闸门楔块的标准化与夹具设计

□ 方跃飞 □ 孟元龙 □ 陈 俊 □ 李雪涛 □ 宗贵虎

上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 上海 200092

1 研究背景

在给排水工程中广泛使用铸铁密封平面闸门,分为圆形和矩形两种形式。圆形闸门的通径一般小于2 000 mm,个别大的通径可达3 000 mm。矩形闸门尺寸一般小于2 000 mm×2 000 mm,个别小的尺寸为200 mm×200 mm。上述尺寸范围内的闸门,在闸门门体和门框之间设有楔形压紧机构,用于密封。在楔形压紧机构中,楔块零件是关键零件。闸门楔块的设计与加工质量将直接关系到闸门的止水效果。笔者对闸门楔块进行了标准化,设计了相应的加工夹具,用于闸门楔块的加工,使闸门楔块具有互换性,对降低闸门整体制造成本具有重要意义。

2 闸门楔块标准化

当闸门关闭时,为保证密封,需要向密封面施加力。根据不同的密封形式,闸门所需的密封力不同。铸铁圆形闸门一般采用平面密封,此时介质需要的密封力Qm为:

Qm=π(D2-d2)qb/4

(1)

式中:D为闸门密封面外径;d为闸门密封面内径;qb为闸门密封面所需比压。

(2)

式中:m为与介质有关的因数,m取1;a、c分别为与密封面材料有关的因数,材料为青铜或黄铜时,a取9.3,c取3.16;p为水压,闸门在最大水深情况下,p取0.1 MPa;b为密封环宽度,b取40 mm。

计算得到qb为1.52 MPa。

密封面允许承受的最大比压[q]为80 MPa,设计比压q应满足qb≤q≤[q]。D和d按圆形闸门最大通径2 200 mm计算,密封铜圈按内径2 200mm、外径2 280 mm计算,由此圆形闸门的质量最大可达2 500 kg,计算得到Qm为427 643 N。

为了防止污水泄漏,在闸门门体和门框之间设有楔形压紧机构。当闸门紧闭时,闸门楔块的作用如图1所示。在闸门楔块的一端施加力F,闸门楔块的斜面上就会产生反力R。

R的方向与斜面成直角,则有:

R=F/sinα

(3)

式中:α为闸门楔块的角度,α取2.51°。

根据力平衡条件,闸门门体与门框之间的压紧力P为:

▲图1 闸门楔块作用

P=Rcosα

(4)

设F为6 250 N,则一个闸门楔块的压紧力为142 577 N。四个闸门楔块的压紧力为569 852 N,大于Qm,加上作用于闸门正向的水压力,完全满足密封要求。

根据以上计算,将闸门楔块标准化为两个系列,如图2、图3所示。

3 夹具设计

为了加工出图2和图3所示闸门楔块中1∶10的斜面,以及位置关系准确的圆孔和螺纹孔,保证闸门楔块的互换性,同时大大提高闸门的止水效果,笔者设计了加工闸门楔块的夹具。

▲图2 闸门楔块系列一

▲图3 闸门楔块系列二

3.1 刨加工夹具

闸门楔块系列一的刨加工夹具如图4所示,闸门楔块系列二的刨加工夹具如图5所示。分析闸门楔块特点,加工要求高的是1∶10斜面,为此将闸门楔块的底平面放在夹具槽底面1∶10斜面上,再加工闸门楔块斜面,由此保证闸门楔块斜面的加工精度。闸门楔块材料为ZCuSn5Pb5Zn5,切削过程中所产生的塑性变形小,切削时与刀具的摩擦小,因此所需的切削力也小,完全满足刨加工的要求。

3.2 钻加工夹具

根据闸门楔块的特点,上楔块上有M10和M12螺纹孔,下楔块在斜面上有90°锪沉孔。主要保证孔的位置度,将具有螺纹孔的上楔块放置在一起夹紧。闸门楔块钻加工夹具一如图6所示,上楔块底面向下,可以将闸门楔块置于上模与下模之间,下斜面定位,利用内六角螺钉实现夹紧,利用压板进行卸料,然后进行钻加工。

下楔块都有锪沉孔,锪沉孔在斜面上,若不用夹具加工,钻头会偏离原来的位置,严重影响加工精度。所以利用下楔块平面进行定位,下楔块置于上模与下模之间,与上楔块夹具加工原理类似,进行夹紧和卸料。闸门楔块钻加工夹具二如图7所示。

4 结束语

楔块是铸铁闸门的关键零件,笔者对闸门楔块进行了标准化,针对闸门楔块的加工设计了刨、钻加工夹具,使闸门制造的效率提高,并使闸门楔块具有互换性,产品易装配,提高了可维修性,降低了制造成本,大大改善了闸门的止水效果。

▲图4 闸门楔块系列一刨加工夹具

▲图5 闸门楔块系列二刨加工夹具

▲图6 闸门楔块钻加工夹具一

▲图7 闸门楔块钻加工夹具二