大型支鉸軸冷凍裝配的分析與計算

羅 永 川

(中國水利水電夾江水工機械有限責任公司，四川 夾江 614100)

1 概 述

水電站的弧形工作閘門支鉸裝置是弧形工作閘門的主要受力裝置，其組裝質量決定著弧形工作閘門的工作壽命。一般而言，支鉸軸在支鉸部件裝配過程中往往采用冷凍裝配方式，通常需要對相關工藝參數(shù)進行計算以確定詳細的裝配工藝參數(shù)。以白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門支鉸裝置的裝配為例，討論了支鉸軸冷凍裝配過程需要確定的裝配工藝參數(shù)和裝配工藝方法。

白鶴灘水電站為I等大(1)型工程，電站建成后將僅次于三峽水電站成為中國第二大水電站。白鶴灘水電站共設置了7孔深孔弧形工作閘門，分別設置在4個不同高程，孔口尺寸為5.5 m×8 m,弧面曲率半徑為R15004±1，弧面精加工后，表面覆貼材質為06Cr19Ni10的4 mm厚不銹鋼板，工作閘門主止水采用充壓式止水。在其制造過程中，有針對性地實施了《金沙江白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門制造》專項科研課題并報送中國水利水電第七工程局有限公司。

水電站深孔弧形工作閘門支鉸裝置常規(guī)的裝配方式為工裝壓裝法和冷凍裝配法。工裝壓裝法適用于支鉸裝置結構簡單、裝配間隙較大的情況，該方法的優(yōu)點是經濟實用；缺點是不適用結構相對復雜且裝配配合關系多種的結構，各裝配件位置調整難度較大，容易在裝配過程中損傷配合表面而導致降低了裝配質量，甚至會出現(xiàn)裝配件報廢的情況。冷凍裝配法的特點主要是增大裝配間隙，降低裝配難度，滿足裝配關系。白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門的支鉸裝置主要由活動鉸、固定鉸、支鉸軸、自潤滑球面滑動軸承、壓環(huán)、擋環(huán)和軸肩環(huán)等零件組成，單套支鉸裝置重49.5 t，支鉸軸直徑為850 mm，總長1 520 mm，零件重量為6 548 kg。通過對各配合關系進行分析得知：支鉸軸在整個裝配過程中的最小配合間隙為0.026 mm，通過常溫直接用工裝壓裝法完成裝配風險較大。因此，必須采用支鉸軸冷凍裝配法方能滿足裝配要求及裝配質量。

白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門支鉸裝置的裝配過程為：將自潤滑球面滑動軸承裝入活動鉸的內孔中,并用壓環(huán)及螺栓將其固定在活動鉸上；將一件擋環(huán)用螺栓固定在固定鉸的外側，然后將活動鉸和自潤滑球面滑動軸承組合體和固定鉸分別向上放置在一條軸線上,在活動鉸和固定鉸之間放入軸肩環(huán)等零件，并將各零件內孔調整在一個圓柱面上，再將經過冷凍后的支鉸軸穿入活動鉸和自潤滑球面滑動軸承組合體和固定鉸中心的內孔中，當支鉸軸到達固定鉸下面的擋環(huán)時，將另外一件擋環(huán)用螺栓固定在固定鉸朝上的平面上，從而完成深孔弧形工作閘門支鉸裝置的裝配。待支鉸軸恢復常溫后，臨時固定固定鉸，轉動活動鉸，檢測其轉動至無卡阻、轉動角度滿足設計需求為止。

2 裝配過程分析

冷凍裝配是裝配方法的一種，它是利用材料熱脹冷縮的原理將需裝配件先冷凍、使零件尺寸收縮(將過盈配合變?yōu)殚g隙配合)后再進行裝配。冷凍裝配方案相較于加熱裝配和普通裝配，冷凍裝配更能降低裝配工人的勞動強度，減少裝配過程中的危險，提高勞動效率和裝配質量，避免母材及其配合零件損傷等。該方法廣泛用于銅/鋼套、軸承、支鉸軸、模具的裝配。由于支鉸裝置的特殊性，多年來支鉸軸的裝配一直采用冷凍裝配工藝。

支鉸軸的冷凍裝配工藝過程可以采用氣態(tài)冷凍和完全浸泡冷凍法。因為支鉸軸體積大、配合面大，通常采用支鉸軸經液氮完全浸泡的裝配方法，其工作溫度可以達到-196 ℃，也就是說：在裝配過程中，支鉸軸實際上是進行了一次深冷處理。其具有的最大缺點是熱沖擊性大，其冷凍工件內部可能產生組織缺陷，甚至會造成工件變形或開裂。因此，必須控制工件的升降溫速度，避免因冷熱導致的工件內部出現(xiàn)熱應力。

根據(jù)深冷處理的作用機理，在支鉸軸裝配前的降溫過程中，一部分殘余奧氏體會發(fā)生相變而轉變?yōu)樾碌鸟R氏體，同時也促進了碳化物的析出，在一定程度上提高了工件的硬度和強度，使材料的韌性增加，金屬基體會更加穩(wěn)定。但殘余奧氏體的相變會引起工件中各種組織體積比例的變化，從而引起工件內部的應力發(fā)生變化。

在支鉸軸冷凍裝配過程中，需要特別注意的是：由于支鉸軸工件尺寸較大，其工件內部可能存在各種組織缺陷，冷凍過程中容易引起局部的變形開裂。因此，應控制其冷凍速度和時間以減小熱應力，避免工件變形開裂。另外，冷凍裝配之后應及時回火，以獲得穩(wěn)定的回火馬氏體組織，并使少量的殘余奧氏體進一步轉化和穩(wěn)定化，以消除部分熱應力。

3 冷凍裝配工藝參數(shù)的計算

3.1 裝配間隙的計算

白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門支鉸裝置的自潤滑球面滑動軸承及活動鉸與支鉸軸的配合為間隙配合。其部分相關數(shù)據(jù)為：支鉸軸與固定鉸和自潤滑球面滑動軸承的配合直徑為850 mm, 支鉸軸與自潤滑球面滑動軸承的配合長度為600 mm, 支鉸軸與固定鉸的配合長度為1 420 mm, 所采用的配合均為間隙配合：Φ850 mmH8/g7。

3.1.1 最小配合間隙

零件最小配合間隙的計算式為[1]：

Xmin=Dmin-dmax

(1)

式中Xmin為最小配合間隙；Dmin為孔的最小極限尺寸：dmax為軸的最大極限尺寸。

固定鉸和自潤滑球面滑動軸承孔的最小極限尺寸為Φ850 mm，支鉸軸的最大極限尺寸為Φ849.974 mm。[2]

由式(1)得：Xmin=0.026 mm。

3.1.2 零件的圓柱度公差

一般重型機械零件的未注圓柱度公差取零件公差值的70%計算。固定鉸或自潤滑球面滑動軸承孔的內徑公差為0.14 mm，其圓柱度公差取0.098 mm。支鉸軸的外徑公差為0.09 mm，其圓柱度公差取0.063 mm。

3.1.3 裝配間隙的確定

根據(jù)上述計算，對支鉸軸的裝配而言，最低極限的間隙=固定鉸或自潤滑球面滑動軸承孔的圓柱度公差+支鉸軸的圓柱度公差-支鉸軸與固定鉸和自潤滑球面滑動軸承的最小配合間隙。計算結果為0.135 mm。

通常冷凍裝配工藝推薦的裝配間隙為配合零件直徑的0.05%～0.1%(即0.425～0.85 mm)。結合上述計算結果，考慮到裝配的需要確定白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門支鉸裝置的裝配間隙為0.425 mm。

3.2 冷凍溫度的驗算

對于采用液氮浸泡法降溫的冷凍裝配，冷凍溫度驗算的目的是確認支鉸軸在-196℃的狀態(tài)下能否獲得適當?shù)难b配間隙。采用液氮氣態(tài)法降溫的冷凍裝配是需要設定的工作溫度。冷凍溫度T的計算公式為[2，3]：

T=To-ek/αo×d

(2)

式中To為室溫(以成都平原多年平均氣溫16.1 ℃計算)；ek為冷凍時需要的間隙(0.425 mm)；d為支鉸軸的外徑(850 mm) ；αo為零件線膨脹系數(shù)(文獻[2]中鋼質材料熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃)。

由式(2)得：T= 16.1-0.425 /1.2×10-5×850=-25.6( ℃)。

理論上，當支鉸軸的溫度降低到-25.6 ℃即可滿足冷凍裝配的間隙要求。鑒于此溫度要求，比較合理的方式就是采用液氮氣態(tài)法降溫?？紤]到液氮氣態(tài)法降溫需要專用的冷處理爐，但在實際應用時仍采用液氮浸泡法降溫。

3.3 等溫時間的計算

冷凍工件達到儀表顯示的溫度時，只是表明此時是工件的表面溫度，并不能代表工件內部實際已經達到所需的溫度。為了使大型工件的內部全部達到需要的實際溫度，則需要通過一段等溫時間。圓截面工件的等溫公式為：

t=D×c×t終/(t冷劑+30)

(3)

式中t為等溫時間，min；t終為工件的最終處理溫度(取支鉸軸的裝配溫度-25.6 ℃)；t冷劑為冷凍劑的溫度(取液氮溫度-196 ℃)；D為圓形工件的有效厚度(取支鉸軸的半徑425 mm)；c為常數(shù)(工件在冷凍劑直接交換熱量時c=1)。

由式(3)得：t=425×1×(-25.6)/(-196+30)=65.5(min)。

鑒于支鉸軸工件屬于大型工件，經綜合考慮工件各部位實際溫度存在的差異和計算結果，最終確定的等溫時間為2 h。

3.4 冷凍裝配工藝的選擇

冷凍裝配在機械行業(yè)是一種特殊的裝配工藝，對工序的要求較為苛刻。下述情形能夠說明冷凍裝配工藝工序要求的復雜與嚴苛程度。

美國吉列公司剃須刀片的冷處理方案：以每min降低0.25 ℃～0.5 ℃以內的速度降低到-185 ℃，降溫時間約12 h,然后保溫24～36 h，再緩慢以每min上升0.25 ℃～0.5 ℃以內的速度升到室溫，升溫時間約12 h，再經過8 h達到更高的溫度(+160 ℃)。整個過程需要54～66 h左右。

根據(jù)文獻[4]推薦：以每min降低0.5 ℃～6 ℃以內的速度降低到-190 ℃，降溫時間約7 h,然后保溫1～4 h，再緩慢地以每min上升2 ℃～10 ℃以內的速度升到室溫，升溫時間約2 h(亦可使工件在空氣中自然回溫)。繼續(xù)經過2 h，在回火爐中加熱達到+160 ℃的溫度，然后再經過2 h隨爐冷卻至室溫，整個過程需要14～17 h左右[4]。

參考上述工藝要求和冷凍裝配的計算結果，將支鉸裝置的冷凍裝配工藝確定為：將支鉸軸放入容器中，注入液氮。當支鉸軸裸露在空氣中的部分的溫度達到-30 ℃后開始計時。經過2 h等溫時間后，用量具檢測確認支鉸軸直徑收縮0.425 mm，用起重機吊起支鉸軸進行裝配，當支鉸軸的軸向尺寸到位后，用工業(yè)保溫棉進行有效的覆蓋，防止工件溫度快速回升。

4 裝配工藝的注意事項

支鉸軸冷凍裝配為多年形成的成熟工藝，但該裝配工藝并非完美無缺，仍存在優(yōu)化的空間。通過控制冷凍速度和時間、盡量減小工件內部的溫度應力可以避免工件變形與開裂。另外，由于冷卻劑的大量使用提高了裝配成本，同時冷凍裝配的操作時間較長導致操作人員的安全風險較高，故該方法屬于不太經濟的裝配工藝。

從冷凍溫度的驗算結果可知：采用專用的冷處理爐進行液氮氣態(tài)法降溫是一種較佳的選擇。因為若將支鉸軸降溫到-25.6 ℃以下較易實現(xiàn)，則對支鉸軸組織的影響很小，從而可以有效降低熱應力，防止工件變形開裂，對于提高產品質量具有非常積極的意義；其缺點是這種裝配工藝需要特制的冷處理設備。

如果采用加熱裝配，可以避免由于冷凍裝配引起的溫度應力，在需要獲得同樣的裝配間隙時，固定鉸和自潤滑球面滑動軸承的加熱溫度由式(4)確定：

T=To+b/ao×d

(4)

式中各指標的含義與式(2)相同，其計算結果為57.8 ℃。

從以上計算結果可以看出：如果使用比57.8 ℃更高的加熱溫度，即可獲得更大的裝配間隙。參考橡膠密封件的使用溫度，將固定鉸和自潤滑球面滑動軸承及密封件一起加熱到90 ℃左右并不會影響橡膠密封件的使用性能。因此，采用加熱裝配也是一種較好的選擇。當然，這種裝配工藝需要特制的加熱設備。

理論上，對冷凍裝配后的支鉸裝置應該在+140 ℃～+160 ℃溫度下的加熱爐中進行回火處理[5]。但是，在實際裝配作業(yè)中，因支鉸裝置常有橡膠密封而不宜進行低溫回火處理。因此，所采用的裝配工藝是基于生產現(xiàn)狀而進行的現(xiàn)實選擇。

為保證裝配質量，冷凍裝配的注意事項為：(1)零件冷凍前需將其表面油污、毛刺清理干凈；(2)如果同時冷凍多種規(guī)格和材質的零件，需對零件進行編號；(3)零件在冷凍裝置里應排列整齊，冷凍速度不宜過快以避免溫度急劇下降導致零件產生內傷；(4)裝配前，應將包容件的毛刺清理干凈并將其表面擦拭干凈，將孔的內壁擦拭干凈后再將包容件整齊排列待裝配；(5)裝配時動作應迅速，如果出現(xiàn)裝配不順的情況，需用銅棒輔以工裝輕輕敲擊；(6)當零件表面凝結厚霜時不得裝配；(7)零件吊裝過程中應防止磕碰；(8)雖然液氮為非易燃物，但在其使用、運輸和貯藏液氮時必須注意安全。為了保證裝配安全，作業(yè)時應佩戴防凍手套，不要用手直接接觸液氮，并且應防止液氮濺到身上引發(fā)凍傷；應在通風的場所使用液氮，以防氮氣使人窒息；裝運液氮時，不要將液氮封裝過嚴，以防發(fā)生物理爆炸等危險。

5 結 語

通過對支鉸軸冷凍裝配進行分析與計算，以及對裝配工藝進行的改進討論，目前所實施的弧形工作閘門支鉸裝置的冷凍裝配工藝僅僅滿足了工廠現(xiàn)實狀況的需要，還不能完全規(guī)避冷凍工藝過程產生的缺陷，屬于存在一定質量風險的冷凍裝配工藝。希望本文能夠促進未來支鉸軸冷凍裝配工藝的迭代優(yōu)化?！督鹕辰Q灘水電站深孔弧形工作閘門制造》專項科研課題現(xiàn)已完成并已獲獎。