湘江长沙综合枢纽船闸人字闸门难点制造工艺浅析

尹斌勇，崔贞鹏

(1.长沙市湘江综合枢纽开发有限责任公司，湖南长沙 410200;2.武昌船舶重工有限责任公司，湖北武汉 430000)

1 枢纽概况

湘江长沙综合枢纽船闸为2 000 t级单级双线船闸，级别为Ⅱ级，闸室尺寸34 m×280 m×4.5 m(宽×长×门槛水深)，年通过能力9 800万t;泄水闸46孔，左汊26孔，孔口尺寸22 m×11.2 m(宽×高)，右汊20孔，孔口尺寸14 m×5.2 m(宽×高);坝顶公路桥为双向六车道城市特大桥，桥宽27 m，全长1.9 km;电厂安装6台单机容量为0.95 MW灯泡贯流式机组，总装机容量5.7 MW，年发电量2.3亿kW·h。

双线船闸共有2孔上闸首人字门和2孔下闸首人字门，人字门采用主横梁式平面人字闸门，门轴柱和斜接柱截面形式为开口式，采用联系式支、枕垫兼作侧止水使用，底止水采用橡胶止水，为了使侧止水与底止水能够衔接，在底枢和斜接柱底部分别采用了异形橡皮止水。人字门的布置见图1，其具体设计参数见表1。

图1 人字门布置示意图

表1 设计参数

2 人字门主要结构特点

人字门的结构分为中部单元和边单元，边单元按使用功能分为门轴柱和斜接柱。中部单元是由实腹板工字型主横梁、T型隔板、面板和加强筋等零部件组成，边单元是由端板、推力隔板、变截面工字型主横梁、边隔板和加强筋等零部件组成。中部单元和边单元分别制造完成后进行合拢，保证门体半宽尺寸。见图2。

图2 典型分节模型图

左右人字门之间及人字门与闸墙之间的止水，采用整条的不锈钢支枕垫块的凹凸弧面接触止水。

3 主要制造工艺

人字门制造的难点在于边单元的消应力处理，主梁的焊接变形控制，蘑菇头和支、枕垫块的加工，以及边单元与中部单元分别单独制造后总成时的匹配问题。为了能满足人字门的设计要求，有效的保证产品质量，缩短闸门制造周期，在制造过程中主要对蘑菇头加工、焊接工艺、不锈钢支枕垫块加工等六个难点制造工艺进行了改进研究。

3.1 蘑菇头加工

蘑菇头是人字门的旋转轴心，承受整个人字门的全部重量。为了减少运转阻力，设计时在船闸底枢轴瓦上使用了自润滑材料，蘑菇头采用不锈钢铸件，球面半径为SR370，既能承载又能耐磨且防锈，同时对蘑菇头表面粗糙度、圆度提出了极高的要求。

为达到上述设计要求和节约成本，设计了以普通车床为基础的球面自动加工成型设备，适合SR370及以下半球面蘑菇头加工。该加工设备采用车床中拖板通过连杆机构与固定在轨道上的旋转中心连接，通过车床中拖板的运动，实现小刀架绕旋转中心的旋转，通过调节中拖板的自动走刀一次完成球面加工。球面加工成型后，将小刀架换成抛光轮对球面进行精磨，表面粗糙度可以达到1.6 μm。见图3。

该设备大大提升了工厂的加工能力和实力，同时创造出了用普通车床加工高精度球体的先例。当然也可以采用三轴或三轴以上的数控车床对蘑菇头进行加工，但费用较高。

3.2 焊接工艺

闸门结构使用的钢材种类主要有Q345B和锻35#;焊缝种类主要有角焊缝、组合焊缝和对接焊缝;主要的焊接位置有平、立、仰焊。为保证人字门制造的焊接质量和工期，在水工钢结构中大批量采用药芯焊丝CO2气体保护焊，同时大批量开展中厚板的埋弧自动焊。

图3 蘑菇头加工

同时为了确保焊接质量则进行了焊接工艺评定项目共计16项，分别为:Q345B钢分别做t=16 mm、t=30 mm的埋弧自动对接平焊，板厚覆盖范围为12～45 mm，计4项;Q345B钢分别做t=16 mm、t=30 mm的药芯CO2平和立对接焊，板厚覆盖范围为12～45 mm，计8项;Q345B钢做t=60 mm的药芯CO2平焊和立对接焊，则板厚覆盖范围为490 mm，计2项;Q345B做t=30 mm的组合焊缝平焊(CO2焊和埋弧自动焊)，计4项。通过以上焊接工艺评定项目工艺试验确定的各种焊接形式下的焊接参数，制定出了各种部件及总段制造的焊接工艺，并绘制了焊缝焊接顺序示意图。焊接工艺的制定有效保证了门体制造的焊接质量，并减少了焊缝返工和焊接变形，节约了焊材和能源消耗。

3.3 不锈钢支、枕垫块加工

支、枕垫块(湘江长沙综合枢纽双线船闸共计152件)是左、右人字门之间和人字门与闸墙之间的传力和密封构件，是闸门工作的关键部件。支、枕垫块工作面为凹、凸弧形面，为了保证其加工精度和防止变形，单件长度为2 800 mm，配合间隙≤0.05 mm且每米不超过2处，粗糙度要求Ra3.2，加工时必须保证所有的圆弧面外形一致。支、枕垫块的弧度及表面粗糙度是加工的难点和重点。为节约成本，研制了普通的龙门刨铣床加工圆弧面的设备。

该设备采用自动弧形导向，利用丝杆带动立刀架自动在圆弧导向模板上运动，成功实现了圆弧工作面的加工，保证了所有的圆弧面外形一致，解决了用普通的龙门刨铣床加工圆弧面轨道的难题。通过该方案制造的支、枕垫块圆弧面尺寸和光洁度超过了三维数控铣床的加工质量。

3.4 工字梁焊接工艺

为了提高工字梁焊接质量，在工字梁焊接中采用旋转设备直接替代了大型行车起吊、翻身并有效的控制了焊接变形。该设备利用腹板上的流水孔与旋转设备固定，并用电机为动力带动旋转设备旋转到焊接位置后锁定。具体实施步骤:

第1步:用固定在两侧的焊机(见图4)对该条组合焊缝的一侧进行施焊，一层焊完后，将焊机推到轨道的两端并取出锁定(避免工字梁旋转时撞坏焊机);

第2步:将工字梁焊接旋转胎架顺时针旋转90°锁定，焊接该条组合焊缝的另一侧，将焊机推到轨道的两端并取出锁定(避免工字梁旋转时撞坏焊机);

第3步:按第2步进行旋转直至焊接完成。

图4 工字梁焊接旋转原理图

通过该旋转设备的使用，实现了工字梁的自动翻转，自动实现船形焊，保证了焊接的最佳位置，并实现了多层多道焊，有效的控制了焊接变形。

3.5 应用成组匹配制造技术

成组技术是研究事物间的相似性，并将其合理应用的一种技术。用于产品制造时，可理解为以统筹优化理论为指导、以中间产品为导向、按区域组织生产，使各区域生产在空间上分道，时间上有序，实现设计、生产、管理一体化。成组匹配制造技术是利用相似性原理，将相互之间有配合要求的部件进行匹配制造，以满足相邻部件之间的配合关系的一种制造技术。

首先将门体划分为中部单元和边单元，再将中部单元分为主梁部件和隔板部件，边单元分为端板部件和隔板部件。将构成边单元的零部件制造完成后，进行整体匹配制造，最后与中部单元进行对接。通过边单元的成组匹配制造，使分成两部分制造的边单元和中部单元成功对接，为人字门制造的半宽尺寸控制起到决定性的作用，同时为工地安装提供了有效的保证。

3.6 边单元焊接工艺

为减小边单元的焊接变形，尽可能控制焊接内应力，根据边单元结构(见图5)，研究制定了下列焊接顺序。

图5 边单元结构图

1)立焊。

端隔板①与端腹板②的立焊(探伤);端腹板②与端板③的立焊(探伤);推力隔板加劲板④与端腹板②的立焊(角焊缝);端隔板①与端隔板加劲⑤的立焊(角焊缝)。

2)平焊。

端隔板①与下翼缘⑥的平焊(探伤);端板③与下翼缘⑥的平焊(探伤);推力隔板加劲板④与下翼缘⑥的平焊(角焊缝);端腹板②与下翼缘⑥的平焊(角焊缝，个别需探伤);推力隔板⑦与端隔板①的平焊(探伤);推力隔板⑦与端腹板②的平焊(探伤);推力隔板加劲板④与推力隔板⑦的平焊(角焊缝);推力隔板加劲梁⑧与结构的平、立焊(角焊缝);上翼缘⑨与端板③、端隔板上翼缘⑩的平焊(探伤)。

3)解除约束，下胎架翻身。

4)气刨。

上翼缘⑨与端板③、端隔板上翼缘⑩的坡口;推力隔板⑦的坡口;下翼缘⑥与端板③的坡口。

5)焊接。

上翼缘⑨与端板③、端隔板上翼缘⑩的组合焊缝(探伤);上翼缘⑨与端腹板②的角焊缝;推力隔板⑦与端腹板②、端隔板①的组合焊缝(探伤);下翼缘⑥与端板③的组合焊缝(探伤);端隔板①与端隔板上翼缘⑩的组合焊缝(探伤);推力隔板加劲板④与上翼缘⑨和推力隔板⑦的角焊缝。

4 结语

在人字门的制造过程中，通过上述设备、工艺以及成组技术的研究应用，很好的保证了产品质量。给同类工程的船闸人字闸门制作或类似钢结构制作提供了较好的参考和借鉴。

［1］钮新强，宋维邦.船闸与升船机设计［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.

［2］中华人民共和国国家发展和改革委员会.水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范［M］.北京:中国电力出版社，2005.