螺旋壓力機(jī)銅螺母支承鋼套失效機(jī)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(jī)配件廠幾乎都是采有摩擦螺旋壓力機(jī)進(jìn)行內(nèi)燃機(jī)氣門的熱鐓頭成型。摩擦螺旋壓力機(jī)的工作載荷為短期高峰負(fù)荷，該工件變形力通過滑塊、螺桿、銅螺母、支承鋼套等傳到機(jī)身上，使螺旋壓力機(jī)機(jī)身承受一個(gè)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(jī)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(kuò)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(jī)身產(chǎn)生移動(dòng)而導(dǎo)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(jī)理

J53-300型雙盤摩擦螺旋壓力機(jī)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(gè)Φ30的圓柱銷定位，防止其相對機(jī)身發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼套依靠其法蘭支承在上橫梁上，該鋼套頂部有6個(gè)M20的螺紋孔，通過這6個(gè)螺紋孔用6個(gè)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(jī)身上橫梁貼合。這6個(gè)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(jī)的工作機(jī)構(gòu)中和螺桿相配的銅螺母采用錫青銅6-6-3，造價(jià)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(yīng)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(dòng),在兩者的圓周交界面上共采用了4個(gè)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(jī)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(xiàn)[2]中液壓缸很相像，因此，完全可以依照文獻(xiàn)[2]中對液壓缸建立的強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論過程，建立支承鋼套的設(shè)計(jì)理論。但螺旋壓力機(jī)負(fù)荷的沖擊性比液壓機(jī)負(fù)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(dāng)取液壓為20MPa時(shí),產(chǎn)生3MN的力所需的油缸的內(nèi)徑大致為Φ440mm,這樣，就可應(yīng)用文獻(xiàn)[2]中第38頁對液壓缸尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，經(jīng)計(jì)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(shí)，疲勞裂紋首先在此處萌生，然后逐漸沿環(huán)向內(nèi)壁擴(kuò)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(gè)螺栓在螺旋壓力機(jī)工作一段時(shí)間后產(chǎn)生松動(dòng),從而造成在滑塊停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，在鋼套法蘭與機(jī)身上橫梁之間產(chǎn)生縫隙。而在鍛造時(shí)，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(jī)身的下橫梁而不作用于上橫梁,這樣導(dǎo)致機(jī)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(jī)對地基產(chǎn)生巨大的沖擊力，從而對周圍環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的振動(dòng)和噪聲污染。

因此,鋼套頂部的6個(gè)螺栓應(yīng)具有足夠大的預(yù)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(gè)螺栓上移時(shí)仍存在拉應(yīng)力而緊緊拉住鋼套。這樣在鍛造結(jié)束后滑塊停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，6個(gè)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(shí),支承鋼套僅承受壓縮應(yīng)力的作用。當(dāng)不鍛造時(shí)，整個(gè)落下部分的重量作用于端蓋上。當(dāng)然這就要求端蓋上的緊固螺栓應(yīng)具有足夠的預(yù)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(gè)造價(jià)2萬多元且加工制造周期長,故在維修時(shí)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(gè)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(shí)，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(jī)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(jī)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(dǎo)致銅螺母產(chǎn)生過大的收縮變形，因而螺桿在螺母內(nèi)運(yùn)動(dòng)的靈活性變差，加大了兩者之間的摩擦阻力，降低了工作時(shí)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(dǎo)致該過盈配合產(chǎn)生的摩擦阻力不足以抵消摩擦壓力機(jī)落下部分的重量，而使設(shè)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(shí)不能按照使用廠推薦的值。大量計(jì)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(shè)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(jī)鋼套內(nèi)徑尺寸時(shí)，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(jìn)行兩者的裝配,當(dāng)兩者冷卻到室溫時(shí),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(dá)到1.05mm，并且銅螺母產(chǎn)生了軸向伸長，伸長量達(dá)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(shí)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(shí)的線膨脹系數(shù) α鋼=(12.1～13.5)×10-6／℃,在 20～600 ℃時(shí)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(yuǎn)比鋼大。由文獻(xiàn)[3]中表l-l3可知，在0～100℃范圍內(nèi)，鋼和黃銅的導(dǎo)熱系數(shù)分別為 46.52W／(m·℃)，93.04W／(m·℃),熔點(diǎn)分別為l400～1500℃，950℃，所以，黃銅的導(dǎo)熱性比鋼好1倍。這樣，當(dāng)將銅套放入已具有足夠溫度的鋼套內(nèi)時(shí),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(shí)施這一熱套裝工藝時(shí),剛開始鋼套加熱到450℃時(shí)，銅螺母放入鋼套內(nèi)仍很費(fèi)勁，因此，現(xiàn)場臨時(shí)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?yàn)殂~的導(dǎo)熱性很好，當(dāng)銅螺母放入溫度近600℃的鋼套內(nèi)時(shí)，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(jì)算的，而在500℃時(shí)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(shí)，加熱溫度達(dá)到300℃就足夠了。但實(shí)際上由于銅螺母變形等原因，會有加熱到450℃時(shí)仍裝不進(jìn)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(xiàn)[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(yīng)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(jī)支承鋼套而言，仍以Φ280mm為基礎(chǔ)尺寸時(shí)，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(xiàn)[3]第726頁表3-31的靜配合聯(lián)接計(jì)算所需的過盈量時(shí),最小過盈僅為0.042 mm，遠(yuǎn)比S7的值小。所以，作為使用廠在維修支承鋼套時(shí)，應(yīng)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(yán)格來說由文獻(xiàn)[3]表3-31進(jìn)行靜配合聯(lián)接計(jì)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(bào)廢，為此，決定采用4個(gè)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(dòng),應(yīng)設(shè)法消除徑向1.05mm的間隙。為此，在打入4個(gè)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(gè)徑向Φ20mm的圓柱銷。

采取上述補(bǔ)救措施后,將鋼套和銅螺母重新裝入設(shè)備上，運(yùn)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(jì)損失和設(shè)備停用所造成的經(jīng)濟(jì)損失。采用此項(xiàng)補(bǔ)救措施，為工廠挽回經(jīng)濟(jì)損失至少5萬元。

作者認(rèn)為，在條件許可的情況下，不管是摩擦壓力機(jī)的制造廠還是使用廠,在進(jìn)行鋼套和銅螺母的過盈裝配時(shí),采用冷縮法比熱裝法好。因?yàn)椴捎美淇s法時(shí)，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(dǎo)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(jī)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(shí)，法蘭與筒壁過渡圓角處受力最為惡劣,其破壞方式為應(yīng)力集中引起的疲勞裂紋擴(kuò)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(shí)，其尺寸可按文獻(xiàn)[2]第38頁液壓缸的經(jīng)驗(yàn)尺寸設(shè)計(jì)，特別是法蘭和直筒壁圓角過渡處圓角至少應(yīng)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(yīng)具有足夠大的預(yù)緊力，當(dāng)摩擦螺旋壓力機(jī)鍛造時(shí)對地基產(chǎn)生巨大的沖擊時(shí)，極有可能是該緊固螺栓發(fā)生松動(dòng)。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(yīng)提倡淘汰該法蘭式結(jié)構(gòu)。4）當(dāng)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(gè)新鋼套的方法進(jìn)行維修。銅螺母和鋼套配合處的外圓應(yīng)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(xiàn)[3]中表3-31進(jìn)行理論計(jì)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(shí)，一定要嚴(yán)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(shí)的一個(gè)很好的補(bǔ)救方法。

[1]高乃光.鍛錘[M].機(jī)械工業(yè)出版杜,1987.

[2]俞新陸.液壓機(jī)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1982.

[3]《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第二版)[M].化學(xué)工業(yè)出版社,1987.