閘門楔塊的標準化與夾具設計

□ 方躍飛 □ 孟元龍 □ 陳 俊 □ 李雪濤 □ 宗貴虎

上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 上海 200092

1 研究背景

在給排水工程中廣泛使用鑄鐵密封平面閘門,分為圓形和矩形兩種形式。圓形閘門的通徑一般小于2 000 mm,個別大的通徑可達3 000 mm。矩形閘門尺寸一般小于2 000 mm×2 000 mm,個別小的尺寸為200 mm×200 mm。上述尺寸范圍內的閘門,在閘門門體和門框之間設有楔形壓緊機構,用于密封。在楔形壓緊機構中,楔塊零件是關鍵零件。閘門楔塊的設計與加工質量將直接關系到閘門的止水效果。筆者對閘門楔塊進行了標準化,設計了相應的加工夾具,用于閘門楔塊的加工,使閘門楔塊具有互換性,對降低閘門整體制造成本具有重要意義。

2 閘門楔塊標準化

當閘門關閉時,為保證密封,需要向密封面施加力。根據不同的密封形式,閘門所需的密封力不同。鑄鐵圓形閘門一般采用平面密封,此時介質需要的密封力Qm為:

Qm=π(D2-d2)qb/4

(1)

式中:D為閘門密封面外徑;d為閘門密封面內徑;qb為閘門密封面所需比壓。

(2)

式中:m為與介質有關的因數,m取1;a、c分別為與密封面材料有關的因數,材料為青銅或黃銅時,a取9.3,c取3.16;p為水壓,閘門在最大水深情況下,p取0.1 MPa;b為密封環寬度,b取40 mm。

計算得到qb為1.52 MPa。

密封面允許承受的最大比壓[q]為80 MPa,設計比壓q應滿足qb≤q≤[q]。D和d按圓形閘門最大通徑2 200 mm計算,密封銅圈按內徑2 200mm、外徑2 280 mm計算,由此圓形閘門的質量最大可達2 500 kg,計算得到Qm為427 643 N。

為了防止污水泄漏,在閘門門體和門框之間設有楔形壓緊機構。當閘門緊閉時,閘門楔塊的作用如圖1所示。在閘門楔塊的一端施加力F,閘門楔塊的斜面上就會產生反力R。

R的方向與斜面成直角,則有:

R=F/sinα

(3)

式中:α為閘門楔塊的角度,α取2.51°。

根據力平衡條件,閘門門體與門框之間的壓緊力P為:

▲圖1 閘門楔塊作用

P=Rcosα

(4)

設F為6 250 N,則一個閘門楔塊的壓緊力為142 577 N。四個閘門楔塊的壓緊力為569 852 N,大于Qm,加上作用于閘門正向的水壓力,完全滿足密封要求。

根據以上計算,將閘門楔塊標準化為兩個系列,如圖2、圖3所示。

3 夾具設計

為了加工出圖2和圖3所示閘門楔塊中1∶10的斜面,以及位置關系準確的圓孔和螺紋孔,保證閘門楔塊的互換性,同時大大提高閘門的止水效果,筆者設計了加工閘門楔塊的夾具。

▲圖2 閘門楔塊系列一

▲圖3 閘門楔塊系列二

3.1 刨加工夾具

閘門楔塊系列一的刨加工夾具如圖4所示,閘門楔塊系列二的刨加工夾具如圖5所示。分析閘門楔塊特點,加工要求高的是1∶10斜面,為此將閘門楔塊的底平面放在夾具槽底面1∶10斜面上,再加工閘門楔塊斜面,由此保證閘門楔塊斜面的加工精度。閘門楔塊材料為ZCuSn5Pb5Zn5,切削過程中所產生的塑性變形小,切削時與刀具的摩擦小,因此所需的切削力也小,完全滿足刨加工的要求。

3.2 鉆加工夾具

根據閘門楔塊的特點,上楔塊上有M10和M12螺紋孔,下楔塊在斜面上有90°锪沉孔。主要保證孔的位置度,將具有螺紋孔的上楔塊放置在一起夾緊。閘門楔塊鉆加工夾具一如圖6所示,上楔塊底面向下,可以將閘門楔塊置于上模與下模之間,下斜面定位,利用內六角螺釘實現夾緊,利用壓板進行卸料,然后進行鉆加工。

下楔塊都有锪沉孔,锪沉孔在斜面上,若不用夾具加工,鉆頭會偏離原來的位置,嚴重影響加工精度。所以利用下楔塊平面進行定位,下楔塊置于上模與下模之間,與上楔塊夾具加工原理類似,進行夾緊和卸料。閘門楔塊鉆加工夾具二如圖7所示。

4 結束語

楔塊是鑄鐵閘門的關鍵零件,筆者對閘門楔塊進行了標準化,針對閘門楔塊的加工設計了刨、鉆加工夾具,使閘門制造的效率提高,并使閘門楔塊具有互換性,產品易裝配,提高了可維修性,降低了制造成本,大大改善了閘門的止水效果。

▲圖4 閘門楔塊系列一刨加工夾具

▲圖5 閘門楔塊系列二刨加工夾具

▲圖6 閘門楔塊鉆加工夾具一

▲圖7 閘門楔塊鉆加工夾具二