螺旋壓力機銅螺母支承鋼套失效機理及維修

孟慶東

安陽鋼鐵股份有限公司（455004）

經(jīng)調(diào)研,我國二十幾家內(nèi)燃機配件廠幾乎都是采有摩擦螺旋壓力機進行內(nèi)燃機氣門的熱鐓頭成型。摩擦螺旋壓力機的工作載荷為短期高峰負荷，該工件變形力通過滑塊、螺桿、銅螺母、支承鋼套等傳到機身上，使螺旋壓力機機身承受一個封閉力系的作用。支承套通過其法蘭支承圓環(huán)將變形力傳到機身上，這樣，該法蘭和筒壁過渡連接處的圓角由于頻繁的沖擊力作用而產(chǎn)生疲勞裂紋,裂紋擴展到一定程度使法蘭產(chǎn)生脫落。螺桿、螺母和支承鋼套相對機身產(chǎn)生移動而導致“冒頂”事故的發(fā)生，而且較為普通。

1 銅螺母支承鋼套產(chǎn)生破壞的機理

J53-300型雙盤摩擦螺旋壓力機的銅螺母支承銅套如圖1所示。該支承鋼套在法蘭處用3個Φ30的圓柱銷定位，防止其相對機身發(fā)生轉(zhuǎn)動，鋼套依靠其法蘭支承在上橫梁上，該鋼套頂部有6個M20的螺紋孔，通過這6個螺紋孔用6個雙頭螺栓將螺母支承鋼套吊起來，使鋼套的法蘭平面緊緊和機身上橫梁貼合。這6個雙頭螺栓承受著螺旋壓力飛輪，螺桿、螺母、支承鋼套和滑塊部件等相關(guān)零件的重量之和，以免這些零件因自重向下滑。

圖1 銅螺母支承鋼套

該螺旋壓力機的工作機構(gòu)中和螺桿相配的銅螺母采用錫青銅6-6-3，造價2萬多元，銅螺母和支承鋼套之間采用過盈配合，產(chǎn)生的正壓力應足夠大，使得由正壓力引起的摩擦力足以抵消銅螺母、飛輪、螺桿及滑塊部件的重量。為了防止銅螺母相對于支承鋼套發(fā)生轉(zhuǎn)動,在兩者的圓周交界面上共采用了4個Φ30mm的圓柱銷定位固定（見圖1）。

工件變形抗力通過上模，滑塊、螺桿、銅螺母傳到支承鋼套頂部由Φ280mm和Φ227mm構(gòu)成的圓環(huán)臺階面處使支承鋼套上移.這樣就造成鋼套底部的法蘭Φ440mm和Φ380mm構(gòu)成的圓環(huán)面緊緊和機身上橫梁貼合在一起，使支承鋼套直筒壁部分產(chǎn)生拉伸變形。這樣圖1中的支承鋼套的受力情況除了不承受內(nèi)壓外，和文獻[2]中液壓缸很相像，因此，完全可以依照文獻[2]中對液壓缸建立的強度設計理論過程，建立支承鋼套的設計理論。但螺旋壓力機負荷的沖擊性比液壓機負荷大得多，所以，鋼套法蘭和直筒壁部分之間的過渡圓角處更易產(chǎn)生疲勞裂紋。

當取液壓為20MPa時,產(chǎn)生3MN的力所需的油缸的內(nèi)徑大致為Φ440mm,這樣，就可應用文獻[2]中第38頁對液壓缸尺寸進行設計的經(jīng)驗公式，經(jīng)計算可知，圖l中法蘭圓角的半徑為7.5～12.5mm,而圖中的圓角半徑僅為4mm，所以，圖1中的圓角處極易產(chǎn)生疲勞裂紋，該支承鋼套在工作時，疲勞裂紋首先在此處萌生，然后逐漸沿環(huán)向內(nèi)壁擴展，最后裂透。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，圖1中支承鋼套頂部的6個螺栓在螺旋壓力機工作一段時間后產(chǎn)生松動,從而造成在滑塊停止運動時，在鋼套法蘭與機身上橫梁之間產(chǎn)生縫隙。而在鍛造時，工件變形抗力又使鋼套上移消除了該間隙,這樣更加劇了作用于法蘭處載荷的沖擊性，產(chǎn)生疲勞裂紋的傾向加大。另一方面，在鍛造開始消除該間隙的過程中，鍛造力僅作用于機身的下橫梁而不作用于上橫梁,這樣導致機身不承受封閉力系的作用,巨大的鍛造力就會使螺旋壓力機對地基產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而對周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴重的振動和噪聲污染。

因此,鋼套頂部的6個螺栓應具有足夠大的預緊力,并具有良好的防松功能,在鍛造力使鋼套產(chǎn)生軸向伸長(如圖l所示)，使得6個螺栓上移時仍存在拉應力而緊緊拉住鋼套。這樣在鍛造結(jié)束后滑塊停止運動時，6個螺栓更是緊緊地拉住支承鋼套,從而保證了支承鋼套法蘭和上橫梁之間不出現(xiàn)縫隙。

圖2 無法蘭的支承鋼套結(jié)構(gòu)

鑒于法蘭式支承鋼套在法蘭圓角處極易產(chǎn)生疲勞裂紋。為此，特提出如圖2所示的無法蘭的支承鋼套新式結(jié)構(gòu)，這樣在鍛造時,支承鋼套僅承受壓縮應力的作用。當不鍛造時，整個落下部分的重量作用于端蓋上。當然這就要求端蓋上的緊固螺栓應具有足夠的預緊力和良好的防松功能。

2 支承鋼套維修中存在的問題及解決方法

通常銅螺母在事故后仍完好無損,加之銅螺母整個造價2萬多元且加工制造周期長,故在維修時常采用將鋼套割開，而銅螺母則完好無損地保留下來,然后重新加工制造一個新鋼套。新鋼套的結(jié)構(gòu)尺寸與原來的相同。

加工新鋼套時，鋼套內(nèi)徑Φ280mm的公差如何選擇是非常關(guān)鍵的,摩擦壓力機的使用說明書中通常沒有鋼套的零件圖,加之我國目前正在服役的大多數(shù)摩擦壓力機的生產(chǎn)廠停辦或早已改產(chǎn)，因此，鋼套內(nèi)徑尺寸的確定給使用廠帶來了困難，鋼套和銅螺母配合的過盈量太大，導致銅螺母產(chǎn)生過大的收縮變形，因而螺桿在螺母內(nèi)運動的靈活性變差，加大了兩者之間的摩擦阻力，降低了工作時的能量利用率。相反，過盈量太小，由此產(chǎn)生摩擦力太小，可能導致該過盈配合產(chǎn)生的摩擦阻力不足以抵消摩擦壓力機落下部分的重量，而使設備無法正常工作。

采用熱套裝方法常常選擇的過盈量為0.9～1.5mm，由于過盈量太大,銅螺母在熱套裝結(jié)束后都要采取精修銅螺母的螺紋牙齒尺寸和車削端面。但使用廠通常不具備在本廠加工銅螺母螺紋的條件。因此選擇兩者之間的過盈量時不能按照使用廠推薦的值。大量計算也表明，要由過盈量產(chǎn)生的正壓力引起的鋼套和銅螺母之間的摩擦力抵消設備落下部分的重量，往往也不必有0.9～1.5mm那么大的過盈量。

國內(nèi)某廠在選擇J53-300型摩擦壓力機鋼套內(nèi)徑尺寸時，將鋼套和銅螺母之間的過盈量選為1.1mm，然后采用熱套裝的方法進行兩者的裝配,當兩者冷卻到室溫時,驚奇地發(fā)現(xiàn)銅螺母和鋼套之間產(chǎn)生了間隙,雙面間隙值達到1.05mm，并且銅螺母產(chǎn)生了軸向伸長，伸長量達9.8mm，因此，該熱套裝方法是失敗的。

經(jīng)分析產(chǎn)生這種異?，F(xiàn)象的原因如下:

1）熱套裝時加熱溫度太高。黃銅在20～300℃范圍內(nèi)線膨脹系數(shù) α銅=20.9×10-6／℃[3]。 而碳鋼在 20～300 ℃時的線膨脹系數(shù) α鋼=(12.1～13.5)×10-6／℃,在 20～600 ℃時為 α鋼=(13.5～l4.3)×10-6／℃[3],所以，黃銅的熱脹量在同一溫度下遠比鋼大。由文獻[3]中表l-l3可知，在0～100℃范圍內(nèi)，鋼和黃銅的導熱系數(shù)分別為 46.52W／(m·℃)，93.04W／(m·℃),熔點分別為l400～1500℃，950℃，所以，黃銅的導熱性比鋼好1倍。這樣，當將銅套放入已具有足夠溫度的鋼套內(nèi)時,銅套會迅速脹大并和銅套卡緊。如果加熱溫度過高，會使銅套和鋼套脹得太緊，以致于巨大的徑向力會使銅套產(chǎn)生軸向伸長，溫度降低后,可能因銅的收縮量比鋼大而在兩者之間的配合面上形成間隙。

該廠在實施這一熱套裝工藝時,剛開始鋼套加熱到450℃時，銅螺母放入鋼套內(nèi)仍很費勁，因此，現(xiàn)場臨時決定將鋼套溫度提高到近600℃,這樣銅螺母很順利地放入到鋼套內(nèi)，但冷卻后兩者之間出現(xiàn)間隙，并且銅螺母已產(chǎn)生軸向伸長。因為銅的導熱性很好，當銅螺母放入溫度近600℃的鋼套內(nèi)時，銅螺母的溫度少說也有500℃，這樣銅螺母在尺寸Φ280mm處的熱脹量為2.926mm,而鋼套在尺寸Φ280mm處的熱脹量為l.96mm。銅的熱脹量2.926mm是按銅在20～300℃范圍內(nèi)的熱脹系數(shù)計算的，而在500℃時的熱脹系數(shù)肯定比20.9×10-6／℃大,因此,銅的熱脹量比 2.926mm要大，這樣,鋼套必然對銅螺母產(chǎn)生巨大的徑向壓緊力而使其產(chǎn)生軸向伸長，而冷卻后徑向又出現(xiàn)間隙。理論上簡單估算，對Φ280mm的尺寸，鋼套和銅套之間產(chǎn)生l.1mm的過盈量時，加熱溫度達到300℃就足夠了。但實際上由于銅螺母變形等原因，會有加熱到450℃時仍裝不進去的現(xiàn)象發(fā)生。

2）過盈量選擇過大必然造成加熱溫度高。如前所述，加熱溫度高，會產(chǎn)生一系列不良后果。查文獻[3]表3-6和表3-7就可知就是很緊的配合,通常最大作到的配合,再緊的配合一般不推薦使用。這里為了保證順利裝配，應先將銅螺母外徑和鋼套相配合部分精車，使其具有良好的同軸度及較高的光潔度，粗糙度最多也不能大3.2，然后采用基軸制，選擇支承鋼套的內(nèi)徑尺寸及公差。對J53-300型摩擦壓力機支承鋼套而言，仍以Φ280mm為基礎尺寸時，鋼套的公差分別為很顯然該公差值比通常制造廠提供的0.9～1.5mm小得多,但根據(jù)文獻[3]第726頁表3-31的靜配合聯(lián)接計算所需的過盈量時,最小過盈僅為0.042 mm，遠比S7的值小。所以，作為使用廠在維修支承鋼套時，應先精車銅螺母外徑,使其具有良好的同軸度，然后采用基軸制，嚴格來說由文獻[3]表3-31進行靜配合聯(lián)接計算確定過盈量大小,為了簡單,采用的過盈配合已能滿足要求。

但是,該廠的銅螺母和支承鋼套的配合面處已出現(xiàn)了間隙，而又不想使現(xiàn)有的銅螺母和支承鋼套報廢，為此，決定采用4個Φ20mm的圓柱銷沿徑向打入,將銅螺母和鋼套聯(lián)成一體。使兩者之間不會產(chǎn)生軸向的相對位移(如圖2所示)。為了防止銅螺母在支承鋼套內(nèi)產(chǎn)生徑向游動,應設法消除徑向1.05mm的間隙。為此，在打入4個Φ20mm的圓柱銷前，在鋼套和銅螺母配合面處灌入環(huán)氧樹脂膠，該膠完全凝固之后，再打入4個徑向Φ20mm的圓柱銷。

采取上述補救措施后,將鋼套和銅螺母重新裝入設備上，運行1年多，銅螺母和鋼套工作正常，未發(fā)生任何事故，從而避免了重新加工鋼套本身造成的經(jīng)濟損失和設備停用所造成的經(jīng)濟損失。采用此項補救措施，為工廠挽回經(jīng)濟損失至少5萬元。

作者認為，在條件許可的情況下，不管是摩擦壓力機的制造廠還是使用廠,在進行鋼套和銅螺母的過盈裝配時,采用冷縮法比熱裝法好。因為采用冷縮法時，鋼套和銅螺母之間的配合在裝配過程中是越來越緊，而采用熱裝法，兩者之間的配合卻是先松后緊再松，加熱溫度把握不好，還會使銅螺母產(chǎn)生軸向伸長，導致裝配失效。并且冷縮法對鋼套和銅螺母表面粗糙度損傷小。

3 結(jié)論

1）螺旋壓力機發(fā)生“冒頂”事故是由于支承鋼套失效引起的，支承鋼套為法蘭式結(jié)構(gòu)時，法蘭與筒壁過渡圓角處受力最為惡劣,其破壞方式為應力集中引起的疲勞裂紋擴展最終產(chǎn)生斷裂造成的。2）采用法蘭式支承鋼套結(jié)構(gòu)時，其尺寸可按文獻[2]第38頁液壓缸的經(jīng)驗尺寸設計，特別是法蘭和直筒壁圓角過渡處圓角至少應在0.15～0.25倍的缸壁厚度范圍內(nèi)選取。此外支承鋼套頂部的螺栓應具有足夠大的預緊力，當摩擦螺旋壓力機鍛造時對地基產(chǎn)生巨大的沖擊時，極有可能是該緊固螺栓發(fā)生松動。3）鋼套較為理想的結(jié)構(gòu)為無法蘭的直筒式結(jié)構(gòu)，法蘭式結(jié)構(gòu)受力情況不好，應提倡淘汰該法蘭式結(jié)構(gòu)。4）當發(fā)生“冒頂”事故后，可用氣割的方法將支承鋼套破壞，而銅螺母保留下來再用，并采用重新加工一個新鋼套的方法進行維修。銅螺母和鋼套配合處的外圓應精車，保證其外徑具有良好的同軸度和光潔度，兩者之間采用基軸制，配合過量或根據(jù)文獻[3]中表3-31進行理論計算，或直接采用的配合，基本尺寸依據(jù)精車后的銅螺母外徑尺寸來確定。5）銅螺母和支承鋼套之間的過盈裝配方法采用冷縮法比熱裝法好。采用熱裝法時，一定要嚴格控制加熱溫度。6）銅螺母和支承鋼套之間除采用過盈配合的方式外，也可采取沿徑向用圓柱銷聯(lián)接的方式，這往往也是在熱裝法失效時的一個很好的補救方法。

[1]高乃光.鍛錘[M].機械工業(yè)出版杜,1987.

[2]俞新陸.液壓機[M].機械工業(yè)出版社,1982.

[3]《機械設計手冊》聯(lián)合編寫組.機械設計手冊(第二版)[M].化學工業(yè)出版社,1987.