鑄鐵鑲銅閘門設計及制造研究

姚能棟，張晶晶

(江蘇潤源水務設備有限公司，江蘇 揚州 225264)

鑄鐵鑲銅閘門設計及制造研究

姚能棟，張晶晶

(江蘇潤源水務設備有限公司，江蘇 揚州 225264)

鑄鐵鑲銅閘門廣泛用于中小型市政工程、農田水利工程、水利水電工程。本文從材質選用、結構設計、鑄造、加工、裝配到滲漏試驗,系統地介紹了鑄鐵鑲銅閘門設計、制造過程,并給了駱馬湖水源地及第二水廠鑄鐵鑲銅閘門工程設計實例。

鑄鐵鑲銅閘門;設計;制造

1 鑄鐵閘門門體設計

門體結構按最高水頭設計，其拉伸、壓縮、剪切強度安全系數不小于5。

1.1 材料

鑄鐵閘門根據孔口尺寸和承壓水頭，選用合適材料。常用鑄鐵閘門材料有灰鑄鐵 H T 200和H T 250，球墨鑄鐵Q T 400和Q T 450。灰鑄鐵的機械性能符合GB 9439規定，球墨鑄鐵的機械性能符合GB/T 1348規定。小孔徑、淺水頭閘門采用灰鑄鐵，大孔徑、深水頭閘門采用球墨鑄鐵。鑄件容許應力見表1。

表1 鑄件容許應力 MP a

1.2 面板厚度確定

初選面板厚度，按四邊固定彈性薄板承受均布荷載考慮。面板初選厚度計算為

式中:α—面板計算區格的短邊長度，m m;ky—支承板長邊中點彎曲應力系數，平板加強肋閘門取ky=0.5，拱形閘門取ky=0.35～0.5;q—面板計算區格中心水壓力強度，MP a;［σ w］—鑄件的彎曲抗拉容許應力，MP a。

面板的實際厚度比計算值增加2m m腐蝕裕量。同時考慮到合理的鑄造工藝，鑄鐵壁厚越大，越有利于液態合金充填型腔。但隨著壁厚增加，鑄件心部的晶粒變得粗大，而且凝固收縮時沒有金屬液的補充，易產生縮孔、縮松等缺陷;過薄，易產生澆鑄不足或冷隔缺陷。表2為門體面板推薦最小壁厚。

表2 門體面板鑄件厚度

1.3 載荷分析

門體是由面板、橫筋和縱筋組成的板肋結構。作用在門體上的靜水壓力F(壓力的大小與水深成正比)門體的尺寸及各部位承受水壓大小如圖1所示，L 4區間的門體斷面構造如圖2所示，圖3為跨度為L的該斷面梁受力計算簡圖。

圖1 門體荷載分布

圖2 L 4區間的門體斷面

圖3 板梁A B受力計算

設A B上承受的均布載荷為q，則L 4區間的總載荷F 4為

式中:q—板梁單位寬度承受的均布載荷，N/m m; l—板梁的跨距，m m。

梁A B承受的最大彎矩Mmax為

1.4 截面特性

門體的斷面由幾個簡單幾何圖形組成的復合斷面，為了確定主形心慣性軸位置和主形心慣性的數值，按以下分析計算。

設靜矩Sx為該斷面對X1-X1軸的靜矩:

式中:A1=b d，m m2;A2=m m2;H—筋高，m m。

慣性矩Ix為:

為確定形心位置，設X-X距X1-X1為e1，e1為:

1.5 應力

截面模數W為:

梁的最大彎曲應力σmax為

1.6 撓度計算

梁A B的最大撓度值y為:

式中:［y］—許用撓度，［y］=l/1500，m m;I—極慣性距，m m4;E為材料的彈性模量，N/m m2。

2 鑄鐵閘門結構設計要點

面板要求微拱形，以增大承壓能力;面板兩側的(與門框是楔受力處)剪力較大，要適當加厚。門體四周的邊框考慮鑄件的受力條件和內應力，防止變形，宜適當加寬。

導軌采用與門體相同材料制造，擰緊在門框上或與門框整體澆鑄(小孔徑閘門)，所有的支承面及接觸面需經機械加工。閘門在全開位置時，導軌的頂端高于門體的頂端。

閘門止水密封條采用錫青銅 Z C uSn5P b5Z n5，密封面工作表面需加工，表面粗糙度不低于3.2μ m，表面不得有劃痕，止水密封條規格尺寸符合表3要求。止水密封條分別設置于門體和門框相應位置，止水密封與門體、門框用環氧樹脂粘接后用沉頭螺釘固定，再進行機加工。

表3 止水密封條規格 m m

3 鑄鐵閘門制造

3.1 鑄造

鑄鐵閘門一般為單件、小批量生產。考慮到成本、制作周期和制作費用，鑄件模具采用木模制作。鑄造砂采用樹脂砂，樹脂砂生產的鑄件尺寸精度高、外部輪廓清晰;它比粘土砂及油砂生產的鑄件可提高1～2級別。

在澆鑄前先制定鑄造方案，確定工藝參數，澆鑄時間、澆鑄速度、澆鑄位置、合理設置冒口。根據材料要求，配料計算、裝料、溶化，爐前分析，澆鑄，如圖4所示。

圖4 爐前取樣分析及澆鑄

鑄鐵牌號力學性能，通過門體上隨爐試棒經過拉力試驗機檢測，依據GB/T 9469灰鑄鐵件或GB/T 1348球墨鑄鐵件標準，進行鑄鐵試棒最小抗拉強度檢測。生產廠家先自檢合格后，方可進行機加工，另一根由監造單位復檢。門體同體試棒如圖5所示。

圖5 門體同體試棒

鑄件不得有裂紋、夾渣、疏松和澆鑄不足等缺陷。對氣孔、縮孔和渣眼等缺陷應焊補與修整，但面板表面不得修補。鑄件出爐自然冷卻后進行時效處理，可采用高溫回火處理或時效振動處理，消除鑄造應力。

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鑄件尺寸公差與機械加工余量符合GB/T 6414中I T 9級精度要求。

3.2 閘門加工、裝配、滲漏試驗

加工:門體與門框的側向間隙不大于1.5m m;止水密封條與楔緊裝置表面粗糙度小于3.2μ m。楔緊裝置是閘門止水效果的關鍵，楔塊采用錫青銅Z C uSn5P b5Z n5，用螺栓分別與門體和門框的楔座固定，楔座銑加工成長孔，便于楔塊的調整。當閘門的某一處止水效果不好時可局部調整楔塊。上下兩楔塊工作面接觸面積不應小于85%。

裝配檢驗:門體與門框導向槽之間的前后總間隙應不大于1.6m m。止水密封條應連接牢固。門體止水密封條下邊緣應高于門框止水密封條下邊緣，其高差應不大于2.0m m;楔緊裝置應連接牢固。閘門全閉時，門體與門框的各楔緊面應同時相互楔緊。活動楔塊、偏心銷應有一定的調節量。閘門全閉、平放、無外加荷載條件下，止水密封條間隙應不大于0.1m m。門體與門框和導軌對合，無卡阻。

滲漏試驗:密封面清除污物，不得在兩密封面間涂抹油脂，閘門全閉、平放，門框孔口向上，在門框孔口內注滿清水，以水不溢出為限，其密封面的滲水量不大于1.25L/m i n·m(密封長度)。

涂裝前處理鑄件表面。涂裝環境溫度在3°C以上，相對濕度小于85%，涂裝現場通風良好。先涂環氧瀝青防銹底漆120μ m，后涂厚漿型環氧瀝青面漆200μ m。漆膜附著力符合SL 105規定。門框和導軌與混凝土接觸面涂刷苛性鈉水泥漿。

涂漆應均勻一致，表面無鼓泡、皺紋、流掛、針孔、裂紋等缺陷。測區漆膜厚度90%以上應達到設計值，未達到設計值的測區，其最小厚度就不低于設計值的90%。

4 應用實例

駱馬湖水源地及第二水廠建設工程由原水工程、水廠工程、清水工程(水廠配套清水管網一期)3部分組成，概算投資27.1億元，其中:原水工程20.8億元、水廠工程4億元、清水工程2.3億元，是徐州水利史上單體投資最大的項目。進水孔口有6臺2000m m×2000m m鑄鐵鑲銅閘門，閘門設計承受最大水頭12m。

閘門材質采用灰鑄鐵H T 250。門體面板厚度為25m m，橫肋采用等間距布置 415m m，橫肋凈高240m m，橫筋上端厚度 16m m，橫筋下端厚度24m m。止水密封條采用錫青銅Z C uSn5P b5Z n5，規格25m m×12m m。

經計算，梁的最大彎曲抗拉應力σw=19.2N/ m m2＜［σw］35N/m m2，梁的最大彎曲抗壓應力σa=74.6N/m m2＜［σa］140N/m m2，撓度f=1.1m m＜［f］=L/1500=1.3m m。同體試棒H T 250檢測抗拉強度270MP a＞最小最抗拉強度［Rm］210MP a，滿足規范要求。鑄鐵閘門外形尺寸如圖6所示。

圖6 鑄鐵閘門外形尺寸(單位:m m)

5 結語

鑄鐵鑲銅閘門由于布置簡單，結構緊湊，防腐性能好，止水效果好，一次性安裝成型，運行維護簡單等優點，在中小型工程中應用十分廣泛。鑄鐵鑲銅閘門質量必須從原材料、鑄造、加工、裝配各個環節，嚴格按設計和規范要求執行，才能保征產品可靠運行。

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T V 663

B

1008-1305(2016)05-0112-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.039

鑄鐵鑲銅閘門，按形狀分圓形閘門和矩形閘門。按密封形式分鑲銅密封和不鑲銅密封。按承壓方向分單向閘門和雙向閘門。按螺桿傳動形式分明桿和暗桿。

鑄鐵鑲銅閘門由門體、門框、導軌、楔座、楔塊、止水密封條組成。

2015-12-09

姚能棟(1980年—)，男，工程師。