偏心铰弧门拼装尺寸链的计算

江健炜

（中国水利水电夹江水工机械有限公司，四川 夹江 614100）

1 概述

一些高水头、大流量的水电站的闸门有动水启门和局部开启的要求，采用偏心铰结构的弧门可以满足上述要求。一方面可以减少弧形工作闸门的水泄漏，另一方面便于灵活启闭用于电站底孔冲砂、泄洪等特殊作业。

巴基斯坦塔贝拉水电站LLO出口闸门采用了偏心铰弧形闸门。该弧门孔口尺寸（宽×高）为：6 m×6 m，封水截面尺寸（宽×高）为：7.4 m×7.15 m，设计水头135.94 m，最大挡水压力6154 2 kN，每套弧门重量达383 t。该弧门采用偏心铰和凸扩式门槽封水结构，支铰轴偏心距为50 mm，采用液压启闭机驱动，可以进行闸门的动水启闭和门叶的局部开启。

该弧门的面板尺寸（宽×高）为：8 670 mm×7 288 mm，弧面面板加工要求控制曲率半径，门叶横向直线度≤2 mm，各结合面平面度≤0.5 mm。该弧门在结构设计与功能需求等方面有独特要求，对弧门结构大拼工序具有很高的制造难度。对偏心铰弧形闸门制造的尺寸链进行分析和计算在制造过程中有着十分重要的意义。

2 偏心铰弧门的组成

巴基斯坦塔贝拉水电站LLO出口偏心铰弧形闸门主要由门叶、支臂、支铰总成等组成。其中：门叶主要由门叶1、门叶2和门叶3等组成；支臂由支臂1、支臂2、竖杆和横杆等组成；支铰总成由活动支铰、固定支铰、偏心支铰轴、联轴器、滑动轴承和滚动轴承等组成。

3 偏心铰弧门门叶及支臂结构制造要求

偏心铰弧门多用于高水头排砂泄洪底孔挡水，相对于一般弧门，存在结构更复杂、要求更严格、控制项目更多、制造难度更大等特点。弧门检验内容及要求见表1。

表1 偏心铰弧门与一般弧门检验内容及要求对比表

门叶主横梁及支臂主要板材厚度为60 mm，其余板材厚度均为30 mm以上，而且需超声波探伤满足NB/T 35051规范要求的一、二类焊缝占到了全部焊缝总量的80%以上，这对于焊接质量及焊接变形的控制难度造成很大影响。焊接后会出较大的变形，焊后数据难以满足技术要求。根据合同条款，该弧门制作还增加以下技术控制要求：

（1）非加工面组合处的错位≤2 mm，加工面组合处的错位≤0.5 mm。

（2）纵向隔板错位≤2 mm。

（3）面板与梁组合的局部间隙≤1 mm。

（4）门叶底缘倾斜值2C≤2 mm。

（5）支铰轴孔中心至面板外缘的半径R的值为，两侧相对差不大1 mm。

为确保弧门制造满足上述技术条款，加强弧门各零件制造过程中的变形和尺寸精度控制技术是关键。

4 弧门结构拼装过程

闸门的结构拼装是在专用弧门大拼工装上进行。先将组装好的左、右支臂立于工装上固定，将底节门叶与左、右支臂联接固定，调整各部尺寸合格后吊装其余门叶。再将活动支铰联接到左、右支臂上，检测弧面半径尺寸合格后焊接前端板。拆解门叶和活动支铰后加工左、右支臂的前端板平面。支臂完成加工后复拼进行验证检测弧面半径尺寸合格，完成弧门结构的拼装。

5 弧门主要尺寸链的分析与计算方法

在偏心铰弧门使用过程中，由于闸门各机构运行复杂，制造精度要求高，对制造带来了许多技术难题。通常，偏心铰弧门在制造过程中，弧面的曲率半径是必须控制的关键尺寸。从一定程度上讲，弧面的曲率半径准确与否直接决定了弧门的许多重要性能和产品的最终制造质量。

然而，要获得设计要求中理想弧面的曲率半径有许多制约因素。单从结构拼装这个关键工序来看，对弧面的曲率半径关联的装配尺寸链进行分析和计算很有必要。

由于偏心铰弧门零部件重量大，吊装难度高，制作中应尽量减少拼装的次数。对弧面曲率半径相关的尺寸链进行分析，明确全部组成环、封闭环，计算出封闭环基本尺寸、下极限偏差和公差。根据下极限偏差进行切割配焊前端板；根据封闭环公差计算值，对封闭环增加相应的加工余量。然后采用加工修配法来满足封闭环公差范围，从而获得合格的弧面的曲率半径。

6 构件组拼的装配尺寸链

偏心铰弧门构件的组拼是构件制造的一个重要过程，目的是获得偏心铰弧门验收要求的许多重要尺寸，验证前期制造工序的质量控制有效性和各关键尺寸的图样符合性。

通常由各节门叶、支臂1、支臂2和活动支铰等参与组拼。同时，为了方便尺寸链的分析和计算，假设偏心支铰轴安装在活动支铰的中心位置来进行分析和计算。如图1所示：

图1 偏心铰弧门的侧向示意图

6.1 偏心铰弧门支臂上肢尺寸链

6.1.1 上肢尺寸链的表示

根据文献[1]对尺寸链的表示方法，从图1中可以方便获得弧门支臂上肢尺寸链：

A2=mm(由Φ1 000 g6上下偏差/2计算得)

A3=mm（由滑动轴承的径向间隙/2计算得）

构件在拼装过程中，支臂2的轴线长度（A0）可以方便地通过配焊调节或加工修配法获得要求的精度，故确定其为封闭环。滑动轴承与活动支铰是过盈配合，该配合对尺寸链基本无影响。其余尺寸很容易通过加工保证在设计要求的公差范围内。依照尺寸链理论，计算出封闭环的下偏差，可以确定拼装前端板时支臂的切割位置；计算出封闭环的尺寸公差，确定支臂2的前端板加工余量，通过加工即可获得符合要求的弧面曲率半径。

6.1.2 封闭环基本尺寸计算

式（1）变换为：

将各环的基本尺寸代入式（2）各项数值可以计算封闭环的基本尺寸：A0=5 459.8 mm。

6.1.3 封闭环的下偏差计算

根据文献[1]对封闭环下偏差的计算方法可得：

计算式（3）可得支臂2的轴线长度上偏差：EI（A0）=- 4.041 mm。

6.1.4 封闭环公差的计算

根据文献[1]对封闭环公差的计算方法可得：

计算式（4）可得支臂2的轴线长度公差：T0=8.428 mm。

6.2 偏心铰弧门支臂下肢尺寸链

同理，从图1中可以方便获得弧门支臂下肢尺寸链：

A2=mm(由Φ1 000 g6上下偏差/2计算得)

A3=mm（由滑动轴承的径向间隙/2计算得）

确定支臂1的轴线长度（A0）为封闭环，式（5）可变换为：

将各环的基本尺寸代入式（6）各项数值可以计算封闭环的基本尺寸：A0=7 360.9 mm。

同理可得封闭环的下偏差：

计算式（7）可得支臂1的轴线上偏差：EI（A0）=-2.841 mm。

同理可得封闭环的公差：

计算式（8）可得支臂2的轴线长度公差：T0=6.028mm。

7 结语

从上述计算可知，在进行前端板配焊时，对于支臂上肢相关尺寸链的各尺寸如果没有超标，支臂2的轴线长度（5 459.8 mm）可以按照该尺寸的下偏差（4.041 mm）进行切割配焊。同样，对于支臂下肢也按照该尺寸链上支臂1的轴线长度尺寸（7 360.9 mm）的下偏差（2.841 mm）进行切割配焊。

然后，采用修配法来调节弧门曲率半径的误差，支臂上肢理论上需要大于8.428 mm的加工余量，支臂下肢理论上需要大于6.028 mm的加工余量。鉴于钢板存在表面不平度；前端板的理论厚度为60 mm，且厚度应该一致等因素，实际生产中前端板采用厚度为70 mm的钢板，比设计理论厚度增加了10 mm作为加工余量，用于在修配加工时调节使用。

通过上述对偏心铰弧形闸门组拼尺寸链的分析和计算，确定了实际制造过程中应当采取相应的工艺技术措施。从而顺利完成了巴基斯坦塔贝拉水电站LLO出口偏心铰弧形闸门的制造。经过厂内拼装的检验，工地安装后能正常运行使用，充分证明能够满足闸门设计技术要求。