安徽省驷马山引江工程管理处 238251
摘要：水上运输成本低、运量大。近年来随着我国经快速增长，促进了航运事业的发展，船闸运行也越来越频繁，本文从理论上分析了齿条式启闭机产生故障原因并提出了应对措施。为同类型船闸横拉门齿条式启闭设计、安装、运行管理提供了宝贵的经验。
关键词：船闸；横拉门；齿条式启闭机；顶平车
一、概况
乌江船闸于2008年扩建，采用V级船闸标准，设计吨位为300吨级，闸室有效尺寸为160×12×3.0米。闸室采用U型槽结构，顶高程13.0米。船闸为双向挡水，上下闸首的工作门为钢结构横拉门，齿条式启闭机。输水门为钢结构直升式平面闸门，卷扬式启闭机。于2009年10月份建成通航，在通航初期，船闸横拉门顶平车和齿条式启闭设计中的问题逐渐暴露出来。特别是下闸首横拉门问题更加严重。其间：顶平车大梁开裂；齿条式启闭机齿轮箱箱体开裂、联轴器、液力偶合器、电动机等均发生不同程度损坏。针对设备损坏问题频发，乌江船闸技术人员经实地检测和分析研究，并查阅相关设计技术资料，找到了问题症结所在，并采取相应措施。
二、故障分析
1、横拉门及顶平车结构及自重情况：乌江船闸上下闸首横拉门顶平车和底平车结构尺寸完全相同，但由于上下闸首门底槛高程不同，两者相差3.9米。上闸首横拉门自重约60吨，下闸首横拉门自重约100吨。
2、齿条式启闭机安装布置情况：齿条式启闭机整体布置在横拉门顶平车上。齿条式启闭机没有独立机座，其驱动装置（电动机）、传动装置（减速器、传动轴、传动齿轮）等直接布置安装在顶平车大梁上。顶平车与横拉门用两根垂直吊杆联接，闸门自重通过两根垂直吊杆传递给顶平车大梁。
3、顶平车大梁结构及受力情况分析：
上、下游横拉门顶平车大梁为简支式工字型钢梁，顶平车尺寸相同，计算跨度L=4750mm，原设计截面为变截面工字型钢梁，中部截面高度H1=600mm、两端截面高度H2=240mm。荷载为双吊点集中荷载，最大计算荷载为下游横拉门重量与顶平车自重之和，约100T（受上下游水位影响，高水位时横拉门浮力大，低水位时浮力小，顶平车承受荷载有一定的变动）。顶平车约承担一半的闸门重量，顶平车共有三根工字型钢梁，每根钢梁集中荷载约为横拉门自重的1/12，P≈8000㎏。受力简图如下：
顶平车大梁结构简图：顶平车大梁断面图（括号中尺寸为2-2断面）：
顶平车大梁挠度计算简图：
（1）顶平车大梁截面惯性距计算：
1-1断面惯性距I1：
I1=1/12*（B1*H13-（B1-t1）*h13）=7.083*10-5m4=7083cm4
2-2断面惯性距I2：
I2=1/12*（B2*H23-（B2-t2）*h23）=0.000574m4=57400cm4
（2）顶台车大梁挠度复核计算：
1-1断面大梁挠度f1：
f1=pa/6EI1*（3b2+6ab+2a2）
=8000*9.8*0.88/6*210*109*7.083*10-5
=0.0127m
=12.7mm
2-2断面大梁挠度f2：
f2=pa/6EI2*（3b2+6ab+2a2）
=8000*9.8*0.88/6*210*109*0.000574
=0.00157m
=1.57mm
（3）现场检测情况：
经船闸有关技术人员用经纬仪测量（游水位8.45m，下游水位5.57m），上闸首横拉门顶平车横梁最大挠度为8mm，下闸首横拉门顶平车横梁最大挠度为11mm。因顶平车垂直吊杆布置不合理，断面1-1最为薄弱，属危险断面。
根据《水利水电工程启闭机制造安装及验收规范》SL381--2007，乌江船闸横拉门启闭机顶平车大梁允许挠度f=L/700=6.78mm。
由复核结果可知大梁挠度f1＞允许挠度f，大梁的刚度不能满足要求。
4、齿条式启闭机驱动装置和传动装置故障原因分析
由于齿条式启闭机电动机、制动器、齿轮箱、传动轴、齿轮联轴器及顶平车等是在生产厂家车间内组装（齿轮箱输出轴与传动轴采用CLZ型齿轮联轴器联接）后整体运至工地现场吊装的，顶平车出厂时，虽然五根轴同心度（即径向位移和角位移）符合规范要求，但是在顶平车大梁承受横拉闸门的重力后，顶平车大梁产生变形，下闸首中部最大挠度达11mm。
针对乌江船闸上下闸首横拉门齿条式启闭机输出轴的联接和布置形式（左右侧均为CLZ型齿轮联轴器联接），其最大允许径向位移值参照机械设计有关规范推算为3.75mm。因此，在顶平车大梁承受横拉门重力时，齿轮箱随大梁一道向下挠动的情况下，齿轮箱输出轴和传动轴联接的径向位移和角位移就会出现严重超标，此时齿轮箱输出轴就会产生较大的振动，上盖就会产生较大的径向力，这就是导致齿条式启闭机齿轮箱箱体开裂、齿轮损坏的直接原因。
经以上初步分析可知，下闸首横拉门齿条式启闭机齿轮箱损坏是由于启闭机齿轮箱输出轴与传动轴不同心引起的，造成启闭机输出轴与传动轴不同心的主要原因是由于顶平车大梁设计刚度不够，垂直挠度严重超标引起的。
三、对策和处理方法
由复核结果可知大梁挠度f2＜允许挠度f，因此大梁加固只需加固1-1断面。方法如下：
1、由于顶平车大梁受横拉门自重负荷的作用，大梁在受力的情况下，已产生变形，因此，只能在顶平车大梁处在自由状态下，让其恢复水平或稍有上拱状态，才能进行加固。方法是：在横拉门全开的状态下，利用门体上原安装时留下的吊点，装上扁担梁，用2只50吨液压千斤顶，分别在两侧将横拉门顶起10~20mm即可。因此，顶平车大梁加固，上下游不能同时进行，只能逐一加固。
2、顶平车大梁焊接加固：
为便于焊接施工，在横拉门顶起后，需搭设满堂脚手架。
在顶平车大梁两端收缩端面即1-1断面处底部焊接三角形筋板，以补强1-1断面刚度不足的缺限。三角形筋板腹板、翼缘板厚度分别为10mm、12mm，即与原大梁腹板、翼缘板厚度相同。
3、重新安装调整齿条式启闭机：
在横拉门顶起后，大梁焊接前，需将电动机、制动器、减速器等顶平车上所安装设备的地脚螺栓全部松掉，此举目的是防止大梁恢复变形或在焊接加固产生变形时，上述机械设备的同心度发生变化，而使机体产生额外的应力。待焊接结束后，再重新安装就位对“三线”。
参考文献
[1]《水利水电工程启闭机制造安装及验收规范》SL381—2007.
[2]《机械设计手册》（2010年机械工业出版社出版）.
论文作者:张德鑫
论文发表刊物:《防护工程》2019年10期
论文发表时间:2019/8/19
标签：平车论文; 大梁论文; 齿条论文; 挠度论文; 拉门论文; 齿轮箱论文; 船闸论文; 《防护工程》2019年10期论文;