大跨度平板閘門(mén)滾輪的養(yǎng)護(hù)與改造

俞 翔

（常州市船閘管理中心工程技術(shù)科，江蘇常州 213017）

0 引言

常州丹金船閘所采用的閘門(mén)長(zhǎng)度為23 m，是江蘇省交通系統(tǒng)跨度最大的升臥式平板鋼閘門(mén)。由于該閘門(mén)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣，在運(yùn)行數(shù)年后每次啟閉均會(huì)造成閘門(mén)滾輪的異常嘯叫。為了能解決此問(wèn)題，在長(zhǎng)期的養(yǎng)護(hù)工作中不斷進(jìn)行總結(jié)，同時(shí)結(jié)合相關(guān)技術(shù)資料，對(duì)閘門(mén)滾輪及附屬主軸的日常養(yǎng)護(hù)及改進(jìn)提出相應(yīng)建議，為今后同類(lèi)型閘門(mén)的設(shè)計(jì)、制造及養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 工程概況

丹金船閘是連接蘇南運(yùn)河和蕪申線(xiàn)的重要三級(jí)干線(xiàn)航道——丹金溧漕河的重要通航建筑，位于常州市金壇區(qū)白塔鎮(zhèn)，基本尺寸為180 m×23 m×4 m（閘室長(zhǎng)×寬×檻上水深），在緊靠船閘一側(cè)為通航孔并兼做節(jié)制閘。工程設(shè)計(jì)主要包括船閘、通航孔水工建筑、閘門(mén)金屬結(jié)構(gòu)及啟閉機(jī)、電氣工程、房建工程、其他附屬設(shè)施等。其中，平板鋼閘門(mén)承受的是上游單向水頭作用，最大設(shè)計(jì)水頭差為1.71 m，校核水頭2.0 m。輸水采用閘門(mén)下輸水，工作閘門(mén)為升臥式平板鋼閘門(mén)，采用升臥式平板鋼閘門(mén)能滿(mǎn)足動(dòng)水啟門(mén)，門(mén)底輸水，靜水閉門(mén)的功能；平水期開(kāi)通閘運(yùn)行，有水位差時(shí)通航孔作節(jié)制閘用。啟閉機(jī)則采用雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。

整個(gè)閘門(mén)由閘門(mén)主體結(jié)構(gòu)、兩側(cè)及下部止水橡膠、運(yùn)動(dòng)滾輪及主軸、閘門(mén)鎖定爪和配套的預(yù)埋件等部分組成。閘門(mén)結(jié)構(gòu)由前部面板、主橫梁、次梁、縱梁、輔助結(jié)構(gòu)支持組成，傳力模式是通過(guò)前部面板將水壓力依次傳給次梁、縱梁、主橫梁，再由主橫梁傳給端柱，最后由主軸傳給4 個(gè)運(yùn)動(dòng)滾輪，運(yùn)動(dòng)滾輪再將力傳到混凝土結(jié)構(gòu)。閘門(mén)結(jié)構(gòu)材料為以CCS-B 為主，型鋼采用Q235B，主橫梁及主滾輪布置按最不利工況等荷載原則進(jìn)行布置。閘門(mén)面板及吊耳布置在迎水面，閘門(mén)臥倒方向?yàn)橄掠危髁洪g距4.88 m，端柱處厚度0.9 m。設(shè)計(jì)閘門(mén)的尺寸為22.94 m×8.33 m×l.9 m（寬×高×厚）。

2 技術(shù)分析

2.1 工作原理

該閘門(mén)設(shè)置了4 個(gè)懸臂式主滾輪作為支承，運(yùn)動(dòng)滾輪的直徑為1000 mm，材料為鑄鋼ZG310-570，表面淬火；軸套材料為具有自潤(rùn)滑功能的高強(qiáng)度材料；運(yùn)動(dòng)滾輪主軸材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，軸的大、小頭分別固定在閘門(mén)葉端柱的腹板上。這種結(jié)構(gòu)型式的滾輪，通常適用于的閘門(mén)承重大、運(yùn)轉(zhuǎn)速度較低的平板鋼閘門(mén)（圖1）。

圖1 丹金船閘閘門(mén)主體結(jié)構(gòu)

滾輪的軸端突出閘門(mén)兩側(cè)，上、下各一對(duì)。閘門(mén)進(jìn)行升臥運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾輪、軸套、限位擋圈、緊固螺栓一起繞主軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。單個(gè)閘門(mén)質(zhì)量約54.5 t，加上兩頭水位差行成的水壓力，載荷更大，靠滾輪承載，將荷載傳遞至滾輪軌道。同時(shí)主軸承受相對(duì)滑動(dòng)的摩擦力影響，摩擦力會(huì)逐步導(dǎo)致軸承磨損，軸承磨損到一定程度就需進(jìn)行維修，通常是更換易磨損的軸承。

2.2 存在的問(wèn)題

在實(shí)際運(yùn)行中，閘門(mén)的主軸和軸套、擋圈產(chǎn)生干摩擦，長(zhǎng)時(shí)間后引起門(mén)體振動(dòng)，發(fā)出金屬摩擦的嘯叫聲；由于丹金溧漕河通航量連年增加，導(dǎo)致航道中的含沙量較高，加之閘門(mén)前部有門(mén)檻設(shè)置，由于閘門(mén)下部經(jīng)常進(jìn)入水中，河水中的泥沙極易進(jìn)入零件的間隙，加劇主軸和配套的軸套、擋圈的磨損，而且零件之間的間隙過(guò)增大后，還會(huì)導(dǎo)致滾輪行走搖擺、間隙越磨越大，會(huì)使閘門(mén)走偏、出現(xiàn)卡阻（圖2）。另外滾輪還會(huì)發(fā)生軸向游走，滾輪前后的擋圈也會(huì)被磨損掉，極易發(fā)生安全事故。

圖2 閘門(mén)滾輪及主軸裝配關(guān)系

圖2 中的軸套材料為FZB053，是鋁黃銅—銅合金鑲嵌自潤(rùn)滑軸套，基體為耐磨銅合金；銅合金鑲嵌自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承，其靜載承載能力、耐磨性能較高，但價(jià)格昂貴。丹金船閘閘門(mén)的軸套厚15 mm，屬于易損件。盡管設(shè)計(jì)單位認(rèn)可其耐磨性高，且具有自潤(rùn)滑功能，但使用數(shù)年后，該軸套的實(shí)際自潤(rùn)滑性能不夠理想。另外丹金溧漕河改線(xiàn)段近年來(lái)船舶流量加大，沿線(xiàn)工業(yè)企業(yè)不斷增加，水域含沙量上升。如果未及時(shí)更換損壞的軸承，一旦軸承外側(cè)的自潤(rùn)滑材料被磨掉，骨架鋼板就會(huì)發(fā)生硬碰硬的情況，對(duì)主軸和滾輪軸孔造成惡性磨損，這種情況下僅僅更換軸承已經(jīng)無(wú)法處理，需要徹底更換主軸和滾輪，不僅維修成本、施工難度會(huì)大大增加，還會(huì)影響船只的正常通行。

目前丹金船閘的閘門(mén)滾輪及主軸的缺點(diǎn)主要有4個(gè)：①滾輪及傳動(dòng)裝置為敞開(kāi)式，污水和泥沙極易進(jìn)入軸套、主軸、滾輪間隙中對(duì)其造成損壞，需經(jīng)常進(jìn)行拆卸清洗，耗費(fèi)人工且有安全隱患；②閘門(mén)尺寸為全省范圍最大，同時(shí)與周?chē)涮捉ㄖY(jié)合緊密，技術(shù)改動(dòng)空間極小；③閘門(mén)動(dòng)載荷、靜載荷大，相關(guān)零部件改動(dòng)空間小；④養(yǎng)護(hù)人員日常工作強(qiáng)度大，且具有一定危險(xiǎn)性。

3 解決方案說(shuō)明

由于受限于船閘大修時(shí)間的限制，所以解決此問(wèn)題必須進(jìn)行閘門(mén)主體大修，在此之前只能進(jìn)行預(yù)防性的養(yǎng)護(hù)措施。

滾輪的前后擋圈為螺栓連接，只需要適當(dāng)松開(kāi)一下螺栓，將前后擋圈與滾輪分離，然后用高壓水槍沖洗泥沙，再倒入潤(rùn)滑油即可（圖3）。此方案簡(jiǎn)單快速，在經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)月時(shí)間的實(shí)踐運(yùn)行后，閘門(mén)滾輪運(yùn)行正常、平穩(wěn)、無(wú)振動(dòng)、無(wú)嘯叫，實(shí)際效果良好。但是保養(yǎng)時(shí)間間隔短，需工作人員經(jīng)常進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，而船閘閘門(mén)的高度在13 m 以上，屬于高空作業(yè)，存在安全隱患（圖4）。

圖3 閘門(mén)潤(rùn)滑作業(yè)

圖4 現(xiàn)場(chǎng)部分作業(yè)區(qū)

船閘進(jìn)入大修階段，則可對(duì)閘門(mén)滾輪及主軸進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。目的是設(shè)計(jì)出一種適用于丹金船閘大跨度平板閘門(mén)的滾輪，解決滾輪及軸承易磨損的問(wèn)題，減輕養(yǎng)護(hù)人員工作強(qiáng)度，確保閘門(mén)安全運(yùn)行。所采用的技術(shù)方案是，在主軸增加潤(rùn)滑油通道，減少軸套與主軸的磨損，提高使用壽命；同時(shí)在前后擋圈增設(shè)密封圈，減少泥沙的進(jìn)入（圖5）。通過(guò)改進(jìn)，軸套與主軸直接一直處于潤(rùn)滑狀態(tài)，保證滾輪運(yùn)行狀態(tài)良好，減少零件間的互相磨損，使?jié)L輪運(yùn)行平穩(wěn)、減少振動(dòng)及噪聲。

圖5 改進(jìn)后的主軸與滾輪裝配示意

3.1 設(shè)計(jì)思路

（1）根據(jù)閘門(mén)現(xiàn)有工況，設(shè)計(jì)方案要做到控制成本、切實(shí)可行。盡可能保留可用部件，盡量不對(duì)閘門(mén)主體進(jìn)行更改，改進(jìn)后的滾輪及其主軸尺寸必須和原尺寸一致，避免與滾輪軌道干涉。

（2）新的設(shè)計(jì)必須將滾輪及傳動(dòng)副盡可能密封，有效阻止泥沙和污水進(jìn)入導(dǎo)致零件磨損。

（3）易磨損的部位必須能加注潤(rùn)滑油，為零件的摩擦面提供潤(rùn)滑，避免內(nèi)部干摩擦，提高零部件的使用壽命、降低養(yǎng)護(hù)成本。

3.2 改進(jìn)原理

（1）在前后擋圈與滾輪之間增設(shè)O 形圈，以阻止泥沙污垢進(jìn)入（圖6）。

圖6 軸端擋圈

（2）O 形圈的裝配應(yīng)考慮后續(xù)使用過(guò)程中的自然老化，要便于船閘養(yǎng)護(hù)人員拆卸更換。所以設(shè)計(jì)在固定螺栓外側(cè)。

（3）在主軸前端鉆孔作為潤(rùn)滑油腔，同時(shí)要增加專(zhuān)用油嘴和封堵口，便于加油換油。為增加潤(rùn)滑油的流動(dòng)性，考慮在主軸前端上設(shè)4 個(gè)加油孔，與軸套配合部位增設(shè)出口，確保軸套與主軸之間隙的潤(rùn)滑空間（圖7）。

圖7 主軸

4 新型滾輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

（1）在主軸部位增設(shè)潤(rùn)滑油腔，確保滾輪、軸套、擋圈的潤(rùn)滑效果，減輕零件磨損，延長(zhǎng)零件的使用壽命。

（2）避免了泥沙污垢進(jìn)入滾輪內(nèi)部，避免零部件損壞。

（3）密封圈便于后續(xù)拆卸更換。

（4）降低閘門(mén)系統(tǒng)維修率，節(jié)約運(yùn)行成本，減小工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 項(xiàng)目實(shí)施

相關(guān)設(shè)計(jì)方案應(yīng)進(jìn)行有限元分析，提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)參考并組織專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、施工單位進(jìn)行論證后實(shí)施，建設(shè)單位應(yīng)派員全程參與組織圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，監(jiān)督零部件加工、拆裝，參與調(diào)試等工作。

（1）加工制作注意事項(xiàng)。零件加工須保證精度，關(guān)鍵配件之間的配合公差應(yīng)請(qǐng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行核算，并在機(jī)加工環(huán)節(jié)保障質(zhì)量。

（2）保養(yǎng)維護(hù)注意事項(xiàng)。工作人員應(yīng)定期檢查閘門(mén)滾輪運(yùn)轉(zhuǎn)情況，使用高壓水槍清洗零件表面；檢查油腔內(nèi)油量，保證油量保持在2/3 腔；定期打開(kāi)主軸頂部螺栓，排出污油、注入新油。

6 結(jié)束語(yǔ)

船閘機(jī)電設(shè)備養(yǎng)護(hù)技術(shù)人員在工作中，發(fā)現(xiàn)閘門(mén)機(jī)電設(shè)備存在設(shè)計(jì)缺陷時(shí)應(yīng)積極主動(dòng)思考解決方案，應(yīng)注重實(shí)際效果，降低成本及工作強(qiáng)度，提升船閘安全運(yùn)行條件。此項(xiàng)改進(jìn)為同類(lèi)型的船閘未來(lái)的設(shè)計(jì)、使用、養(yǎng)護(hù)等提供了有效的解決方案。