芒稻扩容改造船闸横拉闸门设计与研究

芒稻扩容改造船闸横拉闸门设计与研究

戴振华，邢述炳，黄可璠

（中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

摘 要：本文结合芒稻船闸扩容改造工程横拉闸门的设计，分析了横拉闸门设计的要点，并以实际工程为例给出了具体的解决方案，同时从横拉闸门运行与维护角度出发，对设计中创新点进行了阐述。 关键词：抗倾稳定；底台车；自润滑滑动轴承；辊轴支承 

中图分类号：U453.5 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2017）05-0094-03

一、工程概况

芒稻船闸位于芒稻河航道入江口门处，是控制芒稻河航道货物流量的重要节点。原有芒稻船闸的规模为135×12（10）×3.0（m）（闸室长×闸室宽（闸首宽）×槛上水深），设计通航最大船舶为300t级。随着芒稻河航道货运量的不断增加及船舶大型化的发展，芒稻船闸的扩容改造迫在眉睫[1]。

改造后的芒稻船闸为Ⅲ级通航建筑物，设计最大船型为1,000t级船舶，船闸基本尺度为180×23×4（m）（闸室长×口门宽×门槛最小水深）。船闸承受双向水头作用，最大正向设计水头为8.50m，最大反向设计水头-1.31m。闸室灌泄水采用闸墙长廊道侧支孔全分散输水型式，上、下闸首工作闸门采用横拉门型式，闸门启闭机采用齿轮齿条式机械传动[1]。

二、设计要点概述

横拉闸门是沿船闸闸首口门横向移动的单扇平面闸门，其主要由门体结构、支承移动设备和止水系统组成，常用于承受双向水头的船闸[2]。芒稻扩容改造船闸横拉闸门门体采用双面板矩形结构型式，主梁与竖向联结系均采用桁架结构，同时在门顶和门底设置顶、底台车以支承闸门重量并能使闸门沿轨道横向行走，门体与顶、底台车之间则分别采用柔性连接及辊轴支承的结构型式。

1．闸门稳定性验算

横拉闸门一般都要求在上、下游水位齐平时启闭，但在启闭过程中，闸门两侧可能存在一定的水位差，此外，还应该考虑风浪对闸门启闭的影响，因此，横拉门设计时必须进行闸门稳定性验算[2]。另一方面，横拉闸门抗倾稳定性又与门体自重、门体厚度、浮箱的设置、侧滚轮的布置等紧密相关，如何合理协调减轻门体自重与保证门体运行稳定性之间的关系，是横拉闸门设计时需要首先考虑的问题。

本工程上闸首闸门尺寸为23.65×3.854×8.6m（门长×门厚×面板高度），门重约120t；下闸首闸门尺寸为23.65×3.854×13.7m（门长×门厚×面板高度），门重约210t。闸门门体下部设置了浮箱，其中上闸首闸

收稿日期：2017-03-01

作者简介：戴振华（1983-），男，中设设计集团股份有限公司工程师，主要从事港航工程设计工作。

图2 闸门工况二荷载分布图

经验算，本工程上游闸门在两种工况条件下抗倾稳定系数分别为10.6和1.87，下游闸门分别为8.22和1.65，均大于1.25，满足闸门安全运行的要求。

2．侧向滚轮布置

横拉门的侧向滚轮，不仅在闸门启闭过程中起导向作用，而且是抗倾稳定的支点。本工程上、下闸首闸门均设有一组顶侧滚轮，上闸首闸门设有二组底侧滚轮，下闸首闸门设有三组底侧滚轮。其中，下闸首廊道与门库相交，导致该处底侧轨道断开，因此，在下闸首闸门设计时，增门在水中减重约64.9t，下闸首闸门在水中减重约86.0t，可有效减小闸门运行期主滚轮支承的压力和启闭力。对闸门进行稳定性验算时考虑了两种工况：（1）在安装和检修期间，验算闸门未关闭，承受该地区的最大风荷载时的稳定性；（2）在使用期间，根据闸门刚离开门槽时，承受一定水位差（本设计按10cm考虑），通航允许最大风速（本设计按8级考虑）产生的风压力和相应的波浪压力的组合验算其稳定性。

图1 闸门工况一荷载分布图

第5期 戴振华等：芒稻扩容改造船闸横拉闸门设计与研究 95 加布置了一组底侧滚轮，这样就使得闸门在运行过程中保证至少二组底侧滚轮参与工作，与顶侧滚轮一起构成稳定的三角支点，进一步确保了闸门运行的安全稳定。

3．止水系统设计

横拉门止水系统由底止水和侧止水组成，本工程闸门底止水设计为“P”型橡皮，两侧端柱处通长设置的支承条兼做侧止水，为保证止水效果，在支承条内嵌入“Ω”型止水橡皮，并用氯丁橡胶粘结牢固。

4．横拉闸门支承系统要点概述

底台车是横拉门重要的支承运转部件，也是以往横拉门使用过程中最易失效损坏的部件，特别是圆锥棍子轴承，由于密封效果不好、棍子运转不畅导致的轴向力等因素，极易发生破坏[3]，且由于其位于水下，维护成本较高，因此，如何提高底台车运行的可靠性，延长其使用寿命是横拉门设计的重点之一。

三、创新与研究

芒稻扩容改造船闸在设计过程中，针对现有横拉闸门使用维护时发现的一些问题，经分析研究，设计中通过改进结构型式、采用新型材料等方式，以期在提高横拉门运行稳定性，减少维修工作量等方面取得一定的进步。由于篇幅有限，不可能对所有创新点一一罗列，本文仅从新结构、新材料的角度选择具有代表性的范例。

1．可拆卸式侧滚轮轨道型式

横拉门在启闭过程中，由于水荷载、风浪荷载等的作用，导致门体偏向一侧运行，此时侧滚轮轨道支承侧滚轮，形成闸门抗倾稳定的支点。根据以往船闸大修的情况来看，侧滚轮轨道特别是底侧轨往往磨损较为严重，由于侧滚轮轨道通常是固定于二期混凝土中，更换轨道需要凿除这一部分的混凝土，安装后再重新浇筑，这就给船闸的检修工作带来不便。

本工程在设计时从两个方面考虑对侧滚轮轨道进行了改进：（1）结构型式由整体固定式改为可拆卸结构，且镶面板为分块构件

[4,5]

，见图4；（2）轨床采用铸钢件，与滚轮接触

面材料由普通碳素钢调整为锻45钢调质处理。由此既提高了侧轨道支承面的表面硬度及耐磨特性，同时又方便更换，给船闸维护检修带来了便利。

1.轨床 2.限位键 3.开槽沉孔螺钉 4.镶面板 5.T型槽螺栓 6.施必牢螺母 7.锁定楔块 8.止水座 9.地脚螺栓 10.锚筋

图3 可拆卸式侧滚轮轨道装配图

2．自润滑材料的应用

横拉闸门重要的支承运转件，如滚轮轴与轴套、辊轴支承的弧面支承座与辊子之间常年处于重载低速运转的状态，且受力情况复杂，加之工作环境恶劣，是最易发生磨损破坏的部件。早期的轴套基本采用铸造铝铁青铜，由于铸造工艺的不稳定及材料本身的特性，导致耐磨性较差。

本工程滑动轴承、辊轴支承的弧面支承座等均采用铜基合金自润滑材料，其是以高强度铜合金为基体，具有承载能力高（屈服强度能达到520MPa甚至更高），摩擦系数低，耐磨损（硬度达到200HB）、使用寿命长等诸多优点，尤其适用于低速、重载条件下的转动、摆动和沿轴向往复滑动，可有效减缓重要运转件的磨损，延长其使用寿命。

图4 底台车自润滑滑动轴承

四、结语

横拉闸门是感潮船闸中工作闸门较常采用的结构型式之一，其结构简洁、刚固，防撞性较好，且启闭迅速，止水效果好，特别是在大跨度、高水头的船闸中应用较为普遍。另一方面，其缺点也比较突出，一是闸门启闭过程中，门体的抗倾覆性较差，不适用于有开通闸要求的船闸；二是运行维护成本较高，特别是底台车更换频繁，影响了船闸的运行效率[4]。因此，在横拉闸门设计中，通过结构型式的改进，新材料、新设备的选用，来提高闸门运行稳定性，改善运转部件的使用寿命，进而延长横拉门的检修周期，应该是横拉门发展中需要解决的一个重要课题。

参考文献

[1] 中设设计集团股份有限公司.芒稻船闸扩容改造工程施工

图设计[R].2015.

[2] 程昌华，刘晓平，唐寿鑫编著.航道工程学.人民交通出版

社，2001.

[3] 刘冬山.横拉门底台车故障分析与对策.船闸科技优秀论文

集，2006.

[4] 邢述炳，王仙美，许建平等.一种横拉闸门可拆卸顶轨：

中国，ZL 2015 1 0186324.3 [P].2016-08-24.

[5] 邢述炳，王仙美，许建平等.一种横拉闸门可拆卸底侧轨：

中国，ZL 2015 1 0186516.4 [P].2017-03-22.

[6] 陈小桐.京杭运河复线船闸横拉门设计的改进[J].水运工

程，1989.