俞 翔
(常州市船閘管理中心工程技術科,江蘇常州 213017)
常州丹金船閘所采用的閘門長度為23 m,是江蘇省交通系統跨度最大的升臥式平板鋼閘門。由于該閘門結構復雜,使用環境惡劣,在運行數年后每次啟閉均會造成閘門滾輪的異常嘯叫。為了能解決此問題,在長期的養護工作中不斷進行總結,同時結合相關技術資料,對閘門滾輪及附屬主軸的日常養護及改進提出相應建議,為今后同類型閘門的設計、制造及養護提供參考。
丹金船閘是連接蘇南運河和蕪申線的重要三級干線航道——丹金溧漕河的重要通航建筑,位于常州市金壇區白塔鎮,基本尺寸為180 m×23 m×4 m(閘室長×寬×檻上水深),在緊靠船閘一側為通航孔并兼做節制閘。工程設計主要包括船閘、通航孔水工建筑、閘門金屬結構及啟閉機、電氣工程、房建工程、其他附屬設施等。其中,平板鋼閘門承受的是上游單向水頭作用,最大設計水頭差為1.71 m,校核水頭2.0 m。輸水采用閘門下輸水,工作閘門為升臥式平板鋼閘門,采用升臥式平板鋼閘門能滿足動水啟門,門底輸水,靜水閉門的功能;平水期開通閘運行,有水位差時通航孔作節制閘用。啟閉機則采用雙吊點卷揚式啟閉機。
整個閘門由閘門主體結構、兩側及下部止水橡膠、運動滾輪及主軸、閘門鎖定爪和配套的預埋件等部分組成。閘門結構由前部面板、主橫梁、次梁、縱梁、輔助結構支持組成,傳力模式是通過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 個運動滾輪,運動滾輪再將力傳到混凝土結構。閘門結構材料為以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行布置。閘門面板及吊耳布置在迎水面,閘門臥倒方向為下游,主梁間距4.88 m,端柱處厚度0.9 m。設計閘門的尺寸為22.94 m×8.33 m×l.9 m(寬×高×厚)。
該閘門設置了4 個懸臂式主滾輪作為支承,運動滾輪的直徑為1000 mm,材料為鑄鋼ZG310-570,表面淬火;軸套材料為具有自潤滑功能的高強度材料;運動滾輪主軸材料為40Cr,調質處理,軸的大、小頭分別固定在閘門葉端柱的腹板上。這種結構型式的滾輪,通常適用于的閘門承重大、運轉速度較低的平板鋼閘門(圖1)。

圖1 丹金船閘閘門主體結構
滾輪的軸端突出閘門兩側,上、下各一對。閘門進行升臥運動時,滾輪、軸套、限位擋圈、緊固螺栓一起繞主軸進行轉動。單個閘門質量約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。同時主軸承受相對滑動的摩擦力影響,摩擦力會逐步導致軸承磨損,軸承磨損到一定程度就需進行維修,通常是更換易磨損的軸承。
在實際運行中,閘門的主軸和軸套、擋圈產生干摩擦,長時間后引起門體振動,發出金屬摩擦的嘯叫聲;由于丹金溧漕河通航量連年增加,導致航道中的含沙量較高,加之閘門前部有門檻設置,由于閘門下部經常進入水中,河水中的泥沙極易進入零件的間隙,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增大后,還會導致滾輪行走搖擺、間隙越磨越大,會使閘門走偏、出現卡阻(圖2)。另外滾輪還會發生軸向游走,滾輪前后的擋圈也會被磨損掉,極易發生安全事故。

圖2 閘門滾輪及主軸裝配關系
圖2 中的軸套材料為FZB053,是鋁黃銅—銅合金鑲嵌自潤滑軸套,基體為耐磨銅合金;銅合金鑲嵌自潤滑關節軸承,其靜載承載能力、耐磨性能較高,但價格昂貴。丹金船閘閘門的軸套厚15 mm,屬于易損件。盡管設計單位認可其耐磨性高,且具有自潤滑功能,但使用數年后,該軸套的實際自潤滑性能不夠理想。另外丹金溧漕河改線段近年來船舶流量加大,沿線工業企業不斷增加,水域含沙量上升。如果未及時更換損壞的軸承,一旦軸承外側的自潤滑材料被磨掉,骨架鋼板就會發生硬碰硬的情況,對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無法處理,需要徹底更換主軸和滾輪,不僅維修成本、施工難度會大大增加,還會影響船只的正常通行。
目前丹金船閘的閘門滾輪及主軸的缺點主要有4個:①滾輪及傳動裝置為敞開式,污水和泥沙極易進入軸套、主軸、滾輪間隙中對其造成損壞,需經常進行拆卸清洗,耗費人工且有安全隱患;②閘門尺寸為全省范圍最大,同時與周圍配套建筑結合緊密,技術改動空間極小;③閘門動載荷、靜載荷大,相關零部件改動空間小;④養護人員日常工作強度大,且具有一定危險性。
由于受限于船閘大修時間的限制,所以解決此問題必須進行閘門主體大修,在此之前只能進行預防性的養護措施。
滾輪的前后擋圈為螺栓連接,只需要適當松開一下螺栓,將前后擋圈與滾輪分離,然后用高壓水槍沖洗泥沙,再倒入潤滑油即可(圖3)。此方案簡單快速,在經過數個月時間的實踐運行后,閘門滾輪運行正常、平穩、無振動、無嘯叫,實際效果良好。但是保養時間間隔短,需工作人員經常進行現場作業,而船閘閘門的高度在13 m 以上,屬于高空作業,存在安全隱患(圖4)。

圖3 閘門潤滑作業

圖4 現場部分作業區
船閘進入大修階段,則可對閘門滾輪及主軸進行技術改進。目的是設計出一種適用于丹金船閘大跨度平板閘門的滾輪,解決滾輪及軸承易磨損的問題,減輕養護人員工作強度,確保閘門安全運行。所采用的技術方案是,在主軸增加潤滑油通道,減少軸套與主軸的磨損,提高使用壽命;同時在前后擋圈增設密封圈,減少泥沙的進入(圖5)。通過改進,軸套與主軸直接一直處于潤滑狀態,保證滾輪運行狀態良好,減少零件間的互相磨損,使滾輪運行平穩、減少振動及噪聲。

圖5 改進后的主軸與滾輪裝配示意
(1)根據閘門現有工況,設計方案要做到控制成本、切實可行。盡可能保留可用部件,盡量不對閘門主體進行更改,改進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)新的設計必須將滾輪及傳動副盡可能密封,有效阻止泥沙和污水進入導致零件磨損。
(3)易磨損的部位必須能加注潤滑油,為零件的摩擦面提供潤滑,避免內部干摩擦,提高零部件的使用壽命、降低養護成本。
(1)在前后擋圈與滾輪之間增設O 形圈,以阻止泥沙污垢進入(圖6)。

圖6 軸端擋圈
(2)O 形圈的裝配應考慮后續使用過程中的自然老化,要便于船閘養護人員拆卸更換。所以設計在固定螺栓外側。
(3)在主軸前端鉆孔作為潤滑油腔,同時要增加專用油嘴和封堵口,便于加油換油。為增加潤滑油的流動性,考慮在主軸前端上設4 個加油孔,與軸套配合部位增設出口,確保軸套與主軸之間隙的潤滑空間(圖7)。

圖7 主軸
(1)在主軸部位增設潤滑油腔,確保滾輪、軸套、擋圈的潤滑效果,減輕零件磨損,延長零件的使用壽命。
(2)避免了泥沙污垢進入滾輪內部,避免零部件損壞。
(3)密封圈便于后續拆卸更換。
(4)降低閘門系統維修率,節約運行成本,減小工作人員的勞動強度。
相關設計方案應進行有限元分析,提供詳實的數據參考并組織專業設計、施工單位進行論證后實施,建設單位應派員全程參與組織圖紙設計,監督零部件加工、拆裝,參與調試等工作。
(1)加工制作注意事項。零件加工須保證精度,關鍵配件之間的配合公差應請專業技術人員進行核算,并在機加工環節保障質量。
(2)保養維護注意事項。工作人員應定期檢查閘門滾輪運轉情況,使用高壓水槍清洗零件表面;檢查油腔內油量,保證油量保持在2/3 腔;定期打開主軸頂部螺栓,排出污油、注入新油。
船閘機電設備養護技術人員在工作中,發現閘門機電設備存在設計缺陷時應積極主動思考解決方案,應注重實際效果,降低成本及工作強度,提升船閘安全運行條件。此項改進為同類型的船閘未來的設計、使用、養護等提供了有效的解決方案。