探讨“中德规范下弧门支铰轴和支铰预埋安装精度控制要求”

郭天龙 陈 高

喀麦隆曼维莱水电站主溢洪道设有6孔弧形闸门，弧门采用液压启闭机启闭，支铰采用球面轴承。弧门先后进行了无水调试，有水调试，现地和远程控制与调试，各项试验结果均合格。但弧门在临时验收前，发现2扇弧门在启闭过程出现振动和异响，经过专家多次论证确定是由弧门支铰轴承损坏而引起的。

为了避免由于支铰轴及预埋件安装误差而导致支铰轴承受损，对主溢洪道弧门支铰轴和预埋板分为3个阶段进行测量复核：（1）支铰轴拆卸前测量；（2）支铰拆除后对支铰预埋板测量；（3）2个支铰回装完成后测量。

主要测量内容及依据规范为：（1）依据规范NB/T 35045—2014（替换DL/T 5018—2004），对预埋板测量其平整度和里程、高程偏差；（2）按照德国规范DIN 19704-2（1998） Table 4 tolerances for embedded elements for radial lock gates对于支铰轴需要测量其同心度和单轴的倾斜角度测量。

依据上述中德2种规范和步骤，对支铰回装过程进行严格控制。并在执行过程中发现弧形闸门铰座安装的允许偏值存在不一致的现象，针对该问题现场专家组对其进行了分析和研究。

1 中德规范的对比分析

依据规范NB/T 35045—2014《水电工程钢闸门制造安装及验收规范》第8.3章节弧形闸门安装控制精度要求，明确地区分了圆柱铰和球铰安装公差与极限偏差值，见表1。

表1规定了弧门两侧铰座安装允许偏差及两支铰轴允许偏差，由于支铰座与支铰预埋板通过基础螺栓紧密相连，预埋板的安装偏差值应与铰座安装偏差值相同。对于铰座中心对孔口中心的距离、里程、高程允许偏差值均相当于设计的基准线偏差值，而铰座轴孔倾斜和两铰座轴线的同轴度相当于设计基准线或2个支铰轴提取（实际）中心线的偏差值。

表1 弧形闸门铰座安装的允许偏差 mm

上述规范中里程和高程偏差要求±2 mm，但实际应是指2个支铰轴允许偏差值为同方向偏移2 mm，即允许偏差值在直径为2 mm圆柱体内，否则就很难满足2个支铰轴同心度的要求。

根据GB/T 1182—2008/ISO1101:2004 18.13.2或《机械设计手册》P2-171定义，铰座轴孔倾斜公差带为间距公差值t的两平行面所限定的区域，该平行平面按给定的角度倾斜基线，即以设计基准线或提取（实际）中心线为轴，以公差值t为直径的圆柱面，实际轴线上的任意一点应该在该圆柱面内；轴线的同轴度的公差带是以公差值Φt为直径的圆柱面内的区域，该圆柱面的轴线与基准轴线同轴，即两支铰轴同心度为2个支铰轴线上任一点到实际基准线或设计基准线的距离小于1.0 mm（Φt=2.0 mm，圆柱面的半径r=1.0 mm）。

由于NB/T 35045—2014规范中没有明确定义铰座轴孔倾斜和两铰座轴线的同轴度基准点问题，导致实际实施过程中对偏差值理解为五花八门，主要有以下几种：

（1）按照规范铰座轴孔倾斜控制在L/1 000，若按照受力固定铰座的受力点计算其长度，即指固定铰座两侧耳板的中心距离，但为了现场便于测量，一般选用固定铰座外侧作为L值。另外实际施工过程中以设计基准线为轴，以公差值t为半径为圆柱体，则其它任意点均在该圆柱体内。

（2）按照规范两铰座轴线的同轴度分为球面轴承和圆柱轴承予以规定，一般现场实施是以设计中心线或2个支铰轴的被提取中心线为基准线，以公差值Φt为半径的圆柱体，2个支铰轴的中心线上的任何一点均在该圆柱体内。还有一部分人认为，以2个支铰轴中的任何一个轴的中心线为基准线，以公差Φt值为半径的圆柱体，另外1个支铰轴的中心线任何一点均在该圆柱体内，这种说法相对上种较为严格的多，同时还取决于孔口跨度，孔口越宽误差值越大。

一般现场实际执行NB/T35045—2014规范过程中所有采取的公差值相对于GB/T 1182—2008/ISO1101:2004名词定义恰好小50%。

对于DIN 19704-1 1998《德国水工钢结构设计计算标准》与上述规范有很大的区别：（1）所有偏差均相对于理论线或设计基准线；（2）铰座控制点只有2个支铰座中心线的同心度和单个支铰轴的倾斜度，其中支铰同心度分为一般工况和有特殊要求的工况2种。另外，该规范虽然没有明确定义规范中名词，但能够清晰和准确的执行，如图1及表2所示。

图1 （上）弧形闸门预埋件及支铰轴安装允许误差示意图

表2 （下）弧形闸门预埋件及支铰轴安装允许误差表

根据表2 DIN 19704-1 1998《德国水工钢结构设计计算标准》可得：

（1）单个支铰轴的倾斜度采取设计基准线与单个轴中心的夹角控制，即tanα极限值为0.002。如果设计基准线与单轴中心线不在同一面上，可平移支铰轴中心线或基准线使2条线相交。

（2）2个支铰座中心线的同心度是以设计基础线或理论线为基准线，以公差值为直径的圆柱体，即2个支铰轴中心线上的任一点的坐标（y，z）均在圆柱体内，或坐标（y，z）值（即NB/T 35045—2014规范中的里程和高程）与基准线的差值的绝对值。假设支铰轴中心线上的设计坐标为 （y0，z0），实测点坐标为（y1，z1），Δy=｜y0-y1｜，Δz=｜z0-z1｜均小于公差值，在不确定理论线时，高程方向或里程方向最大值减去最小值的绝对值小于规范中的公差值即可。

（3）根据该规范，2个支铰座中心线的同心度公差值与孔口净宽度成直线关系，当一般工况式（1）和特殊工况式（2）下关系公式如下：

式中x——孔口净宽度；

Y——两支铰座中心线同轴度公差值。

2 不同规范条件下设计公差值对比分析

曼维莱水电站溢洪道弧门孔口实际净宽度为11 m，按照一般工况下进行计算，均为球面轴承，单轴长度L为590 mm，在中德不同规范下单轴倾斜度设计值和2个支铰座中心线的同心度设计公差值见表3。

表3 单轴倾斜度和两支铰轴同心度设计公差值表

依据德国DIN17904规范，绘制两支铰轴计算示意图2，按照规范得出弧门支铰单轴倾斜度计算公式转换如式（3），两支铰轴同心度计算公式如式（4）。

图2 两支铰轴计算示意图

对于两支铰轴同心度公差值按照规范是以理论线或设计基准线为轴，以公差值为直径的圆柱体，其它轴中心线上的任一点均在圆柱体内。而在实际执行过程中往往是以半径为圆柱体进行计算的，忽视规范中的关键点。对于单轴倾斜度NB/T35045规范备注中明确以固定铰耳板中心为L，而实际执行规范过程中大部分是以固定铰耳板的外边缘作为L。虽然规范要求为固定铰的耳板中线为L，但现场实际是非常困难实施的，因为轴的测量点均为固定铰耳板的外边缘，耳板的中线线是很难找到的，对于DIN规范中是按照夹角控制的，就不存在这种问题。

但在执行规范过程，由于对公差值定义没有深入理解，易把公差值理解为公差带，对于曼维莱水电站项目而言，若把公差值作为公差带计算，单轴倾斜度设计值和2个支铰座中心线的同心度设计公差值计算结果会增大1倍，其错误结果见表4。

表4 习惯用法单轴倾斜度设计值和两支铰轴同心度设计值表

3 中德规范的优缺点分析

从实践中可以看出，中德规范中既有缺点也有优点，其中中国规范单轴倾斜度L/1 000得到的数值是非常小的，要求也非常之高，施工过程中很难达到的，比如一般的弧门的支铰轴长度小于1 m，按照中国规范计算，最大偏差允许1 mm之内，甚至有些弧门的支铰轴有效长度仅0.5 m，也就是说单个支铰轴倾斜度允许偏差值只有0.5 mm，其实真正倾斜角度是通过支铰轴与理论线的夹角确定的，并与支铰轴的长度无关，就像DIN规范中所述的那样。

对于两支铰轴的同心度问题，中国规范明确区分了球面轴承和圆柱体轴承，对于球面轴承上下可以360°旋转，左右也可以实现2.5°～3°不同角度的旋转，间接地证明了球面轴承可以允许更大的偏差，通过球面轴承实现抵消安装过程带来的偏差；而DIN规范却没有分为球面轴承和圆柱轴承，均采用统一标准，这样在实践中是不合适的。但是两支铰轴的同心度问题依然以孔口的跨度有直接的关系，一般孔口跨度越大允许偏差值越大，反之成立，但是无论孔口大小，允许偏差均有一个极限值，最小不得小于1 mm，最大不得超过3 mm。其实这正式DIN规范所有叙述的那样。

根据中国规范NB/T 35045—2014第8.1.8章节弧门支铰预埋件安装偏差的控制，“弧门支铰钢梁安装时，钢梁的中心里程、高程和对孔口的中心距离的极限偏差为±1.5 mm，铰座钢梁的倾斜按照水平投影L的偏差值来控制，要求L的偏差应不大于L/1 000”。仅从字面理解，一个预埋件对于理论线可以向里程、高程方向最大允许偏差1.5 mm，另外一个预埋件也可以允许向反方向最大允许偏差为1.5 mm，若按其要求控制，在支铰安装时将无法满足规范要求。

在上述章节中也明确说明了支铰预埋板与固定铰是通过预埋螺栓紧密结合的，虽然通过预埋螺栓与固定支铰的螺栓孔有一定的间隔。一般认为，可以通过这些间隙对支铰进行调整，但是通常情况下由于螺栓数量较多，支铰较重，施工空间狭窄等原因，一旦预埋板埋设位置（高程，里程和相对于孔口尺寸）确定，支铰的位置也基本确定，从理论上讲预埋板的允许偏差（不包括预埋板的倾斜偏差）应与支铰的允许偏差是相对的，否则预埋板与支铰无法很好衔接，换言之预埋单侧板位置确定后，支铰就很难进行调整。

4 结语

曼维莱水电站弧门在启闭过程出现振动和异响是有两侧的支铰部位发出，通过上述中德规范的对比分析和现场实测结果，弧门支铰安装控制误差能够满足规范要求，从而说明支铰轴承开裂不是有现场安装误差造成的。

其实弧门支铰安装主要控制指标为单轴倾斜度和两支铰轴同心度，从表4中可以看出，针对本工程中国规范的单轴倾斜度远高于德国规范，但两支铰轴同心度中国规范略低于德国规范，从而也说明了中国规范标准原高于德国标准。

在实际实施过程中，支铰预埋件的方向倾斜度也应该有一定的要求，如果控制不好，将来2个支铰轴很难符合规范要求。虽然在支铰轴倾斜度和同心度有相应的要求，但由于安装时间长，施工人员交替频繁等原因，对预埋板和支铰的安装不可能在同一时间，为了确保支铰轴安装符合要求，在预埋件安装时应控制单侧和两侧预埋板的平面度。

一般支铰预埋板向下有一定的倾斜角度，中国规范有些不合理，无论是圆柱体轴承还是球面轴承，上下方向均能实现360°旋转，无需限制倾斜角度的要求，满足2个支铰轴的同心度要求即可，即使要求也应该与支铰轴极限偏差结合在一起。对于中国规范不仅有要求，但是规定的偏差值很不合理。比如有些项目预埋板的投影长度才50 mm，按照该规范计算倾斜度应该小于L/1 000，即使0.05 mm，这样的精度对结构预埋是基本上做不到的。有些支铰预埋板的向下倾斜角度较大，投影长度可到500 mm，而计算的倾斜角度为0.5 mm，虽然扩大了10倍，但是实际施工过程中也是很难做到的。

基于上述情况，参照DIN 17904-2-1998《德国水工钢结构设计制造标准》，探讨NB/T 35045—2014《水电工程钢闸门制造安装及验收规范》对第8.3章节弧形闸门安装控制精度要求进行修改的可能性。