張廣川

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

阿爾塔什水利樞紐工程 2 號(hào)深孔泄洪洞鏈輪閘門支承型式設(shè)計(jì)研究

張廣川

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

通過對(duì)閘門三種不同支承形式（滑道支承、定輪支承、鏈輪支承）的分析和研究，結(jié)合阿爾塔什水利樞紐工程2號(hào)深孔泄洪洞事故閘門實(shí)際運(yùn)用工況及工作狀態(tài)確定閘門采用鏈輪支承。對(duì)鏈輪系統(tǒng)型式的選擇、輥輪的設(shè)計(jì)及鏈輪系統(tǒng)的裝配及摩阻系數(shù)等方面做出細(xì)致的研究和計(jì)算，并對(duì)鏈輪材料的選擇及加工要求等重要因素提出了可行性的解決辦法，介紹了不同形式支承型式設(shè)計(jì)研究。

阿爾塔什水利樞紐；閘門；鏈輪；支承型式

1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)（見表1）

表12 號(hào)深孔泄洪洞事故閘門主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 閘門型式選擇設(shè)計(jì)

閘門按工作性質(zhì)分為三大類：①檢修閘門；②事故閘門；③工作閘門。而事故閘門是指閘門的上下游發(fā)生事故時(shí)，需要?jiǎng)铀]門的閘門，該類閘門宜在靜水中開啟。事故閘門多采用平面鋼閘門，按照行走支承型式分為3種：①滑道支承；②定輪支承；③鏈輪支承。從設(shè)計(jì)原理上來說，事故閘門的行走支承采用上述3種支承形式皆是可行的，應(yīng)根據(jù)閘門所承受的荷載、工作條件及跨度等條件選擇合適的支承型式。

（1）滑道支承

滑道支承平面閘門具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝維護(hù)方便、門槽埋件受力均勻等優(yōu)點(diǎn)，摩擦系數(shù)根據(jù)滑道材料不同而不同。支承滑道所采用的材料常用的有3種：①壓合膠木；②鑄造油尼龍；③鋼基銅塑復(fù)合滑道（MG系列）。壓合膠木是一種從前蘇聯(lián)引進(jìn)的老材料，經(jīng)過多年使用發(fā)現(xiàn)該種材料老化干裂，影響摩擦系數(shù)穩(wěn)定性；鋼基銅塑復(fù)合滑道（MG系列）填充的復(fù)合材料是多種金屬化合物合成的聚合物，具有摩擦系數(shù)低、自潤(rùn)滑免維護(hù)、耐腐蝕、承載力大、抗老化等特性，但其磨阻系數(shù)有隨泥沙含量的增大而增大的趨勢(shì)，該工程所在地的泥沙含量較高，復(fù)合材料遇到水中的大顆粒泥沙極易造成破壞，使摩擦系數(shù)迅速變大，影響閘門啟閉；油尼龍滑道擁有復(fù)合材料滑道的優(yōu)點(diǎn)，且在泥沙含量較高的河水中摩擦系數(shù)穩(wěn)定，并有抗泥沙磨損、抗氣蝕的性能，純金屬材料和壓合膠木的滑道由于摩擦系數(shù)大而逐漸被復(fù)合材料取代。目前，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料最大線荷載可達(dá)8 kN/mm，摩阻系數(shù)為0.04～0.15。根據(jù)計(jì)算，2號(hào)深孔泄洪洞事故閘門采用滑道支承，滑道線荷載大于10kN/mm，超過復(fù)合材料線荷載最大值，造成閘門支承破壞，唯有金屬滑道能承受這種超高線荷載，而金屬滑道的摩擦系數(shù)較大，達(dá)到0.35，據(jù)此摩擦系數(shù)計(jì)算，啟門力達(dá)到13 000 kN。顯然，這種啟閉機(jī)容量太大，國(guó)內(nèi)外尚無使用實(shí)例。

（2）定輪支承

定輪閘門軌道受力不如滑道支承均勻，結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度亦高于滑道式閘門，但其受力點(diǎn)相對(duì)明確、運(yùn)行平穩(wěn)可靠等特性優(yōu)于前者，而滑道的摩阻系數(shù)隨著摩擦面的平整度及接觸面的流體介質(zhì)（如干摩擦，清水，含有泥沙的水）的特性變化而改變。定輪閘門摩阻系數(shù)遠(yuǎn)低于滑道式閘門，定輪如采用滾動(dòng)軸承，摩阻系數(shù)可達(dá)到0.015。但在超大型閘門中，超高水頭情況下，定輪的承載能力往往受限于定輪的材料及熱處理等制造加工工藝。事故閘門行走支承采用定輪是否成立，取決于定輪承載能力。采用定輪支承，在每根主梁之間設(shè)計(jì)布置定輪，定輪的最大輪壓將高達(dá)6 000 kN。提高定輪承載能力的方法不外乎是增大定輪半徑、增大定輪踏面寬度、采用高強(qiáng)度材料等。增大定輪半徑會(huì)增大定輪加工難度，也會(huì)增大閘門的厚度，從而增加了門槽寬度，無法保證門槽的合宜寬深比，使門槽水力學(xué)條件惡化，導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生，并限制門葉主梁的布置；采用高強(qiáng)度材料從而提高定輪踏面的允許接觸應(yīng)力，但受限于材質(zhì)及熱處理的工藝；定輪踏面越寬，表面硬度越硬，要求制造、安裝精度也越高。因此，由于在加工、熱處理方面有難以預(yù)料的困難，國(guó)內(nèi)目前還沒有輪壓超過5 000 kN的定輪。

（3）鏈輪支承

鏈輪支承閘門的缺點(diǎn)是：鏈輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)鏈輪本身、門葉結(jié)構(gòu)及埋件等均有較高的制造安裝要求；制造安裝造價(jià)高；運(yùn)行、檢修、保養(yǎng)、維護(hù)比較困難。與定輪支承閘門相比，鏈輪鉸接部位已被泥沙等推移質(zhì)堵塞，運(yùn)行穩(wěn)定性稍差。由于鏈輪的原因，鏈輪支承閘門不適宜局部開啟。但鏈輪支承閘門最大的優(yōu)點(diǎn)是：輥輪及埋件受力均勻；承受荷載大；輥輪由于外形尺寸較小，易于制造加工，而且摩擦系數(shù)小。表2是部分已建鏈輪支承閘門的參數(shù)。

2號(hào)深孔泄洪洞平面事故閘門不需要局部開啟，采用鏈輪支承主要是解決支承承受較大荷載問題。通過計(jì)算及類比已建同類工程，閘門共設(shè)置134個(gè)輥輪，每側(cè)邊梁設(shè)置67個(gè)輥輪，輥輪半徑為φ150mm，踏面寬度為φ380 mm，輥輪鏈板節(jié)距為313 mm，單個(gè)輥輪所承受的最大荷載為3 890 kN。

通過3種支承型式的比較及支承材料的研究，2號(hào)深孔泄洪洞事故閘門的支承型式選定為鏈輪支承。

3 鏈輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鏈輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括：①鏈輪系統(tǒng)型式的選擇；②輥輪的設(shè)計(jì)；③鏈輪系統(tǒng)的裝配及摩阻系數(shù)。

3.1 鏈輪系統(tǒng)型式的選擇

鏈輪系統(tǒng)型式是根據(jù)閘門門葉結(jié)構(gòu)的分節(jié)情況來確定。若閘門分為多節(jié)，且每節(jié)閘門邊梁設(shè)置一掛鏈輪，則為多掛式鏈輪閘門，例如龍羊峽水利樞紐泄洪洞平面事故閘門的門葉分為二節(jié)，每節(jié)門葉高度

4.2 m，每側(cè)設(shè)置二掛鏈輪；天生橋一級(jí)水電站放空沖沙洞平面事故閘門、二灘水電站放水中孔平面事故閘門皆采用多掛式鏈輪閘門。若整節(jié)閘門邊梁只設(shè)置一掛鏈輪，則為整掛式鏈輪閘門。例如小灣水電站放空底孔平面事故閘門采用整掛式鏈輪閘門；整掛式鏈輪閘門與多掛式鏈輪閘門優(yōu)缺點(diǎn)比較如下：

1）多掛式鏈輪承受荷載大。多掛式鏈輪在閘門分節(jié)處無法布置輥輪，圓弧段承載走道處的輥輪也無法有效承載，減少了輥輪有效承載個(gè)數(shù)，縮短了有效承載長(zhǎng)度；

2）多掛式鏈輪由于鏈輪掛數(shù)較多，制造及安裝的控制點(diǎn)亦隨之增加，各掛鏈輪間的共面問題在安裝過程中需要嚴(yán)格控制；

表2 部分鏈輪支承閘門的參數(shù)

3）多掛式鏈輪可根據(jù)門葉分節(jié)情況分掛，在制造廠家與門葉組裝運(yùn)輸，減少工地安裝難度。

本工程事故閘門采用的是整掛式鏈輪結(jié)構(gòu)。整掛式鏈輪是由鏈輪通過輪軸、鏈板軸套、鏈板聯(lián)結(jié)為回轉(zhuǎn)的整體，并通過扣環(huán)可靠固定鏈板，輥輪與輪軸是獨(dú)立的，中間為間隙配合。國(guó)外有些鏈輪門輥輪與輪軸是相互固定的，實(shí)踐表明這種做法會(huì)導(dǎo)致鏈輪系統(tǒng)內(nèi)部拉力加大，鏈輪系統(tǒng)摩擦力增加。

整掛鏈輪安裝在門葉邊梁的承載走道（邊梁后翼緣承載走道即均衡座）上，面板側(cè)為不承受水壓力的承載走道（承受因自重引起的擠壓力），均衡座的材質(zhì)與輥輪相同。為保證輥輪與均衡座間接觸為線接觸，均衡座底部加工為圓弧段，在輥輪與均衡座間出現(xiàn)非線性接觸時(shí)，均衡座可作微小轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整輥輪與均衡座的局部位移，使之恢復(fù)為線接觸。

門葉上的承載走道為封閉環(huán)，由門葉頂部圓弧段、均衡座（直線段）、門葉底部圓弧段、面板側(cè)走道（直線段）組成。承載走道較為理想的布置型式是由兩個(gè)半圓圓弧段、兩段直線段組成。但因半圓弧段半徑由閘門厚度決定，若主梁高度較大，則導(dǎo)致圓弧半徑過大，將縮短直線段長(zhǎng)度，減少了有效承載長(zhǎng)度，也即減少了輥輪有效承載個(gè)數(shù)?；谝陨显虺休d走道均布置為四個(gè)1/4圓弧段，圓弧段之間直線段連接。

對(duì)于輥輪數(shù)量、輥輪半徑、鏈輪的節(jié)距的選取，綜合考慮了以下因素：

1）為減少鏈輪運(yùn)行阻力，每掛鏈輪中，輥輪總數(shù)為奇數(shù)；

2）確定節(jié)距后，制作數(shù)片節(jié)距±1,±2,±3的鏈板，便于調(diào)整；

3）借鑒已建工程實(shí)例中的經(jīng)驗(yàn)。

通過布置計(jì)算，鏈輪的節(jié)距取為313 mm，單掛鏈輪中輥輪數(shù)量為67個(gè)，輥輪直徑為φ300 mm，承載走道圓弧段半徑為R350 mm。

3.2 輥輪的設(shè)計(jì)

1）輥輪荷載計(jì)算

①考慮鏈輪能均勻受力，則：其中：P總為總水壓力，P0為單個(gè)鏈輪的壓力，n為單邊受荷的鏈輪個(gè)數(shù)。

考慮不均勻系數(shù)2，則有：P=208.8 t

②按鏈輪受荷的最大寬度進(jìn)行計(jì)算

受力最大的鏈輪為門葉受力時(shí)的最下一個(gè)鏈輪（此鏈輪的下個(gè)鏈輪即將與主軌接觸）。

鏈輪受水壓的寬度為：

綜上比較，單個(gè)鏈輪最大受力按：P=389 t考慮。

2）輥輪材料

鏈輪門工作時(shí)，輥輪與均衡座、軌道的接觸為線接觸，根據(jù)彈性理論，按下式計(jì)算輥輪強(qiáng)度，選擇輥輪材料。

式中：滓——輥輪的接觸應(yīng)力；P——作用在輥輪上的荷載；E——輥輪、軌道綜合彈性模量；B——輥輪有效踏面寬度；R——輥輪半徑；滓s——輥輪或軌道材料中較小的屈服強(qiáng)度。

經(jīng)計(jì)算，輥輪有效踏面寬度取380 mm，輥輪材料選用0Cr17Ni4Cu4Nb，均衡座、軌道也用同種材料。0Cr17Ni4Cu4Nb為沉淀硬化型不銹鋼，屬于馬氏體不銹鋼。具有很高的強(qiáng)度及抗腐蝕能力，以往常用作30～60萬(wàn)kW級(jí)別火電機(jī)組葉片制造鋼種。

0Cr17Ni4Cu4Nb在H1025（指經(jīng)1 040℃水或空冷，再經(jīng)550℃回火，4 h空冷熱處理）狀態(tài)下，其主要機(jī)械性能為：

滓b≥1 060 MPa；滓s≥1 000 MPa；啄5≥12%；追≥45%；HB≥380。

3）輥輪的加工要求

為保證輥輪在運(yùn)行中受力均勻、運(yùn)行流暢。輥輪的加工精度要求：輥輪直徑誤差±0.01 mm；表面光潔度1.6；φ300鏈輪輪廓圓柱度0.014；均衡座：表面光潔度1.6；與鏈輪接觸平面度300:0.02；且整個(gè)接觸面平面度為0.05；平直端走道、圓弧端走道應(yīng)進(jìn)行退火消應(yīng)處理；走道間的接合面高差應(yīng)小于0.03mm。

根據(jù)目前推薦的強(qiáng)度硬度關(guān)系，滓s/滓b=0.75，滓b[MPa]=3.3，要求輥輪、均衡座熱處理后，工作面硬度HB：380～430。同時(shí)，根據(jù)最大剪應(yīng)力理論，淬硬層深度應(yīng)達(dá)到20 mm，并具有良好梯度。針對(duì)上述熱處理要求，輥輪、均衡座的熱處理方案選為：1 040℃水或空冷，再經(jīng)550℃回火，4 h空冷熱處理。

3.3 鏈輪系統(tǒng)的裝配及摩擦系數(shù)

1）鏈輪系統(tǒng)的裝配

鏈輪系統(tǒng)與門葉之間的裝配關(guān)系是設(shè)計(jì)中需要考慮的重中之重，裝配關(guān)系主要體現(xiàn)為以下兩個(gè)方面：

①鏈輪系統(tǒng)內(nèi)部之間的裝配，即鏈輪與鏈板之間、鏈板與鏈板裝配間隙。若裝配間隙過小，則裝配困難，鏈輪系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致鏈板已被咬死，鏈條之間的回轉(zhuǎn)阻力增大；若裝配間隙過大，則裝配容易，鏈輪軸向位移量加大，不易保證輥輪與均衡座間線性接觸。根據(jù)已建工程鏈輪的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本工程鏈輪與鏈板之間、鏈板與鏈板裝配間隙均定為3 mm，中間設(shè)置3 mm的隔環(huán)（材質(zhì)為ZQAl9-4）。

②鏈輪與承載走道之間的裝配，即當(dāng)閘門位于工作狀態(tài)（垂直）時(shí)，門葉承載走道與鏈輪下部的輥輪之間裝配間隙。若裝配間隙過大，鏈輪閘門運(yùn)行時(shí)，鏈輪易脫離承載走道；若裝配間隙過小，需嚴(yán)格控制鏈輪節(jié)距精度誤差，裝配困難。借鑒以往工程經(jīng)驗(yàn)，鏈輪與承載走道之間的最大裝配間隙定為25～35 mm以內(nèi)。

2）鏈輪系統(tǒng)的摩擦系數(shù)

上游面板、上游封水的事故閘門的啟閉力主要取決于支承摩阻力、水封摩阻力和閘門自重，水封摩阻力和閘門自重由閘門孔口尺寸和承壓水頭確定，孔口和水頭確定，水封摩阻力和閘門自重即為定值，支承摩阻力就成為確定啟閉力的關(guān)鍵因素。鏈輪閘門支承摩阻力一般包括：輥輪在埋件上運(yùn)行的滾動(dòng)摩阻力，鏈輪在承載走道上運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的滾動(dòng)摩阻力，輥輪軸與鏈板的摩擦力。準(zhǔn)確地計(jì)算這三部分摩阻力及明確三種摩阻力之間的關(guān)系，目前尚無成熟可靠的方法，因此，鏈輪系統(tǒng)的摩擦系數(shù)，目前還是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來選取。

鏈輪閘門摩擦力系數(shù)與鏈輪的下垂度有關(guān)，下垂度是指閘門處于垂直狀態(tài)時(shí)，鏈輪系統(tǒng)下部輥輪的上沿與承載走道的裝配間隙，是影響鏈輪閘門支承摩阻力的重要參數(shù)。下垂度越大，鏈輪閘門支承摩阻力越小，但下垂度過大，輥輪也易脫離承載走道；下垂度越小，閘門門葉結(jié)構(gòu)與鏈輪整體性越好，但會(huì)造成支承摩阻力增大。在考慮鏈輪支承閘門的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該兼顧鏈輪閘門的整體性和較小的支承摩阻力，因此下垂度參數(shù)的選取尤為重要。通過瀑布溝水電站、小灣水電站等工程鏈輪閘門的研究及實(shí)際運(yùn)行狀況，并經(jīng)過全國(guó)金屬結(jié)構(gòu)專家的咨詢，初選35mm為本工程事故閘門鏈輪下垂度。

由于鏈輪閘門制造安裝精度較高，故在標(biāo)書文件中明確規(guī)定，閘門需在制造工廠組裝，做鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)試驗(yàn)。要求閘門水平拖動(dòng)時(shí)，鏈輪應(yīng)既有自轉(zhuǎn)又有公轉(zhuǎn)；鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)過程中輥輪不應(yīng)脫離承載走道，鏈輪與埋件、鏈輪與承載走道應(yīng)緊密接觸，應(yīng)保證85%的鏈輪處于受力狀態(tài)，并根據(jù)試驗(yàn)成果調(diào)整鏈輪的下垂度。為避免鏈條受高速水流的沖擊和雜物的卡阻，在鏈輪上游側(cè)設(shè)置鏈輪保護(hù)裝置。

通過對(duì)我國(guó)大伙房水利樞紐鏈輪閘門進(jìn)行原型觀測(cè)，在輥輪嚴(yán)重銹蝕的情況下，綜合摩阻系數(shù)（鏈輪摩阻系數(shù)+水封橡皮摩阻系數(shù)）為0.02～0.03。前蘇聯(lián)用1∶2的鏈輪閘門進(jìn)行試驗(yàn)，綜合摩阻系數(shù)為

0.017 ～0.035。漫灣水電站鏈輪閘門，在輥輪嚴(yán)重銹蝕的情況下，根據(jù)啟閉機(jī)上荷重傳感器顯示的數(shù)據(jù)，推出綜合摩阻系數(shù)不大于0.015。

基于以上工程實(shí)例，本工程鏈輪閘門在設(shè)計(jì)中，選取鏈輪系統(tǒng)的摩擦系數(shù)為0.015（不含水封橡皮摩阻力）。同時(shí)，為減小鏈輪系統(tǒng)的摩擦系數(shù)，還采取了以下措施：

①輥輪、均衡座、主軌埋件均采用馬氏體沉淀硬化不銹鋼（0Cr17Ni4Cu4Nb），該鋼種具有很強(qiáng)的抗腐蝕能力，防止鏈輪因銹蝕而摩擦系數(shù)增大；

②輥輪與輪軸之間為間隙配合，能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；

③輪軸、鏈板均采用不銹鋼材質(zhì)；輥輪軸軸承和鏈板軸套均采用自潤(rùn)滑材料，減小摩擦系數(shù)，從而減小輥輪軸與鏈板的摩擦力及鏈輪繞軌道運(yùn)行時(shí)的繞行阻力。

4 結(jié)語(yǔ)

2號(hào)深孔泄洪洞事故閘門為新疆首例鏈輪閘門，設(shè)計(jì)水頭達(dá)到130 m，已位于世界前矛，進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)鏈輪閘門的特性十分必要；同時(shí)還應(yīng)及時(shí)開展輪壓試驗(yàn)，鏈輪輪壓力分布規(guī)律試驗(yàn)，以及閘門動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)，這些也是十分必要的。

TV663

：A

：1672-5387（2017）03-0033-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.010

2016-08-30

張廣川（1979-），男，工程師，從事水工金屬結(jié)構(gòu)/設(shè)計(jì)工作。