大跨度平板閘門滾輪的養(yǎng)護與改造

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長度為23 m，是江蘇省交通系統(tǒng)跨度最大的升臥式平板鋼閘門。由于該閘門結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣，在運行數(shù)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(yǎng)護工作中不斷進行總結(jié)，同時結(jié)合相關(guān)技術(shù)資料，對閘門滾輪及附屬主軸的日常養(yǎng)護及改進提出相應(yīng)建議，為今后同類型閘門的設(shè)計、制造及養(yǎng)護提供參考。

1 工程概況

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(qū)白塔鎮(zhèn)，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(cè)為通航孔并兼做節(jié)制閘。工程設(shè)計主要包括船閘、通航孔水工建筑、閘門金屬結(jié)構(gòu)及啟閉機、電氣工程、房建工程、其他附屬設(shè)施等。其中，平板鋼閘門承受的是上游單向水頭作用，最大設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)、兩側(cè)及下部止水橡膠、運動滾輪及主軸、閘門鎖定爪和配套的預(yù)埋件等部分組成。閘門結(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(jié)構(gòu)。閘門結(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(shè)計閘門的尺寸為22.94 m×8.33 m×l.9 m（寬×高×厚）。

2 技術(shù)分析

2.1 工作原理

該閘門設(shè)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(diào)質(zhì)處理，軸的大、小頭分別固定在閘門葉端柱的腹板上。這種結(jié)構(gòu)型式的滾輪，通常適用于的閘門承重大、運轉(zhuǎn)速度較低的平板鋼閘門（圖1）。

圖1 丹金船閘閘門主體結(jié)構(gòu)

滾輪的軸端突出閘門兩側(cè)，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(zhuǎn)動。單個閘門質(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。同時主軸承受相對滑動的摩擦力影響，摩擦力會逐步導(dǎo)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。

2.2 存在的問題

在實際運行中，閘門的主軸和軸套、擋圈產(chǎn)生干摩擦，長時間后引起門體振動，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，加之閘門前部有門檻設(shè)置，由于閘門下部經(jīng)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(dǎo)致滾輪行走搖擺、間隙越磨越大，會使閘門走偏、出現(xiàn)卡阻（圖2）。另外滾輪還會發(fā)生軸向游走，滾輪前后的擋圈也會被磨損掉，極易發(fā)生安全事故。

圖2 閘門滾輪及主軸裝配關(guān)系

圖2 中的軸套材料為FZB053，是鋁黃銅—銅合金鑲嵌自潤滑軸套，基體為耐磨銅合金；銅合金鑲嵌自潤滑關(guān)節(jié)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(shè)計單位認可其耐磨性高，且具有自潤滑功能，但使用數(shù)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(yè)企業(yè)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(cè)的自潤滑材料被磨掉，骨架鋼板就會發(fā)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(jīng)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(jīng)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(jié)合緊密，技術(shù)改動空間極小；③閘門動載荷、靜載荷大，相關(guān)零部件改動空間小；④養(yǎng)護人員日常工作強度大，且具有一定危險性。

3 解決方案說明

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(yù)防性的養(yǎng)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(jīng)過數(shù)個月時間的實踐運行后，閘門滾輪運行正常、平穩(wěn)、無振動、無嘯叫，實際效果良好。但是保養(yǎng)時間間隔短，需工作人員經(jīng)常進行現(xiàn)場作業(yè)，而船閘閘門的高度在13 m 以上，屬于高空作業(yè)，存在安全隱患（圖4）。

圖3 閘門潤滑作業(yè)

圖4 現(xiàn)場部分作業(yè)區(qū)

船閘進入大修階段，則可對閘門滾輪及主軸進行技術(shù)改進。目的是設(shè)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(yǎng)護人員工作強度，確保閘門安全運行。所采用的技術(shù)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(shè)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(tài)，保證滾輪運行狀態(tài)良好，減少零件間的互相磨損，使?jié)L輪運行平穩(wěn)、減少振動及噪聲。

圖5 改進后的主軸與滾輪裝配示意

3.1 設(shè)計思路

（1）根據(jù)閘門現(xiàn)有工況，設(shè)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(shè)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(dǎo)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(nèi)部干摩擦，提高零部件的使用壽命、降低養(yǎng)護成本。

3.2 改進原理

（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)使用過程中的自然老化，要便于船閘養(yǎng)護人員拆卸更換。所以設(shè)計在固定螺栓外側(cè)。

（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(shè)4 個加油孔，與軸套配合部位增設(shè)出口，確保軸套與主軸之間隙的潤滑空間（圖7）。

圖7 主軸

4 新型滾輪結(jié)構(gòu)的優(yōu)點

（1）在主軸部位增設(shè)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(nèi)部，避免零部件損壞。

（3）密封圈便于后續(xù)拆卸更換。

（4）降低閘門系統(tǒng)維修率，節(jié)約運行成本，減小工作人員的勞動強度。

5 項目實施

相關(guān)設(shè)計方案應(yīng)進行有限元分析，提供詳實的數(shù)據(jù)參考并組織專業(yè)設(shè)計、施工單位進行論證后實施，建設(shè)單位應(yīng)派員全程參與組織圖紙設(shè)計，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。零件加工須保證精度，關(guān)鍵配件之間的配合公差應(yīng)請專業(yè)技術(shù)人員進行核算，并在機加工環(huán)節(jié)保障質(zhì)量。

（2）保養(yǎng)維護注意事項。工作人員應(yīng)定期檢查閘門滾輪運轉(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；定期打開主軸頂部螺栓，排出污油、注入新油。

6 結(jié)束語

船閘機電設(shè)備養(yǎng)護技術(shù)人員在工作中，發(fā)現(xiàn)閘門機電設(shè)備存在設(shè)計缺陷時應(yīng)積極主動思考解決方案，應(yīng)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(shè)計、使用、養(yǎng)護等提供了有效的解決方案。