当时支铰结构的特殊性以及工期紧等客观条件，欲保留轴套继续使用。为慎重起见，1991年9～10月，由原三河闸管理处委托水利部水工金属结构质检中心，对在役轴套进行了安全试验，并出具了《江苏三河闸在役弧形闸门支铰轴套试验报告》。试验报告结论和建议如下：

2.1试验结论

（1）经过化学分析，在役轴套材料属于锡青铜，相当于现行牌号为ZCuSn10Zn22的铜合金。

（2）试验结果表明，在不改变现有使用工况条件和轴套与支铰、轴套与轴的原状态下，使用小于90MPa承压力较适宜。

（3）经过在役轴套检测和试验表明，在现有条件下，轴套继续使用是可以的。

2.2试验建议2

（1）轴套运行时必须保证润滑，否则，原有的设计条件都满足不了，对轴套的使用将更加不利。

（2）因现有工况已超出现行设计规范许用应力的两倍多，若有条件，还是适当加大轴套的尺寸，以增加轴套的安全储备为宜。

根据水利部水工金属结构质检中心的检测报告，考虑当时的技术和材料特性以及工期要求，我公司经过研究决定，保留原支铰轴套尺寸不变，保留原支铰座，为缩小承压应力差，将原轴套材料更换为铸铝铁青铜ZQAL9-4，并增设安全可靠的加油设施。

3　支铰轴及轴套更换实施缘由

3.1强度不满足规范要求

2009年，根据启闭机检测情况，在入江水道整治工程中，研究决定对启闭机作更换处理。2013年5月全部更换为QH-2×100kN-12m弧门启闭机,共63台套。2011年2月，我公司受江苏省洪泽湖管理处委托，对三河闸工程金属结构重新进行了安全复核。根据复核结果，弧形钢闸门强度满足要求。对闸门支铰座部分，按照三河闸加固后的水位（H上=13.5m，H下=7.5m），发现轴套的承压应力σcg=72MPa,仍远大于铸铝铁青铜ZQAL9-4的容许应力［σcg］=50MPa。45#钢铰轴的弯曲应力σ=156MPa，也略大于其容许应力［σ］=145MPa。具体计算结果见表1。

表1　闸门支铰轴及轴套计算成果表

3.2现场运行工况恶化

经过近20年的运行，现场运用情况有一些恶化，具体表现在：

（1）原设计的加油润滑设施已报废无法使用。

（2）更换后的铸铝铁青铜ZQAL9-4轴套的使用荷载仍超出规范许用应力1.5倍，无安全储备，仍在有一定塑变量的极限范围内工作。

从现场运用情况看，为了保证工程安全，我们建议对原遗留问题轴套、铰轴（材料由45#钢改为40Cr材料）等零部件进行更换。

4　目前国内轴套新技术发展

随着新技术、新材料不断的出现，轴套的材料和性能都有很大的提高，由原普通的铸铝铁青铜ZQAl9-4已发展到高承压的铜合金材料（俗称高力黄铜合金），加油润滑已经发展到自润滑。该自润滑铜合金轴套在国内已普遍使用，技术很成熟，生产厂家多，主要分布在大连和浙江嘉善。

4.1轴套性能比较

由于主要化学成分不同，导致现轴承铸铝铁青铜ZQAl9-4和拟用自润滑耐高压轴套的力学性能不同。其主要化学成分比较见表2。力学性能比较见表3。

5　轴套、铰轴更换设计方案

根据以上轴套材料的力学分析，采用高力黄铜的自润滑轴套FZ-5(3)、DF-5(4)、JDB-650，其许用动荷载均大于现行工况下三河闸轴套的承压应力σcg=72MPa,在不须加润滑设施的情况下，满足三河闸工程轴套的使用要求。具体施工措施为轴套、铰轴更换施工在两个非汛期完成，根据现有检修门的数量，可考虑10次周转施工，一次同时施工6孔。施工时，先放下检修门，在下游搭钢结构操作平台，抬升闸门离开闸底板50cm左右后在门底搁置好，在门顶胸墙处焊接固

表2　轴套化学成分比较表

表3　轴套力学性能比较表

定牢靠，两支臂之间采用钢撑固定，支臂与铰座焊接牢靠后，拆除铰轴和铰链，最后从铰链上拆出原轴套。在拆出过程中注意要保证闸门变形在可控范围内，以便最后能保证新轴套和铰轴的安装。

6　结语

三河闸工程为大(Ⅰ)型水闸，外形体量大、壮观，是确保里下河地区3000万亩农田和2000万人民生命财产安全的咽喉工程。采用安全可靠的自润滑轴承是工程安全的保证。随着新技术、新材料的不断出现，加上可靠的施工措施，三河闸工程将更加安全可靠。

1.滑动轴承铜合金镶嵌固体润滑轴承.北京：中国标准出版社,2009.9.

2.《水利水电工程钢闸门设计规范》(DL/T5019-95).北京：中国电力出版社,1996.1.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.024

TV34

B

1672-2469（2014）08-0077-02

丁 军（1967年—），男，高级工程师。