大型電動閘門傳動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電動閘門，在正常運行過程中，發生了閘板墜落事故。經過拆檢發現，閘門傳動螺母螺紋損壞嚴重，內螺紋全部斷裂，出現了滑牙現象，需進行更換。為了保證更換質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

傳動螺母套筒材料為：不銹鋼，長度120 mm；傳動銅螺母材料為：9-4 鋁鐵青銅，尺寸為：外徑φ100 mm，長度120 mm，如圖1。

圖1 傳動螺母與套筒示意圖

1.2 配合間隙的確定

經過計算，電動執行機構的轉矩傳遞到傳動螺母上的轉矩為5 000 N.m[2]。要保證其傳遞轉矩，傳動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 校核計算

1.3 裝配方法的確定

根據表1～表5 計算結果，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現，故決定采用冷凍裝配法進行裝配。

2 冷凍裝配工藝要求

2.1 冷裝溫度的計算

實施冷裝工藝時，應根據配合件間的配合公差、過盈量、表面粗糙度以及工件的形狀、規格、位置關系來選擇冷裝溫度和實施方案，上述因素中過盈量是選擇其冷裝溫度的關鍵因素[1]。

冷裝溫度計算經驗公式：

式中：T——冷卻溫度，℃；

δ——配合時最大過盈，mm；

d——配合直徑，mm；

T0——環境溫度，℃；

ε——冷裝件材料的線膨脹系數，1/℃；

常用材料線膨脹系數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。

根據式(1)，已知，材料為鋁鐵青銅，配合時最大過盈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 冷卻所需時間的計算

零件的壁厚、長度、直徑、材質的物理機械性能等因素都影響所需冷卻時間, 實行冷裝工藝必須綜合考慮這些因素[1]。

式中：t——冷卻時間,min；

δ——零件最大壁厚,mm；

α——冷卻綜合系數,min/mm；

綜合系數α 經驗值見表6。

表6 綜合系數α 值

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

可知，其冷卻時間t=αδ+6=0.9×35+6=37.5 min

冷卻時間是零件完全冷凍的時間，實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，可能和計算的時間不完全相同，以實際經驗為準。

2.3 冷裝介質及要求

目前常用的冷卻介質有液態氧、液態氮、干冰、冷凍設備，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 ℃，故冷卻劑選用液態氮。其原因是液態氮容易購買，價格便宜，生產成本低。另外氮氣是惰性氣體，揮發后沒有危險性。干冰揮發后為二氧化碳，也沒有任何危害性，但是溫度達不到。而使用液態氧存在很大的安全隱患，必須采取防火防爆等安全措施。采用液態氮作冷卻劑時，必須采用保溫容器，如保溫桶等。

2.4 準備工作

（1） 鋼絲繩、吊環螺釘、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） 防護用具（防護服、防護鏡、防護手套、防護鞋等）；

（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

為保證冷裝質量，冷卻零件前應考慮冷卻后迅速裝配問題，所以要提前做好起吊、運轉及裝配的準備工作，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 只吊環螺釘上懸掛鋼絲繩，并由裝配工放置于保溫桶內，保溫桶底部放置兩段角鋼(為保證冷卻介質在零件內、外壁的良好流動性，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） 由專業施工人員將液氮注入保溫桶內，直至淹沒工件。

（3） 保溫桶加蓋，開始計時，冷卻時間為37.5 min 左右。

（4） 達到冷卻時間后，移走保溫桶蓋子，用工具將起吊鋼絲繩拎起。

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

3.2 安全注意事項

在操作過程中，必須注意：

（1） 工作場地要保證清潔、寬敞。

（2） 保溫箱內部要清潔，放置要平穩、可靠。

（3） 做好勞動防護，穿戴好防護用具，如防護服、防護鏡、防護手套等，以免凍傷。

（4） 施工區域四周5 m 處須拉紅白旗警戒，防止無關人員進入。

（5） 加入冷卻劑初期，會有劇烈沸騰現象，應防止飛濺傷人。

（6） 冷凍過程中揮發掉的冷卻劑要及時補充。

（7） 施工過程中，嚴禁徒手接觸工件，以免凍傷。

施工完工后，必須注意：保溫桶需放置在通風比較順暢的區域，并拉設紅白旗設置警戒區，在醒目位置做出警告標識：“液氮危險，嚴禁手觸，小心凍傷”等字樣。讓其自然揮發，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 結論

對于過盈配合的傳動銅螺母，采用液氮冷凍進行裝配，可以保證材料的機械性能，提高銅螺母的使用壽命，同時提高了設備運行的安全性和可靠性。通過對雙螺桿傳動的大型電動閘門銅螺母冷凍裝配工藝的實施，為設備的維修打開了新的思路，有利于維修經驗的歸納和總結，為以后相關維修項目的開展奠定了基礎，并提供了有力的技術保障。