铸铁镶铜闸门设计及制造研究

姚能栋，张晶晶

(江苏润源水务设备有限公司，江苏 扬州 225264)

铸铁镶铜闸门设计及制造研究

姚能栋，张晶晶

(江苏润源水务设备有限公司，江苏 扬州 225264)

铸铁镶铜闸门广泛用于中小型市政工程、农田水利工程、水利水电工程。本文从材质选用、结构设计、铸造、加工、装配到渗漏试验,系统地介绍了铸铁镶铜闸门设计、制造过程,并给了骆马湖水源地及第二水厂铸铁镶铜闸门工程设计实例。

铸铁镶铜闸门;设计;制造

1 铸铁闸门门体设计

门体结构按最高水头设计，其拉伸、压缩、剪切强度安全系数不小于5。

1.1 材料

铸铁闸门根据孔口尺寸和承压水头，选用合适材料。常用铸铁闸门材料有灰铸铁 H T 200和H T 250，球墨铸铁Q T 400和Q T 450。灰铸铁的机械性能符合GB 9439规定，球墨铸铁的机械性能符合GB/T 1348规定。小孔径、浅水头闸门采用灰铸铁，大孔径、深水头闸门采用球墨铸铁。铸件容许应力见表1。

表1 铸件容许应力 MP a

1.2 面板厚度确定

初选面板厚度，按四边固定弹性薄板承受均布荷载考虑。面板初选厚度计算为

式中:α—面板计算区格的短边长度，m m;ky—支承板长边中点弯曲应力系数，平板加强肋闸门取ky=0.5，拱形闸门取ky=0.35～0.5;q—面板计算区格中心水压力强度，MP a;［σ w］—铸件的弯曲抗拉容许应力，MP a。

面板的实际厚度比计算值增加2m m腐蚀裕量。同时考虑到合理的铸造工艺，铸铁壁厚越大，越有利于液态合金充填型腔。但随着壁厚增加，铸件心部的晶粒变得粗大，而且凝固收缩时没有金属液的补充，易产生缩孔、缩松等缺陷;过薄，易产生浇铸不足或冷隔缺陷。表2为门体面板推荐最小壁厚。

表2 门体面板铸件厚度

1.3 载荷分析

门体是由面板、横筋和纵筋组成的板肋结构。作用在门体上的静水压力F(压力的大小与水深成正比)门体的尺寸及各部位承受水压大小如图1所示，L 4区间的门体断面构造如图2所示，图3为跨度为L的该断面梁受力计算简图。

图1 门体荷载分布

图2 L 4区间的门体断面

图3 板梁A B受力计算

设A B上承受的均布载荷为q，则L 4区间的总载荷F 4为

式中:q—板梁单位宽度承受的均布载荷，N/m m; l—板梁的跨距，m m。

梁A B承受的最大弯矩Mmax为

1.4 截面特性

门体的断面由几个简单几何图形组成的复合断面，为了确定主形心惯性轴位置和主形心惯性的数值，按以下分析计算。

设静矩Sx为该断面对X1-X1轴的静矩:

式中:A1=b d，m m2;A2=m m2;H—筋高，m m。

惯性矩Ix为:

为确定形心位置，设X-X距X1-X1为e1，e1为:

1.5 应力

截面模数W为:

梁的最大弯曲应力σmax为

1.6 挠度计算

梁A B的最大挠度值y为:

式中:［y］—许用挠度，［y］=l/1500，m m;I—极惯性距，m m4;E为材料的弹性模量，N/m m2。

2 铸铁闸门结构设计要点

面板要求微拱形，以增大承压能力;面板两侧的(与门框是楔受力处)剪力较大，要适当加厚。门体四周的边框考虑铸件的受力条件和内应力，防止变形，宜适当加宽。

导轨采用与门体相同材料制造，拧紧在门框上或与门框整体浇铸(小孔径闸门)，所有的支承面及接触面需经机械加工。闸门在全开位置时，导轨的顶端高于门体的顶端。

闸门止水密封条采用锡青铜 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，表面不得有划痕，止水密封条规格尺寸符合表3要求。止水密封条分别设置于门体和门框相应位置，止水密封与门体、门框用环氧树脂粘接后用沉头螺钉固定，再进行机加工。

表3 止水密封条规格 m m

3 铸铁闸门制造

3.1 铸造

铸铁闸门一般为单件、小批量生产。考虑到成本、制作周期和制作费用，铸件模具采用木模制作。铸造砂采用树脂砂，树脂砂生产的铸件尺寸精度高、外部轮廓清晰;它比粘土砂及油砂生产的铸件可提高1～2级别。

在浇铸前先制定铸造方案，确定工艺参数，浇铸时间、浇铸速度、浇铸位置、合理设置冒口。根据材料要求，配料计算、装料、溶化，炉前分析，浇铸，如图4所示。

图4 炉前取样分析及浇铸

铸铁牌号力学性能，通过门体上随炉试棒经过拉力试验机检测，依据GB/T 9469灰铸铁件或GB/T 1348球墨铸铁件标准，进行铸铁试棒最小抗拉强度检测。生产厂家先自检合格后，方可进行机加工，另一根由监造单位复检。门体同体试棒如图5所示。

图5 门体同体试棒

铸件不得有裂纹、夹渣、疏松和浇铸不足等缺陷。对气孔、缩孔和渣眼等缺陷应焊补与修整，但面板表面不得修补。铸件出炉自然冷却后进行时效处理，可采用高温回火处理或时效振动处理，消除铸造应力。

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铸件尺寸公差与机械加工余量符合GB/T 6414中I T 9级精度要求。

3.2 闸门加工、装配、渗漏试验

加工:门体与门框的侧向间隙不大于1.5m m;止水密封条与楔紧装置表面粗糙度小于3.2μ m。楔紧装置是闸门止水效果的关键，楔块采用锡青铜Z C uSn5P b5Z n5，用螺栓分别与门体和门框的楔座固定，楔座铣加工成长孔，便于楔块的调整。当闸门的某一处止水效果不好时可局部调整楔块。上下两楔块工作面接触面积不应小于85%。

装配检验:门体与门框导向槽之间的前后总间隙应不大于1.6m m。止水密封条应连接牢固。门体止水密封条下边缘应高于门框止水密封条下边缘，其高差应不大于2.0m m;楔紧装置应连接牢固。闸门全闭时，门体与门框的各楔紧面应同时相互楔紧。活动楔块、偏心销应有一定的调节量。闸门全闭、平放、无外加荷载条件下，止水密封条间隙应不大于0.1m m。门体与门框和导轨对合，无卡阻。

渗漏试验:密封面清除污物，不得在两密封面间涂抹油脂，闸门全闭、平放，门框孔口向上，在门框孔口内注满清水，以水不溢出为限，其密封面的渗水量不大于1.25L/m i n·m(密封长度)。

涂装前处理铸件表面。涂装环境温度在3°C以上，相对湿度小于85%，涂装现场通风良好。先涂环氧沥青防锈底漆120μ m，后涂厚浆型环氧沥青面漆200μ m。漆膜附着力符合SL 105规定。门框和导轨与混凝土接触面涂刷苛性钠水泥浆。

涂漆应均匀一致，表面无鼓泡、皱纹、流挂、针孔、裂纹等缺陷。测区漆膜厚度90%以上应达到设计值，未达到设计值的测区，其最小厚度就不低于设计值的90%。

4 应用实例

骆马湖水源地及第二水厂建设工程由原水工程、水厂工程、清水工程(水厂配套清水管网一期)3部分组成，概算投资27.1亿元，其中:原水工程20.8亿元、水厂工程4亿元、清水工程2.3亿元，是徐州水利史上单体投资最大的项目。进水孔口有6台2000m m×2000m m铸铁镶铜闸门，闸门设计承受最大水头12m。

闸门材质采用灰铸铁H T 250。门体面板厚度为25m m，横肋采用等间距布置 415m m，横肋净高240m m，横筋上端厚度 16m m，横筋下端厚度24m m。止水密封条采用锡青铜Z C uSn5P b5Z n5，规格25m m×12m m。

经计算，梁的最大弯曲抗拉应力σw=19.2N/ m m2＜［σw］35N/m m2，梁的最大弯曲抗压应力σa=74.6N/m m2＜［σa］140N/m m2，挠度f=1.1m m＜［f］=L/1500=1.3m m。同体试棒H T 250检测抗拉强度270MP a＞最小最抗拉强度［Rm］210MP a，满足规范要求。铸铁闸门外形尺寸如图6所示。

图6 铸铁闸门外形尺寸(单位:m m)

5 结语

铸铁镶铜闸门由于布置简单，结构紧凑，防腐性能好，止水效果好，一次性安装成型，运行维护简单等优点，在中小型工程中应用十分广泛。铸铁镶铜闸门质量必须从原材料、铸造、加工、装配各个环节，严格按设计和规范要求执行，才能保征产品可靠运行。

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T V 663

B

1008-1305(2016)05-0112-04

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.05.039

铸铁镶铜闸门，按形状分圆形闸门和矩形闸门。按密封形式分镶铜密封和不镶铜密封。按承压方向分单向闸门和双向闸门。按螺杆传动形式分明杆和暗杆。

铸铁镶铜闸门由门体、门框、导轨、楔座、楔块、止水密封条组成。

2015-12-09

姚能栋(1980年—)，男，工程师。