彭水水电站泄洪表孔弧门及支铰轴承结构设计

大连三环复合材料技术开发有限公司

　　彭水水电站位于乌江干流下游，是乌江干流水电开发的第10个梯级，彭水水电站以发电为主，其次是航运、防洪及其它综合利用。
　　彭水水电站由大坝及泄洪建筑物、电站、通航建筑物等组成。大坝为碾压混凝土弧形重力坝，坝高116.5m；水电站布置在右岸，采用地下式厂房，安装5台单机容量为350MW的大型混流式水轮发电机组，总装机容量1750MW；通航建筑物布置在左岸，由单线船闸和升船机（以中间渠道连接）两级过坝建筑物组成，按500t级船舶过坝设计。工程于2004年开工建设，计划2007年底发电，2009年全部建成。
　　泄洪建筑物由设于河床中部的9个泄水表孔组成。发电引用流量以外的洪水全部由表孔下泄，表孔有局部开启控制下泄流量的要求，闸门需局部开启，工作闸门采用弧形闸门。坝顶高程301.5m，堰顶高程268.5m，按正常蓄水位293.0m设计，孔口尺寸14.0m×24.5m，布置9扇弧形工作闸门，支铰中心高程281.70m门叶弧面曲率半径29.0m。每扇表孔弧形工作门设一台（套）2×3500kN摆动式液压启闭机。共布置9台（套），每台（套）配有一套液压泵站，泵站布置在坝面闸墩下，油缸支铰高程293.63，油缸活塞行程12.5m。其工作门为目前国内孔口高度和孔口面积Z大的表孔弧形门。
　　闸门采用三主横梁直支臂结构，门叶面板、主横梁，小梁及纵隔板焊接组成，共有7个制造运输单元。7个制造单元在现场焊接成整体。主横梁及支臂支杆均为焊接工型梁。支臂为三支杆结构。在门叶下主梁两侧附近设吊耳与油缸吊头连接。支铰系统由ZG310-570支铰支座、40Cr锻钢镀铬铰轴及自润滑球面滑动轴承组成支铰为自润滑球面滑动轴承的球铰。门叶与支臂、支臂与支铰、支铰与基础均采用螺栓连接。侧导向为侧轮，直径Φ300mm，材质ZG270-500，轴瓦为自润滑材料。侧水封为聚四氟乙烯P形橡塑水封，材质LD-19，底止水为平板橡皮。
　　考虑闸门动水荷载及启闭荷载，单个支铰Z大荷载为31000kN。支铰轴承径向荷载31000kN，轴向荷载1800kN。轴承的设计选择比较过国外进口和国产形式。国外的铜基镶嵌或PTFE衬垫材料的自润滑球面滑动轴承在上运用较早。近年以来随着国内水电工程的建设和发展要求，自润滑支承材料的研制和工艺大大提高，包括三峡水利枢纽等多个工程的大型闸门支承材料采用了国产轴承（大连三环）并投入运行，实践证明完全可以替代进口产品。因此通过调研并与业主协商确定采用国产轴承。
　　支铰自润滑轴承内径选择：根据使用条件，径向荷载为Fr=31000kN，轴向荷载为Fa=1800kN，Fa/Fr=0.06当量载荷系数为1.1,安全系数取1.5，因此当量载荷为C0＝1.1×1.5×31000kN=51150KN。按国内知名品牌产品选取轴承内径为Φ630。轴承型号为GEW630XFZB053铜合金镶嵌自润滑关节轴承。

支铰自润滑轴承运行条件

　　选定的轴承技术方案：
　　1．轴承形式：
　　（1）  外圈采取轴向分开的双半外圈结构，材料为铜合金镶嵌自润滑材料：基体为三环公司高强铜合金，摩擦表面镶嵌固体润滑剂。
　　（2）  内圈为整体结构，材料为GCr15SiMn，热处理后硬度为HRC58——64，球形表面镀硬铬，镀层厚度为0.05（加工后）mm。
　　2． 轴承规格尺寸：内径φ630mm，外径φ900mm，内圈宽度450mm，外圈宽度425mm。
　　3．轴承材料的机械性能：

　　轴承特性指标的校核：
　　GEW630XFZB053轴承自为润滑材料基体三环高强铜合金，屈服极限为450Mpa以上。按镶嵌面积25%计算，则该轴承的极限静载为450×（1-25%）=337.5Mpa。由于球面轴承各点受力是不均衡的，Z大压强是平均压强的1.334倍，因此极限Z大压强为337.5/1.334=253Mpa。按照253Mpa的极限静载比压计算，GEW630XFZB05的有效承载投影面积为354466mm²，则该关节轴承的极限静载荷为253Mpa×354466mm²=89680KN。对比当量载荷C0=51150KN复核其安全系数为1.75。由于弧形门支铰轴承运行线速度非常低，按静载复核满足闸门使用要求。