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成都勘测设计研究院 姚昌杰
一、项目概况
草街航电枢纽工程位于重庆市合川境内草街镇附近的嘉陵江河段上，是嘉陵江干流合川至河口段自下而上梯级开发的第二级，正常蓄水位203.00m，设计洪水位217.56m，校核洪水位220.81m，是以发展航运为主要目的，兼有发电、拦沙减淤、灌溉等其它效益的水资源综合利用工程。
冲沙闸孔口宽度为14.8m，弧形工作闸门高度25.5m，目前为国内外之最，属于超大型闸门。闸门采用三主横梁、三斜支臂结构，面板曲率半径为31m，支铰高度22m，门叶分8节制作，在安装现场焊接为一整体。闸门在最大开启高度27 m时，闸门底缘仍处于水下14.18m（校核水位），既在校核水位泄流时，处于局部开启状态。冲砂系统闸门支铰轴承采购进行国内公开招标，由于支铰轴承受力较大，且下游水位高，水流流态复杂，闸门支铰受正向水流的冲击与回水的淹没打击，标书要求支铰轴承采用国际知名品牌带密封圈自润滑球面滑动轴承，内径630mm。
二、技术条件
草街航电枢纽工程位于重庆市合川境内草街镇附近的嘉陵江河段上，是嘉陵江干流合川至河口段自下而上梯级开发的第二级，正常蓄水位203.00m，设计洪水位217.56m，校核洪水位220.81m，是以发展航运为主要目的，兼有发电、拦沙减淤、灌溉等其它效益的水资源综合利用工程。
冲沙闸孔口宽度为14.8m，弧形工作闸门高度25.5m，目前为国内外之最，属于超大型闸门。闸门采用三主横梁、三斜支臂结构，面板曲率半径为31m，支铰高度22m，门叶分8节制作，在安装现场焊接为一整体。闸门在最大开启高度27 m时，闸门底缘仍处于水下14.18m（校核水位），既在校核水位泄流时，处于局部开启状态。冲砂系统闸门支铰轴承采购进行国内公开招标，由于支铰轴承受力较大，且下游水位高，水流流态复杂，闸门支铰受正向水流的冲击与回水的淹没打击，标书要求支铰轴承采用国际知名品牌带密封圈自润滑球面滑动轴承，内径630mm。
二、技术条件
支铰自润滑球面滑动轴承受力特性表
1）轴承的工作环境：平时，闸门关闭处于挡水状态，轴承的工作环境为灰尘和潮湿的大气；当闸门开启冲沙闸泄洪时，轴承在水下工作。
2）正常操作工况下轴承承受的径向荷载为32000kN，轴向荷载为2200kN，轴承的运行方式为往复运动，每次运转的角度为62.5o，闸门的启闭机活塞速度为0.6m/min。轴承的操作使用温度为-20℃～+150℃。
3）轴承由一个带外球面的内圈和一个带内球面的外圈组成，外圈为纵向剖分式（轴向可分开）。
4）轴承内圈与外圈之间产生相对滑动，应设自润滑减摩材料，摩擦副材料的干摩擦系数不超过0.11。
5）自润滑球面滑动轴承应具有免维护功能，轴承使用过程中不需加油或其它润滑材料，工作寿命不低于30年。
6）轴承在水下工作，应具有双面水密功能。
三、轴承各项性能指标的校核
1，轴承的选择：
1）轴承型号：选择GEW630HFZB056-2RS双金属镶嵌自润滑关节轴承；
2）轴承形式：
（1） 外圈采取轴向分开型式（双半外圈），材料为双金属自润滑材料：表面层为三环公司高强铜合金，钢基体材料为GCr15SiMn正火处理，摩擦表面镶嵌固体润滑剂。铜合金表层与钢基体之间采取堆焊工艺，两者之间为冶金结合。
（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。
（3） 轴承的外圈两侧设有内置O型密封圈，实现双面水密封。
3）轴承规格尺寸：内径φ630mm，外径φ900mm，内圈宽度450mm，外圈宽度425mm。
2，轴承材料的机械性能：
见下表
轴承O型密封圈物理性能：见下表
轴承O型密封圈物理性能：见下表
3，轴承特性指标的校核：
1）轴承静承载能力：
GEW630HFZB056-2RS轴承的表面层材料为三环高强铜合金，屈服极限为500Mpa。如果以屈服极限作为许用静载，按镶嵌面积35%计算，则该轴承的许用静载为500×（1-35%）=325Mpa。由于球面轴承各点受力是不均衡的，最大压强是平均压强的1.334倍，因此允许的最大压强为325/1.334=243.6Mpa。按照243.6Mpa的许用静载比压计算，GEW630HFZB056-2RS的有效承载投影面积（去除两端密封沟槽）为313480mm2，则该关节轴承的许用静载荷为243.6Mpa×313480mm2=76373KN。
2）轴承动承载能力：
根据使用条件，径向荷载为Fr=32000kN，轴向荷载为Fa=2200kN，Fa/Fr=0.07，当量载荷系数为1.07,因此当量载荷为1.07×32000kN=34240KN。
表层材料为高强铜合金的双金属轴承材料的许用动载比压为160Mpa，许用动载荷为160Mpa×313480mm2=50157KN，对比当量载荷,安全系数为50157KN/34240KN=1.46,显然是安全可靠的。
3）轴承干摩擦系数：
2006年12月30日在大连理工大学振动与强度测试中心（MA认证测试单位）在CZS-4000数控自润滑轴承试验机上进行了双金属自润滑关节轴承性能测试，条件是：载荷83Mpa，线速度16mm/s，滑动距离1000m（相当于真机运行50年），结果是：摩擦系数为0.045——0.075，径向磨损量为0.065——0.11mm，表面状况良好并形成均匀连续的固体润滑膜。
另外，2005年为三峡右岸地下电站快速闸门定轮制作的GEW220XFZ5关节轴承在大型多功能试验机上进行了跑合和工况（破坏性）试验，试验结果是:干摩擦系数为0.086——0.091。
以上试验表明： GEW630HFZB056-2RS满足干摩擦系数小于0.11的要求。
试验都是在干摩擦条件下进行的，除了在安装过程中预先涂敷一层固体润滑膜以外，在轴承使用过程中不需加油或其它润滑材料，具有免维护功能，而且工作寿命不低于50年。
4）轴承的公差和径向游隙：
径向游隙：0.35——0.45mm。
以上公差和游隙符合ISO12240-1：1998(等同于GB/T9163-2001)的规定。
5）其他：
（1）轴承的配合表面和端面的粗糙度在Ra1.6μm以内；
（2）残磁强度：由于在轴承磨加工之后都要进行退磁处理，符合国家相关标准的规定；
（3）由于轴承在水下工作，不但轴承外圈要设置内置密封，轴承的两端压盖上也要设置密封装置，尽量避免水浸入轴承。
四、结论
通过以上对GEW630HFZB056-2RS轴承的动承载能力、静承载能力分析，摩擦系数以及寿命试验分析，完全满足重庆草街航电枢纽工程冲沙闸弧形工作闸门弧形闸门支铰轴承的各项技术要求，是可靠的。2005年和2006年重庆的石堤和酉酬工程在其弧门支铰上采用了GEW530HFZB056关节轴承，使用效果良好。2006年构皮滩的快速闸门上全部采用GEW220XFZB056关节轴承。2007年大顶山工程也采用了国产GEW440HFZB056关节轴承。草街工程采用的是国产的最大规格双金属自润滑轴承，这标志着该轴承的各项技术性能、工艺技术已经成熟、已进入大规模推广阶段。
1）轴承静承载能力：
GEW630HFZB056-2RS轴承的表面层材料为三环高强铜合金，屈服极限为500Mpa。如果以屈服极限作为许用静载，按镶嵌面积35%计算，则该轴承的许用静载为500×（1-35%）=325Mpa。由于球面轴承各点受力是不均衡的，最大压强是平均压强的1.334倍，因此允许的最大压强为325/1.334=243.6Mpa。按照243.6Mpa的许用静载比压计算，GEW630HFZB056-2RS的有效承载投影面积（去除两端密封沟槽）为313480mm2，则该关节轴承的许用静载荷为243.6Mpa×313480mm2=76373KN。
2）轴承动承载能力：
根据使用条件，径向荷载为Fr=32000kN，轴向荷载为Fa=2200kN，Fa/Fr=0.07，当量载荷系数为1.07,因此当量载荷为1.07×32000kN=34240KN。
表层材料为高强铜合金的双金属轴承材料的许用动载比压为160Mpa，许用动载荷为160Mpa×313480mm2=50157KN，对比当量载荷,安全系数为50157KN/34240KN=1.46,显然是安全可靠的。
3）轴承干摩擦系数：
2006年12月30日在大连理工大学振动与强度测试中心（MA认证测试单位）在CZS-4000数控自润滑轴承试验机上进行了双金属自润滑关节轴承性能测试，条件是：载荷83Mpa，线速度16mm/s，滑动距离1000m（相当于真机运行50年），结果是：摩擦系数为0.045——0.075，径向磨损量为0.065——0.11mm，表面状况良好并形成均匀连续的固体润滑膜。
另外，2005年为三峡右岸地下电站快速闸门定轮制作的GEW220XFZ5关节轴承在大型多功能试验机上进行了跑合和工况（破坏性）试验，试验结果是:干摩擦系数为0.086——0.091。
以上试验表明： GEW630HFZB056-2RS满足干摩擦系数小于0.11的要求。
试验都是在干摩擦条件下进行的，除了在安装过程中预先涂敷一层固体润滑膜以外，在轴承使用过程中不需加油或其它润滑材料，具有免维护功能，而且工作寿命不低于50年。
4）轴承的公差和径向游隙：
径向游隙：0.35——0.45mm。
以上公差和游隙符合ISO12240-1：1998(等同于GB/T9163-2001)的规定。
5）其他：
（1）轴承的配合表面和端面的粗糙度在Ra1.6μm以内；
（2）残磁强度：由于在轴承磨加工之后都要进行退磁处理，符合国家相关标准的规定；
（3）由于轴承在水下工作，不但轴承外圈要设置内置密封，轴承的两端压盖上也要设置密封装置，尽量避免水浸入轴承。
四、结论
通过以上对GEW630HFZB056-2RS轴承的动承载能力、静承载能力分析，摩擦系数以及寿命试验分析，完全满足重庆草街航电枢纽工程冲沙闸弧形工作闸门弧形闸门支铰轴承的各项技术要求，是可靠的。2005年和2006年重庆的石堤和酉酬工程在其弧门支铰上采用了GEW530HFZB056关节轴承，使用效果良好。2006年构皮滩的快速闸门上全部采用GEW220XFZB056关节轴承。2007年大顶山工程也采用了国产GEW440HFZB056关节轴承。草街工程采用的是国产的最大规格双金属自润滑轴承，这标志着该轴承的各项技术性能、工艺技术已经成熟、已进入大规模推广阶段。
