大型电动闸门传动螺母冷冻装配工艺探讨

杨 龙

（上海城投污水处理有限公司，上海）

引言

华东地区某污水公司下属污水处理厂顶管工作井按制闸门选用的是双螺杆传动电动闸门，在正常运行过程中，发生了闸板坠落事故。经过拆检发现，闸门传动螺母螺纹损坏严重，内螺纹全部断裂，出现了滑牙现象，需进行更换。为了保证更换质量和装配间隙的要求，我们提出并制定了一套比较完善的工艺方案。

1 装配方法的选择

1.1 工件的基本参数

传动螺母套筒材料为：不锈钢，长度120 mm；传动铜螺母材料为：9-4 铝铁青铜，尺寸为：外径φ100 mm，长度120 mm，如图1。

图1 传动螺母与套筒示意图

1.2 配合间隙的确定

经过计算，电动执行机构的转矩传递到传动螺母上的转矩为5 000 N.m[2]。要保证其传递转矩，传动螺母与套筒配合的最小过盈量为+0.10 mm，最大有效过盈量为+0.15 mm，见表1～表5 计算过程。

表1 已知条件

表2 最小过盈量

表3 最大过盈量

表4 选择配合

表5 校核计算

1.3 装配方法的确定

根据表1～表5 计算结果，我们选取的配合公差[3]为：+0.10～+0.15 mm，用压入装配法无法实现，故决定采用冷冻装配法进行装配。

2 冷冻装配工艺要求

2.1 冷装温度的计算

实施冷装工艺时，应根据配合件间的配合公差、过盈量、表面粗糙度以及工件的形状、规格、位置关系来选择冷装温度和实施方案，上述因素中过盈量是选择其冷装温度的关键因素[1]。

冷装温度计算经验公式：

式中：T——冷却温度，℃；

δ——配合时最大过盈，mm；

d——配合直径，mm；

T0——环境温度，℃；

ε——冷装件材料的线膨胀系数，1/℃；

常用材料线膨胀系数ε，钢为：0.000 008 5，铸铁为：0.000 008，青铜为：0.000 015，黄铜为：0.000 016。

根据式(1)，已知，材料为铝铁青铜，配合时最大过盈δ 为0.15 mm；

配合直径d 为φ100 mm；冷装件材料的线膨胀系数ε 为0.000 015/℃。

可知，其冷却温度T=-2δ/ (εd)+T0=-2×0.15/(0.000 015×100)+(10)=-190 ℃。

2.2 冷却所需时间的计算

零件的壁厚、长度、直径、材质的物理机械性能等因素都影响所需冷却时间, 实行冷装工艺必须综合考虑这些因素[1]。

式中：t——冷却时间,min；

δ——零件最大壁厚,mm；

α——冷却综合系数,min/mm；

综合系数α 经验值见表6。

表6 综合系数α 值

根据式(2)可知，材料为铝铁青铜，冷却剂为液态氮，零件最大壁厚δ 为35 mm，冷却综合系数α 为0.9 min/mm。

可知，其冷却时间t=αδ+6=0.9×35+6=37.5 min

冷却时间是零件完全冷冻的时间，实际操作过程中由于零件配合的过盈量和冷却剂的不同，不必要完全冷冻，可能和计算的时间不完全相同，以实际经验为准。

2.3 冷装介质及要求

目前常用的冷却介质有液态氧、液态氮、干冰、冷冻设备，它们的可冷却温度分别为-195 ℃、-185 ℃、-75℃和-120 ℃。本次冷冻装配温度需-190 ℃，故冷却剂选用液态氮。其原因是液态氮容易购买，价格便宜，生产成本低。另外氮气是惰性气体，挥发后没有危险性。干冰挥发后为二氧化碳，也没有任何危害性，但是温度达不到。而使用液态氧存在很大的安全隐患，必须采取防火防爆等安全措施。采用液态氮作冷却剂时，必须采用保温容器，如保温桶等。

2.4 准备工作

（1） 钢丝绳、吊环螺钉、木锤等；

（2） 杜瓦瓶液氮以及用于盛装液氮和工件的容器（保温桶）；

（3） 防护用具（防护服、防护镜、防护手套、防护鞋等）；

（4） 包容件（不锈钢套筒）、被包容件（冷冻工件- 铜套）。

3 冷冻装配施工工艺

为保证冷装质量，冷却零件前应考虑冷却后迅速装配问题，所以要提前做好起吊、运转及装配的准备工作，见图2。

图2 装配示意图

3.1 操作方法及具体施工步骤

（1） 在待冷却零件（铜螺母）端面2 只吊环螺钉上悬挂钢丝绳，并由装配工放置于保温桶内，保温桶底部放置两段角钢(为保证冷却介质在零件内、外壁的良好流动性，零件不得与桶壁和桶底直接接触)。起吊钢丝绳不要拆卸，但必须悬挂于保温桶外。

（2） 由专业施工人员将液氮注入保温桶内，直至淹没工件。

（3） 保温桶加盖，开始计时，冷却时间为37.5 min 左右。

（4） 达到冷却时间后，移走保温桶盖子，用工具将起吊钢丝绳拎起。

（5） 由2 名穿戴好防护用具的装配作业人员拎起铜螺母，迅速装入提前放置好的包容件（不锈钢套筒孔）内。注意装配的同心性，及时用木锤敲击，纠正装配中产生的歪斜现象，直至装配到位。

3.2 安全注意事项

在操作过程中，必须注意：

（1） 工作场地要保证清洁、宽敞。

（2） 保温箱内部要清洁，放置要平稳、可靠。

（3） 做好劳动防护，穿戴好防护用具，如防护服、防护镜、防护手套等，以免冻伤。

（4） 施工区域四周5 m 处须拉红白旗警戒，防止无关人员进入。

（5） 加入冷却剂初期，会有剧烈沸腾现象，应防止飞溅伤人。

（6） 冷冻过程中挥发掉的冷却剂要及时补充。

（7） 施工过程中，严禁徒手接触工件，以免冻伤。

施工完工后，必须注意：保温桶需放置在通风比较顺畅的区域，并拉设红白旗设置警戒区，在醒目位置做出警告标识：“液氮危险，严禁手触，小心冻伤”等字样。让其自然挥发，确保安全。

4 施工人员配置

施工人员配置见表7。

表7 施工人员配置

5 结论

对于过盈配合的传动铜螺母，采用液氮冷冻进行装配，可以保证材料的机械性能，提高铜螺母的使用寿命，同时提高了设备运行的安全性和可靠性。通过对双螺杆传动的大型电动闸门铜螺母冷冻装配工艺的实施，为设备的维修打开了新的思路，有利于维修经验的归纳和总结，为以后相关维修项目的开展奠定了基础，并提供了有力的技术保障。