大型電動(dòng)閘門傳動(dòng)螺母冷凍裝配工藝探討

楊 龍

（上海城投污水處理有限公司，上海）

引言

華東地區(qū)某污水公司下屬污水處理廠頂管工作井按制閘門選用的是雙螺桿傳動(dòng)電動(dòng)閘門，在正常運(yùn)行過程中，發(fā)生了閘板墜落事故。經(jīng)過拆檢發(fā)現(xiàn)，閘門傳動(dòng)螺母螺紋損壞嚴(yán)重，內(nèi)螺紋全部斷裂，出現(xiàn)了滑牙現(xiàn)象，需進(jìn)行更換。為了保證更換質(zhì)量和裝配間隙的要求，我們提出并制定了一套比較完善的工藝方案。

1 裝配方法的選擇

1.1 工件的基本參數(shù)

傳動(dòng)螺母套筒材料為：不銹鋼，長(zhǎng)度120 mm；傳動(dòng)銅螺母材料為：9-4 鋁鐵青銅，尺寸為：外徑φ100 mm，長(zhǎng)度120 mm，如圖1。

圖1 傳動(dòng)螺母與套筒示意圖

1.2 配合間隙的確定

經(jīng)過計(jì)算，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩傳遞到傳動(dòng)螺母上的轉(zhuǎn)矩為5 000 N.m[2]。要保證其傳遞轉(zhuǎn)矩，傳動(dòng)螺母與套筒配合的最小過盈量為+0.10 mm，最大有效過盈量為+0.15 mm，見表1～表5 計(jì)算過程。

表1 已知條件

表2 最小過盈量

表3 最大過盈量

表4 選擇配合

表5 校核計(jì)算

1.3 裝配方法的確定

根據(jù)表1～表5 計(jì)算結(jié)果，我們選取的配合公差[3]為：+0.10～+0.15 mm，用壓入裝配法無法實(shí)現(xiàn)，故決定采用冷凍裝配法進(jìn)行裝配。

2 冷凍裝配工藝要求

2.1 冷裝溫度的計(jì)算

實(shí)施冷裝工藝時(shí)，應(yīng)根據(jù)配合件間的配合公差、過盈量、表面粗糙度以及工件的形狀、規(guī)格、位置關(guān)系來選擇冷裝溫度和實(shí)施方案，上述因素中過盈量是選擇其冷裝溫度的關(guān)鍵因素[1]。

冷裝溫度計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：T——冷卻溫度，℃；

δ——配合時(shí)最大過盈，mm；

d——配合直徑，mm；

T0——環(huán)境溫度，℃；

ε——冷裝件材料的線膨脹系數(shù)，1/℃；

常用材料線膨脹系數(shù)ε，鋼為：0.000 008 5，鑄鐵為：0.000 008，青銅為：0.000 015，黃銅為：0.000 016。

根據(jù)式(1)，已知，材料為鋁鐵青銅，配合時(shí)最大過盈δ 為0.15 mm；

配合直徑d 為φ100 mm；冷裝件材料的線膨脹系數(shù)ε 為0.000 015/℃。

可知，其冷卻溫度T=-2δ/ (εd)+T0=-2×0.15/(0.000 015×100)+(10)=-190 ℃。

2.2 冷卻所需時(shí)間的計(jì)算

零件的壁厚、長(zhǎng)度、直徑、材質(zhì)的物理機(jī)械性能等因素都影響所需冷卻時(shí)間, 實(shí)行冷裝工藝必須綜合考慮這些因素[1]。

式中：t——冷卻時(shí)間,min；

δ——零件最大壁厚,mm；

α——冷卻綜合系數(shù),min/mm；

綜合系數(shù)α 經(jīng)驗(yàn)值見表6。

表6 綜合系數(shù)α 值

根據(jù)式(2)可知，材料為鋁鐵青銅，冷卻劑為液態(tài)氮，零件最大壁厚δ 為35 mm，冷卻綜合系數(shù)α 為0.9 min/mm。

可知，其冷卻時(shí)間t=αδ+6=0.9×35+6=37.5 min

冷卻時(shí)間是零件完全冷凍的時(shí)間，實(shí)際操作過程中由于零件配合的過盈量和冷卻劑的不同，不必要完全冷凍，可能和計(jì)算的時(shí)間不完全相同，以實(shí)際經(jīng)驗(yàn)為準(zhǔn)。

2.3 冷裝介質(zhì)及要求

目前常用的冷卻介質(zhì)有液態(tài)氧、液態(tài)氮、干冰、冷凍設(shè)備，它們的可冷卻溫度分別為-195 ℃、-185 ℃、-75℃和-120 ℃。本次冷凍裝配溫度需-190 ℃，故冷卻劑選用液態(tài)氮。其原因是液態(tài)氮容易購買，價(jià)格便宜，生產(chǎn)成本低。另外氮?dú)馐嵌栊詺怏w，揮發(fā)后沒有危險(xiǎn)性。干冰揮發(fā)后為二氧化碳，也沒有任何危害性，但是溫度達(dá)不到。而使用液態(tài)氧存在很大的安全隱患，必須采取防火防爆等安全措施。采用液態(tài)氮作冷卻劑時(shí)，必須采用保溫容器，如保溫桶等。

2.4 準(zhǔn)備工作

（1） 鋼絲繩、吊環(huán)螺釘、木錘等；

（2） 杜瓦瓶液氮以及用于盛裝液氮和工件的容器（保溫桶）；

（3） 防護(hù)用具（防護(hù)服、防護(hù)鏡、防護(hù)手套、防護(hù)鞋等）；

（4） 包容件（不銹鋼套筒）、被包容件（冷凍工件- 銅套）。

3 冷凍裝配施工工藝

為保證冷裝質(zhì)量，冷卻零件前應(yīng)考慮冷卻后迅速裝配問題，所以要提前做好起吊、運(yùn)轉(zhuǎn)及裝配的準(zhǔn)備工作，見圖2。

圖2 裝配示意圖

3.1 操作方法及具體施工步驟

（1） 在待冷卻零件（銅螺母）端面2 只吊環(huán)螺釘上懸掛鋼絲繩，并由裝配工放置于保溫桶內(nèi)，保溫桶底部放置兩段角鋼(為保證冷卻介質(zhì)在零件內(nèi)、外壁的良好流動(dòng)性，零件不得與桶壁和桶底直接接觸)。起吊鋼絲繩不要拆卸，但必須懸掛于保溫桶外。

（2） 由專業(yè)施工人員將液氮注入保溫桶內(nèi)，直至淹沒工件。

（3） 保溫桶加蓋，開始計(jì)時(shí)，冷卻時(shí)間為37.5 min 左右。

（4） 達(dá)到冷卻時(shí)間后，移走保溫桶蓋子，用工具將起吊鋼絲繩拎起。

（5） 由2 名穿戴好防護(hù)用具的裝配作業(yè)人員拎起銅螺母，迅速裝入提前放置好的包容件（不銹鋼套筒孔）內(nèi)。注意裝配的同心性，及時(shí)用木錘敲擊，糾正裝配中產(chǎn)生的歪斜現(xiàn)象，直至裝配到位。

3.2 安全注意事項(xiàng)

在操作過程中，必須注意：

（1） 工作場(chǎng)地要保證清潔、寬敞。

（2） 保溫箱內(nèi)部要清潔，放置要平穩(wěn)、可靠。

（3） 做好勞動(dòng)防護(hù)，穿戴好防護(hù)用具，如防護(hù)服、防護(hù)鏡、防護(hù)手套等，以免凍傷。

（4） 施工區(qū)域四周5 m 處須拉紅白旗警戒，防止無關(guān)人員進(jìn)入。

（5） 加入冷卻劑初期，會(huì)有劇烈沸騰現(xiàn)象，應(yīng)防止飛濺傷人。

（6） 冷凍過程中揮發(fā)掉的冷卻劑要及時(shí)補(bǔ)充。

（7） 施工過程中，嚴(yán)禁徒手接觸工件，以免凍傷。

施工完工后，必須注意：保溫桶需放置在通風(fēng)比較順暢的區(qū)域，并拉設(shè)紅白旗設(shè)置警戒區(qū)，在醒目位置做出警告標(biāo)識(shí)：“液氮危險(xiǎn)，嚴(yán)禁手觸，小心凍傷”等字樣。讓其自然揮發(fā)，確保安全。

4 施工人員配置

施工人員配置見表7。

表7 施工人員配置

5 結(jié)論

對(duì)于過盈配合的傳動(dòng)銅螺母，采用液氮冷凍進(jìn)行裝配，可以保證材料的機(jī)械性能，提高銅螺母的使用壽命，同時(shí)提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性。通過對(duì)雙螺桿傳動(dòng)的大型電動(dòng)閘門銅螺母冷凍裝配工藝的實(shí)施，為設(shè)備的維修打開了新的思路，有利于維修經(jīng)驗(yàn)的歸納和總結(jié)，為以后相關(guān)維修項(xiàng)目的開展奠定了基礎(chǔ)，并提供了有力的技術(shù)保障。