铸铁闸门螺杆弯曲的成因分析

马宏岳

（商丘市水利建筑勘测设计院，河南 商丘 476000）

1 前言

铸铁闸门因其具有耐腐蚀、安装简单、止水密封好、使用寿命长等优点，在小型水闸中有广泛应用。金属结构在水闸工程中的投资比重虽然较小，却决定着水闸能否正常运行，是非常关键的部位。但在使用过程中却经常面临一个问题，那就是部分水闸的启闭机螺杆会发生弯曲，甚至经过数次维修或更换仍然容易弯曲，造成闸门不能启闭。这个故障看似渺小，但实际上影响很大，以灌区工程为例，一座渠首闸往往控制着上万亩耕地的灌溉，仅仅因为螺杆弯曲，造成整个工程的效益不能实现，着实让人感觉可惜和痛心。因此找出螺杆弯曲的原因，对症下药，彻底解决这个问题，保证水闸建设作用的正常发挥，至关重要。

2 螺杆弯曲的原因分析

根据多年的工作经验，铸铁闸门螺杆弯曲的原因主要有：螺杆安装倾斜、门板重量偏轻、螺杆直径偏细、螺杆材质取用不当、未安装限位开关和力矩限制器、运行管理不规范等。

2.1 螺杆安装倾斜

铸铁闸门的螺杆安装倾斜有设计原因也有施工原因。

设计原因，金属结构和水工结构的设计人员沟通不到位，往往造成图纸前后不一，螺杆倾斜。举一个经常见到的例子：水工结构设计时，工作桥预留螺杆孔中心的设计位置往往位于闸墩门槽中心线上，而金属结构所画的铸铁闸门安装图中，经常将铸铁闸门的门框紧靠门槽的下游面，造成了螺杆安装倾斜。这种倾斜偏差值往往较大，对水闸的正常使用是致命性的。

施工原因，看图不细、各工种之间的配合不到位、施工误差过大等原因，都可以造成螺杆倾斜。

螺杆作为细长构件，一旦倾斜，很容易发生弯曲。针对这种情况，就要求不同专业的人员之间，要充分沟通，保证螺杆垂直度。

2.2 门板重量偏轻

在铸铁闸门的设计成果中，多数都没有明确要求门板的重量。如果门板重量较轻，不足以抵抗闭门摩阻力，就需要通过螺杆施加一定的压力才能使闸门关闭，造成螺杆弯曲。

文章提出了“零闭门力控制法”，即在各种上、下游水位组合工况下，令最大闭门力为零，计算出对应的门板重量作为门板的下限重量，即最小要求重量。此时，在理想状况下，闸门依靠自重就可实现闭门，螺杆的承压能力仅作为富余度考虑，只有在出现锈蚀摩阻、局部卡阻等特殊情况时螺杆才发挥作用辅助闭门。这个方法已在多座小型水闸中使用，并取得了不错的效果。

铸铁闸门的闭门力计算公式如下：

式（1）中：FW—闭门力（kN）；P—铸铁闸门所受到的总水压力（kN）；G—门板自重（kN）；γ—水的重度（kN/m3）；V—门板排开水的体积（m3）；f—止水座滑动摩擦系数，其取值根据表1确定。

表1 止水座材料的滑动摩擦系数表

2.2.1 开敞式铸铁闸门最小门板重量计算

根据公式（1）可知，当闸门重量一定时，上游水位越高，闭门力越大。对于开敞式闸门，虽然水闸在设计时的正常蓄水位一般都低于门顶高程，但实际运行过程中，小型水闸的管理往往不够及时和规范，经常出现实际蓄水位高于正常蓄水位的情况，所以，为安全起见，在计算开敞式铸铁闸门闭门力时，一般按照上游水位与闸门顶高程齐平计算。

值得注意的是，公式（1）中门板排开水的体积V 只取决于下游水位，由于铸铁闸门的形状并不是规则的棱体，想精确计算不同水位下的体积V非常困难也没有必要，一般可假设门板重量在高度方向上均匀分布来估算V值。

在采用“零闭门力控制法”时，令闭门力为零，则公式（1）就可表达为：

式（2）（3）（4）中：H—上游水深（m）；h—下游水深（m）；B—闸门宽度（m）；γm—闸门门板的重度（kN/m3）；其余符号意义同前。

分析上述公式可知，下游水位越高，V值越大，但闸门所受到的总水压力P越小，因此，当上游水位一定时，必然存在一个下游水位使公式（2）中等号右侧的值最大，此最大值即为所求的最小门板重量。

由于门板排开水的体积V 同时取决于门板重量和下游水位，所以利用公式无法直接求解出G 值，需要采用试算法进行计算。在计算前，首先要确定各种闭门工况下可能出现的最大上游水深，如前文所述，对于开敞式闸门，可取为门高。试算步骤如下：先令下游水深为0，此时V 值也为0，计算出一个门板重量G1；令下游水深为0.10 m，以G1 为已知G 值，计算V 和P的值，进而计算出G2；下游水深以0.10 m 为单位递增，重复上述过程，直至公式（2）等号成立，此时的G值即为最大闭门力为零时的门板重量。

由于“零闭门力控制法”试算过程复杂，计算量大，为了方便设计人员参考使用，文章计算出了不同尺寸的开敞式铸铁闸门最大闭门力为零时对应的门板重量。计算结果见表2。

表2 不同尺寸的开敞式铸铁闸门零闭门力控制法对应的门板重量表

需要说明的是，在此次计算中，上游堰上水深取为闸门高度，止水摩擦系数取值为0.28（按照最常见的情况，即止水材料为青铜、门框为铸铁），水的重度取为9.80 kN/m3，设计人员在参考使用时要分析是否满足上述计算前提，不可盲目直接取用。

根据表2 数据分析可知：采用“零闭门力控制法”时，对于开敞式铸铁闸门，门板重量随着闸门尺寸的增加而增加；最大闭门力对应的下游水深随闸门高度增加而增加，但其比值在不断减小。

2.2.2 潜孔式铸铁闸门最小门板重量计算

潜孔式和开敞式闸门采用“零闭门力控制法”的计算原理一致，不再赘述，仅将几种常见尺寸的潜孔式铸铁闸门在不同作用水头下的门板重量试算结果列出，方便设计人员参考使用。止水摩擦系数取值为0.28，计算结果见表3。

表3 潜孔式铸铁闸门零闭门力控制法对应的门板重量表

分析表3 数据可知：采用“零闭门力控制法”时，对于潜孔式铸铁闸门，门板重量随着闸门尺寸和上游堰上水深的增加而增加；当闸门尺寸确定时，最大闭门力对应的下游水深随上游水深的增加而增加，且其比值也随之增加。

2.3 螺杆直径和材质要求

2.3.1 螺杆直径计算

铸铁闸门的设计成果中，应明确提出螺杆直径要求。《给水排水设计手册》对螺杆直径给出了计算方法，《水利水电工程启闭机设计规范》（SL41-2018）对螺杆的计算长度折算系数给出了明确规定，综合这两本设计依据，可得螺杆直径的计算公式如下：

式（5）中：λ—螺杆长细比；μ—螺杆的计算长度折算系数，按一端铰接一端固结，取值0.7；Hx—螺杆有效长度（mm）；d—螺杆外径（mm）；螺杆容许长细比最大值为200。由此可以得出螺杆直径应满足：d≥Hx/71.43。

2.3.2 螺杆材质要求

螺杆的材质一般采用GB/T 700 规定的Q275 或GB/T 699规定的35、45号钢，表面进行氮化或渗铬；也可以采用1Cr13不锈钢，并进行调质处理，增加材料的抗湿热性和抗腐蚀性。不建议采用普通碳素钢，容易弯曲；严禁采用铸铁，防止脆断。

2.4 限位开关和力矩限制器

当闸门已经完全关闭或受到严重卡阻无法继续下落时，如果继续施压，就很容易使螺杆发生弯曲，甚至破坏闸室结构。因此，对于螺杆启闭机，一定要配置限位开关和力矩限制器，防止螺杆弯曲。

2.5 规范运行管理

在工程建设中，如果运行管理不当，仍然不能保证工程效益的发挥。但是在中国，“重建设轻管理”是目前普遍存在的一个现象。为了避免螺杆弯曲，在运行时应特别注意以下两点：①做好日常维护和保养工作，保证水闸运行状态良好，避免因锈蚀或卡阻造成螺杆受压弯曲；②无论是否设置了限位开关和力矩限制器，水闸闭门时，都应至少有两人在场，一人操控，一人观察闸门情况，避免因没有限位开关或者设备故障造成螺杆超压弯曲。

3 结语

螺杆对于整个水闸工程来说虽然只是一个小构件，但却决定着水闸能否正常运行。在工程设计和施工过程中，要加强沟通，保证螺杆安装的垂直度；采用“零闭门力控制法”可以有效避免由于门板重量偏轻造成螺杆弯曲的发生，值得推广；另外在设计成果中，要明确螺杆的直径和材质要求。