偏心鉸弧門拼裝尺寸鏈的計算

江健煒

（中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 614100）

1 概述

一些高水頭、大流量的水電站的閘門有動水啟門和局部開啟的要求，采用偏心鉸結構的弧門可以滿足上述要求。一方面可以減少弧形工作閘門的水泄漏，另一方面便于靈活啟閉用于電站底孔沖砂、泄洪等特殊作業。

巴基斯坦塔貝拉水電站LLO出口閘門采用了偏心鉸弧形閘門。該弧門孔口尺寸（寬×高）為：6 m×6 m，封水截面尺寸（寬×高）為：7.4 m×7.15 m，設計水頭135.94 m，最大擋水壓力6154 2 kN，每套弧門重量達383 t。該弧門采用偏心鉸和凸擴式門槽封水結構，支鉸軸偏心距為50 mm，采用液壓啟閉機驅動，可以進行閘門的動水啟閉和門葉的局部開啟。

該弧門的面板尺寸（寬×高）為：8 670 mm×7 288 mm，弧面面板加工要求控制曲率半徑，門葉橫向直線度≤2 mm，各結合面平面度≤0.5 mm。該弧門在結構設計與功能需求等方面有獨特要求，對弧門結構大拼工序具有很高的制造難度。對偏心鉸弧形閘門制造的尺寸鏈進行分析和計算在制造過程中有著十分重要的意義。

2 偏心鉸弧門的組成

巴基斯坦塔貝拉水電站LLO出口偏心鉸弧形閘門主要由門葉、支臂、支鉸總成等組成。其中：門葉主要由門葉1、門葉2和門葉3等組成；支臂由支臂1、支臂2、豎桿和橫桿等組成；支鉸總成由活動支鉸、固定支鉸、偏心支鉸軸、聯軸器、滑動軸承和滾動軸承等組成。

3 偏心鉸弧門門葉及支臂結構制造要求

偏心鉸弧門多用于高水頭排砂泄洪底孔擋水，相對于一般弧門，存在結構更復雜、要求更嚴格、控制項目更多、制造難度更大等特點。弧門檢驗內容及要求見表1。

表1 偏心鉸弧門與一般弧門檢驗內容及要求對比表

門葉主橫梁及支臂主要板材厚度為60 mm，其余板材厚度均為30 mm以上，而且需超聲波探傷滿足NB/T 35051規范要求的一、二類焊縫占到了全部焊縫總量的80%以上，這對于焊接質量及焊接變形的控制難度造成很大影響。焊接后會出較大的變形，焊后數據難以滿足技術要求。根據合同條款，該弧門制作還增加以下技術控制要求：

（1）非加工面組合處的錯位≤2 mm，加工面組合處的錯位≤0.5 mm。

（2）縱向隔板錯位≤2 mm。

（3）面板與梁組合的局部間隙≤1 mm。

（4）門葉底緣傾斜值2C≤2 mm。

（5）支鉸軸孔中心至面板外緣的半徑R的值為，兩側相對差不大1 mm。

為確保弧門制造滿足上述技術條款，加強弧門各零件制造過程中的變形和尺寸精度控制技術是關鍵。

4 弧門結構拼裝過程

閘門的結構拼裝是在專用弧門大拼工裝上進行。先將組裝好的左、右支臂立于工裝上固定，將底節門葉與左、右支臂聯接固定，調整各部尺寸合格后吊裝其余門葉。再將活動支鉸聯接到左、右支臂上，檢測弧面半徑尺寸合格后焊接前端板。拆解門葉和活動支鉸后加工左、右支臂的前端板平面。支臂完成加工后復拼進行驗證檢測弧面半徑尺寸合格，完成弧門結構的拼裝。

5 弧門主要尺寸鏈的分析與計算方法

在偏心鉸弧門使用過程中，由于閘門各機構運行復雜，制造精度要求高，對制造帶來了許多技術難題。通常，偏心鉸弧門在制造過程中，弧面的曲率半徑是必須控制的關鍵尺寸。從一定程度上講，弧面的曲率半徑準確與否直接決定了弧門的許多重要性能和產品的最終制造質量。

然而，要獲得設計要求中理想弧面的曲率半徑有許多制約因素。單從結構拼裝這個關鍵工序來看，對弧面的曲率半徑關聯的裝配尺寸鏈進行分析和計算很有必要。

由于偏心鉸弧門零部件重量大，吊裝難度高，制作中應盡量減少拼裝的次數。對弧面曲率半徑相關的尺寸鏈進行分析，明確全部組成環、封閉環，計算出封閉環基本尺寸、下極限偏差和公差。根據下極限偏差進行切割配焊前端板；根據封閉環公差計算值，對封閉環增加相應的加工余量。然后采用加工修配法來滿足封閉環公差范圍，從而獲得合格的弧面的曲率半徑。

6 構件組拼的裝配尺寸鏈

偏心鉸弧門構件的組拼是構件制造的一個重要過程，目的是獲得偏心鉸弧門驗收要求的許多重要尺寸，驗證前期制造工序的質量控制有效性和各關鍵尺寸的圖樣符合性。

通常由各節門葉、支臂1、支臂2和活動支鉸等參與組拼。同時，為了方便尺寸鏈的分析和計算，假設偏心支鉸軸安裝在活動支鉸的中心位置來進行分析和計算。如圖1所示：

圖1 偏心鉸弧門的側向示意圖

6.1 偏心鉸弧門支臂上肢尺寸鏈

6.1.1 上肢尺寸鏈的表示

根據文獻[1]對尺寸鏈的表示方法，從圖1中可以方便獲得弧門支臂上肢尺寸鏈：

A2=mm(由Φ1 000 g6上下偏差/2計算得)

A3=mm（由滑動軸承的徑向間隙/2計算得）

構件在拼裝過程中，支臂2的軸線長度（A0）可以方便地通過配焊調節或加工修配法獲得要求的精度，故確定其為封閉環。滑動軸承與活動支鉸是過盈配合，該配合對尺寸鏈基本無影響。其余尺寸很容易通過加工保證在設計要求的公差范圍內。依照尺寸鏈理論，計算出封閉環的下偏差，可以確定拼裝前端板時支臂的切割位置；計算出封閉環的尺寸公差，確定支臂2的前端板加工余量，通過加工即可獲得符合要求的弧面曲率半徑。

6.1.2 封閉環基本尺寸計算

式（1）變換為：

將各環的基本尺寸代入式（2）各項數值可以計算封閉環的基本尺寸：A0=5 459.8 mm。

6.1.3 封閉環的下偏差計算

根據文獻[1]對封閉環下偏差的計算方法可得：

計算式（3）可得支臂2的軸線長度上偏差：EI（A0）=- 4.041 mm。

6.1.4 封閉環公差的計算

根據文獻[1]對封閉環公差的計算方法可得：

計算式（4）可得支臂2的軸線長度公差：T0=8.428 mm。

6.2 偏心鉸弧門支臂下肢尺寸鏈

同理，從圖1中可以方便獲得弧門支臂下肢尺寸鏈：

A2=mm(由Φ1 000 g6上下偏差/2計算得)

A3=mm（由滑動軸承的徑向間隙/2計算得）

確定支臂1的軸線長度（A0）為封閉環，式（5）可變換為：

將各環的基本尺寸代入式（6）各項數值可以計算封閉環的基本尺寸：A0=7 360.9 mm。

同理可得封閉環的下偏差：

計算式（7）可得支臂1的軸線上偏差：EI（A0）=-2.841 mm。

同理可得封閉環的公差：

計算式（8）可得支臂2的軸線長度公差：T0=6.028mm。

7 結語

從上述計算可知，在進行前端板配焊時，對于支臂上肢相關尺寸鏈的各尺寸如果沒有超標，支臂2的軸線長度（5 459.8 mm）可以按照該尺寸的下偏差（4.041 mm）進行切割配焊。同樣，對于支臂下肢也按照該尺寸鏈上支臂1的軸線長度尺寸（7 360.9 mm）的下偏差（2.841 mm）進行切割配焊。

然后，采用修配法來調節弧門曲率半徑的誤差，支臂上肢理論上需要大于8.428 mm的加工余量，支臂下肢理論上需要大于6.028 mm的加工余量。鑒于鋼板存在表面不平度；前端板的理論厚度為60 mm，且厚度應該一致等因素，實際生產中前端板采用厚度為70 mm的鋼板，比設計理論厚度增加了10 mm作為加工余量，用于在修配加工時調節使用。

通過上述對偏心鉸弧形閘門組拼尺寸鏈的分析和計算，確定了實際制造過程中應當采取相應的工藝技術措施。從而順利完成了巴基斯坦塔貝拉水電站LLO出口偏心鉸弧形閘門的制造。經過廠內拼裝的檢驗，工地安裝后能正常運行使用，充分證明能夠滿足閘門設計技術要求。