馬宏岳

（商丘市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，河南 商丘 476000）

1 前言

鑄鐵閘門因其具有耐腐蝕、安裝簡(jiǎn)單、止水密封好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在小型水閘中有廣泛應(yīng)用。金屬結(jié)構(gòu)在水閘工程中的投資比重雖然較小，卻決定著水閘能否正常運(yùn)行，是非常關(guān)鍵的部位。但在使用過(guò)程中卻經(jīng)常面臨一個(gè)問(wèn)題，那就是部分水閘的啟閉機(jī)螺桿會(huì)發(fā)生彎曲，甚至經(jīng)過(guò)數(shù)次維修或更換仍然容易彎曲，造成閘門不能啟閉。這個(gè)故障看似渺小，但實(shí)際上影響很大，以灌區(qū)工程為例，一座渠首閘往往控制著上萬(wàn)畝耕地的灌溉，僅僅因?yàn)槁輻U彎曲，造成整個(gè)工程的效益不能實(shí)現(xiàn)，著實(shí)讓人感覺(jué)可惜和痛心。因此找出螺桿彎曲的原因，對(duì)癥下藥，徹底解決這個(gè)問(wèn)題，保證水閘建設(shè)作用的正常發(fā)揮，至關(guān)重要。

2 螺桿彎曲的原因分析

根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，鑄鐵閘門螺桿彎曲的原因主要有：螺桿安裝傾斜、門板重量偏輕、螺桿直徑偏細(xì)、螺桿材質(zhì)取用不當(dāng)、未安裝限位開(kāi)關(guān)和力矩限制器、運(yùn)行管理不規(guī)范等。

2.1 螺桿安裝傾斜

鑄鐵閘門的螺桿安裝傾斜有設(shè)計(jì)原因也有施工原因。

設(shè)計(jì)原因，金屬結(jié)構(gòu)和水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)人員溝通不到位，往往造成圖紙前后不一，螺桿傾斜。舉一個(gè)經(jīng)常見(jiàn)到的例子：水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，工作橋預(yù)留螺桿孔中心的設(shè)計(jì)位置往往位于閘墩門槽中心線上，而金屬結(jié)構(gòu)所畫的鑄鐵閘門安裝圖中，經(jīng)常將鑄鐵閘門的門框緊靠門槽的下游面，造成了螺桿安裝傾斜。這種傾斜偏差值往往較大，對(duì)水閘的正常使用是致命性的。

施工原因，看圖不細(xì)、各工種之間的配合不到位、施工誤差過(guò)大等原因，都可以造成螺桿傾斜。

螺桿作為細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件，一旦傾斜，很容易發(fā)生彎曲。針對(duì)這種情況，就要求不同專業(yè)的人員之間，要充分溝通，保證螺桿垂直度。

2.2 門板重量偏輕

在鑄鐵閘門的設(shè)計(jì)成果中，多數(shù)都沒(méi)有明確要求門板的重量。如果門板重量較輕，不足以抵抗閉門摩阻力，就需要通過(guò)螺桿施加一定的壓力才能使閘門關(guān)閉，造成螺桿彎曲。

文章提出了“零閉門力控制法”，即在各種上、下游水位組合工況下，令最大閉門力為零，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的門板重量作為門板的下限重量，即最小要求重量。此時(shí)，在理想狀況下，閘門依靠自重就可實(shí)現(xiàn)閉門，螺桿的承壓能力僅作為富余度考慮，只有在出現(xiàn)銹蝕摩阻、局部卡阻等特殊情況時(shí)螺桿才發(fā)揮作用輔助閉門。這個(gè)方法已在多座小型水閘中使用，并取得了不錯(cuò)的效果。

鑄鐵閘門的閉門力計(jì)算公式如下：

式（1）中：FW—閉門力（kN）；P—鑄鐵閘門所受到的總水壓力（kN）；G—門板自重（kN）；γ—水的重度（kN/m3）；V—門板排開(kāi)水的體積（m3）；f—止水座滑動(dòng)摩擦系數(shù)，其取值根據(jù)表1確定。

表1 止水座材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)表

2.2.1 開(kāi)敞式鑄鐵閘門最小門板重量計(jì)算

根據(jù)公式（1）可知，當(dāng)閘門重量一定時(shí)，上游水位越高，閉門力越大。對(duì)于開(kāi)敞式閘門，雖然水閘在設(shè)計(jì)時(shí)的正常蓄水位一般都低于門頂高程，但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，小型水閘的管理往往不夠及時(shí)和規(guī)范，經(jīng)常出現(xiàn)實(shí)際蓄水位高于正常蓄水位的情況，所以，為安全起見(jiàn)，在計(jì)算開(kāi)敞式鑄鐵閘門閉門力時(shí)，一般按照上游水位與閘門頂高程齊平計(jì)算。

值得注意的是，公式（1）中門板排開(kāi)水的體積V 只取決于下游水位，由于鑄鐵閘門的形狀并不是規(guī)則的棱體，想精確計(jì)算不同水位下的體積V非常困難也沒(méi)有必要，一般可假設(shè)門板重量在高度方向上均勻分布來(lái)估算V值。

在采用“零閉門力控制法”時(shí)，令閉門力為零，則公式（1）就可表達(dá)為：

式（2）（3）（4）中：H—上游水深（m）；h—下游水深（m）；B—閘門寬度（m）；γm—閘門門板的重度（kN/m3）；其余符號(hào)意義同前。

分析上述公式可知，下游水位越高，V值越大，但閘門所受到的總水壓力P越小，因此，當(dāng)上游水位一定時(shí)，必然存在一個(gè)下游水位使公式（2）中等號(hào)右側(cè)的值最大，此最大值即為所求的最小門板重量。

由于門板排開(kāi)水的體積V 同時(shí)取決于門板重量和下游水位，所以利用公式無(wú)法直接求解出G 值，需要采用試算法進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算前，首先要確定各種閉門工況下可能出現(xiàn)的最大上游水深，如前文所述，對(duì)于開(kāi)敞式閘門，可取為門高。試算步驟如下：先令下游水深為0，此時(shí)V 值也為0，計(jì)算出一個(gè)門板重量G1；令下游水深為0.10 m，以G1 為已知G 值，計(jì)算V 和P的值，進(jìn)而計(jì)算出G2；下游水深以0.10 m 為單位遞增，重復(fù)上述過(guò)程，直至公式（2）等號(hào)成立，此時(shí)的G值即為最大閉門力為零時(shí)的門板重量。

由于“零閉門力控制法”試算過(guò)程復(fù)雜，計(jì)算量大，為了方便設(shè)計(jì)人員參考使用，文章計(jì)算出了不同尺寸的開(kāi)敞式鑄鐵閘門最大閉門力為零時(shí)對(duì)應(yīng)的門板重量。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同尺寸的開(kāi)敞式鑄鐵閘門零閉門力控制法對(duì)應(yīng)的門板重量表

需要說(shuō)明的是，在此次計(jì)算中，上游堰上水深取為閘門高度，止水摩擦系數(shù)取值為0.28（按照最常見(jiàn)的情況，即止水材料為青銅、門框?yàn)殍T鐵），水的重度取為9.80 kN/m3，設(shè)計(jì)人員在參考使用時(shí)要分析是否滿足上述計(jì)算前提，不可盲目直接取用。

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)分析可知：采用“零閉門力控制法”時(shí)，對(duì)于開(kāi)敞式鑄鐵閘門，門板重量隨著閘門尺寸的增加而增加；最大閉門力對(duì)應(yīng)的下游水深隨閘門高度增加而增加，但其比值在不斷減小。

2.2.2 潛孔式鑄鐵閘門最小門板重量計(jì)算

潛孔式和開(kāi)敞式閘門采用“零閉門力控制法”的計(jì)算原理一致，不再贅述，僅將幾種常見(jiàn)尺寸的潛孔式鑄鐵閘門在不同作用水頭下的門板重量試算結(jié)果列出，方便設(shè)計(jì)人員參考使用。止水摩擦系數(shù)取值為0.28，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 潛孔式鑄鐵閘門零閉門力控制法對(duì)應(yīng)的門板重量表

分析表3 數(shù)據(jù)可知：采用“零閉門力控制法”時(shí)，對(duì)于潛孔式鑄鐵閘門，門板重量隨著閘門尺寸和上游堰上水深的增加而增加；當(dāng)閘門尺寸確定時(shí)，最大閉門力對(duì)應(yīng)的下游水深隨上游水深的增加而增加，且其比值也隨之增加。

2.3 螺桿直徑和材質(zhì)要求

2.3.1 螺桿直徑計(jì)算

鑄鐵閘門的設(shè)計(jì)成果中，應(yīng)明確提出螺桿直徑要求。《給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》對(duì)螺桿直徑給出了計(jì)算方法，《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL41-2018）對(duì)螺桿的計(jì)算長(zhǎng)度折算系數(shù)給出了明確規(guī)定，綜合這兩本設(shè)計(jì)依據(jù)，可得螺桿直徑的計(jì)算公式如下：

式（5）中：λ—螺桿長(zhǎng)細(xì)比；μ—螺桿的計(jì)算長(zhǎng)度折算系數(shù)，按一端鉸接一端固結(jié)，取值0.7；Hx—螺桿有效長(zhǎng)度（mm）；d—螺桿外徑（mm）；螺桿容許長(zhǎng)細(xì)比最大值為200。由此可以得出螺桿直徑應(yīng)滿足：d≥Hx/71.43。

2.3.2 螺桿材質(zhì)要求

螺桿的材質(zhì)一般采用GB/T 700 規(guī)定的Q275 或GB/T 699規(guī)定的35、45號(hào)鋼，表面進(jìn)行氮化或滲鉻；也可以采用1Cr13不銹鋼，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，增加材料的抗?jié)駸嵝院涂垢g性。不建議采用普通碳素鋼，容易彎曲；嚴(yán)禁采用鑄鐵，防止脆斷。

2.4 限位開(kāi)關(guān)和力矩限制器

當(dāng)閘門已經(jīng)完全關(guān)閉或受到嚴(yán)重卡阻無(wú)法繼續(xù)下落時(shí)，如果繼續(xù)施壓，就很容易使螺桿發(fā)生彎曲，甚至破壞閘室結(jié)構(gòu)。因此，對(duì)于螺桿啟閉機(jī)，一定要配置限位開(kāi)關(guān)和力矩限制器，防止螺桿彎曲。

2.5 規(guī)范運(yùn)行管理

在工程建設(shè)中，如果運(yùn)行管理不當(dāng)，仍然不能保證工程效益的發(fā)揮。但是在中國(guó)，“重建設(shè)輕管理”是目前普遍存在的一個(gè)現(xiàn)象。為了避免螺桿彎曲，在運(yùn)行時(shí)應(yīng)特別注意以下兩點(diǎn)：①做好日常維護(hù)和保養(yǎng)工作，保證水閘運(yùn)行狀態(tài)良好，避免因銹蝕或卡阻造成螺桿受壓彎曲；②無(wú)論是否設(shè)置了限位開(kāi)關(guān)和力矩限制器，水閘閉門時(shí)，都應(yīng)至少有兩人在場(chǎng)，一人操控，一人觀察閘門情況，避免因沒(méi)有限位開(kāi)關(guān)或者設(shè)備故障造成螺桿超壓彎曲。

3 結(jié)語(yǔ)

螺桿對(duì)于整個(gè)水閘工程來(lái)說(shuō)雖然只是一個(gè)小構(gòu)件，但卻決定著水閘能否正常運(yùn)行。在工程設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，要加強(qiáng)溝通，保證螺桿安裝的垂直度；采用“零閉門力控制法”可以有效避免由于門板重量偏輕造成螺桿彎曲的發(fā)生，值得推廣；另外在設(shè)計(jì)成果中，要明確螺桿的直徑和材質(zhì)要求。