大型支鉸軸冷凍裝配的分析與計(jì)算

羅 永 川

(中國(guó)水利水電夾江水工機(jī)械有限責(zé)任公司，四川 夾江 614100)

1 概 述

水電站的弧形工作閘門(mén)支鉸裝置是弧形工作閘門(mén)的主要受力裝置，其組裝質(zhì)量決定著弧形工作閘門(mén)的工作壽命。一般而言，支鉸軸在支鉸部件裝配過(guò)程中往往采用冷凍裝配方式，通常需要對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算以確定詳細(xì)的裝配工藝參數(shù)。以白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門(mén)支鉸裝置的裝配為例，討論了支鉸軸冷凍裝配過(guò)程需要確定的裝配工藝參數(shù)和裝配工藝方法。

白鶴灘水電站為I等大(1)型工程，電站建成后將僅次于三峽水電站成為中國(guó)第二大水電站。白鶴灘水電站共設(shè)置了7孔深孔弧形工作閘門(mén)，分別設(shè)置在4個(gè)不同高程，孔口尺寸為5.5 m×8 m,弧面曲率半徑為R15004±1，弧面精加工后，表面覆貼材質(zhì)為06Cr19Ni10的4 mm厚不銹鋼板，工作閘門(mén)主止水采用充壓式止水。在其制造過(guò)程中，有針對(duì)性地實(shí)施了《金沙江白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門(mén)制造》專(zhuān)項(xiàng)科研課題并報(bào)送中國(guó)水利水電第七工程局有限公司。

水電站深孔弧形工作閘門(mén)支鉸裝置常規(guī)的裝配方式為工裝壓裝法和冷凍裝配法。工裝壓裝法適用于支鉸裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配間隙較大的情況，該方法的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)實(shí)用；缺點(diǎn)是不適用結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且裝配配合關(guān)系多種的結(jié)構(gòu)，各裝配件位置調(diào)整難度較大，容易在裝配過(guò)程中損傷配合表面而導(dǎo)致降低了裝配質(zhì)量，甚至?xí)霈F(xiàn)裝配件報(bào)廢的情況。冷凍裝配法的特點(diǎn)主要是增大裝配間隙，降低裝配難度，滿(mǎn)足裝配關(guān)系。白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門(mén)的支鉸裝置主要由活動(dòng)鉸、固定鉸、支鉸軸、自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承、壓環(huán)、擋環(huán)和軸肩環(huán)等零件組成，單套支鉸裝置重49.5 t，支鉸軸直徑為850 mm，總長(zhǎng)1 520 mm，零件重量為6 548 kg。通過(guò)對(duì)各配合關(guān)系進(jìn)行分析得知：支鉸軸在整個(gè)裝配過(guò)程中的最小配合間隙為0.026 mm，通過(guò)常溫直接用工裝壓裝法完成裝配風(fēng)險(xiǎn)較大。因此，必須采用支鉸軸冷凍裝配法方能滿(mǎn)足裝配要求及裝配質(zhì)量。

白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門(mén)支鉸裝置的裝配過(guò)程為：將自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承裝入活動(dòng)鉸的內(nèi)孔中,并用壓環(huán)及螺栓將其固定在活動(dòng)鉸上；將一件擋環(huán)用螺栓固定在固定鉸的外側(cè)，然后將活動(dòng)鉸和自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承組合體和固定鉸分別向上放置在一條軸線上,在活動(dòng)鉸和固定鉸之間放入軸肩環(huán)等零件，并將各零件內(nèi)孔調(diào)整在一個(gè)圓柱面上，再將經(jīng)過(guò)冷凍后的支鉸軸穿入活動(dòng)鉸和自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承組合體和固定鉸中心的內(nèi)孔中，當(dāng)支鉸軸到達(dá)固定鉸下面的擋環(huán)時(shí)，將另外一件擋環(huán)用螺栓固定在固定鉸朝上的平面上，從而完成深孔弧形工作閘門(mén)支鉸裝置的裝配。待支鉸軸恢復(fù)常溫后，臨時(shí)固定固定鉸，轉(zhuǎn)動(dòng)活動(dòng)鉸，檢測(cè)其轉(zhuǎn)動(dòng)至無(wú)卡阻、轉(zhuǎn)動(dòng)角度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求為止。

2 裝配過(guò)程分析

冷凍裝配是裝配方法的一種，它是利用材料熱脹冷縮的原理將需裝配件先冷凍、使零件尺寸收縮(將過(guò)盈配合變?yōu)殚g隙配合)后再進(jìn)行裝配。冷凍裝配方案相較于加熱裝配和普通裝配，冷凍裝配更能降低裝配工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少裝配過(guò)程中的危險(xiǎn)，提高勞動(dòng)效率和裝配質(zhì)量，避免母材及其配合零件損傷等。該方法廣泛用于銅/鋼套、軸承、支鉸軸、模具的裝配。由于支鉸裝置的特殊性，多年來(lái)支鉸軸的裝配一直采用冷凍裝配工藝。

支鉸軸的冷凍裝配工藝過(guò)程可以采用氣態(tài)冷凍和完全浸泡冷凍法。因?yàn)橹сq軸體積大、配合面大，通常采用支鉸軸經(jīng)液氮完全浸泡的裝配方法，其工作溫度可以達(dá)到-196 ℃，也就是說(shuō)：在裝配過(guò)程中，支鉸軸實(shí)際上是進(jìn)行了一次深冷處理。其具有的最大缺點(diǎn)是熱沖擊性大，其冷凍工件內(nèi)部可能產(chǎn)生組織缺陷，甚至?xí)斐晒ぜ冃位蜷_(kāi)裂。因此，必須控制工件的升降溫速度，避免因冷熱導(dǎo)致的工件內(nèi)部出現(xiàn)熱應(yīng)力。

根據(jù)深冷處理的作用機(jī)理，在支鉸軸裝配前的降溫過(guò)程中，一部分殘余奧氏體會(huì)發(fā)生相變而轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌鸟R氏體，同時(shí)也促進(jìn)了碳化物的析出，在一定程度上提高了工件的硬度和強(qiáng)度，使材料的韌性增加，金屬基體會(huì)更加穩(wěn)定。但殘余奧氏體的相變會(huì)引起工件中各種組織體積比例的變化，從而引起工件內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生變化。

在支鉸軸冷凍裝配過(guò)程中，需要特別注意的是：由于支鉸軸工件尺寸較大，其工件內(nèi)部可能存在各種組織缺陷，冷凍過(guò)程中容易引起局部的變形開(kāi)裂。因此，應(yīng)控制其冷凍速度和時(shí)間以減小熱應(yīng)力，避免工件變形開(kāi)裂。另外，冷凍裝配之后應(yīng)及時(shí)回火，以獲得穩(wěn)定的回火馬氏體組織，并使少量的殘余奧氏體進(jìn)一步轉(zhuǎn)化和穩(wěn)定化，以消除部分熱應(yīng)力。

3 冷凍裝配工藝參數(shù)的計(jì)算

3.1 裝配間隙的計(jì)算

白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門(mén)支鉸裝置的自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承及活動(dòng)鉸與支鉸軸的配合為間隙配合。其部分相關(guān)數(shù)據(jù)為：支鉸軸與固定鉸和自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承的配合直徑為850 mm, 支鉸軸與自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承的配合長(zhǎng)度為600 mm, 支鉸軸與固定鉸的配合長(zhǎng)度為1 420 mm, 所采用的配合均為間隙配合：Φ850 mmH8/g7。

3.1.1 最小配合間隙

零件最小配合間隙的計(jì)算式為[1]：

Xmin=Dmin-dmax

(1)

式中Xmin為最小配合間隙；Dmin為孔的最小極限尺寸：dmax為軸的最大極限尺寸。

固定鉸和自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承孔的最小極限尺寸為Φ850 mm，支鉸軸的最大極限尺寸為Φ849.974 mm。[2]

由式(1)得：Xmin=0.026 mm。

3.1.2 零件的圓柱度公差

一般重型機(jī)械零件的未注圓柱度公差取零件公差值的70%計(jì)算。固定鉸或自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承孔的內(nèi)徑公差為0.14 mm，其圓柱度公差取0.098 mm。支鉸軸的外徑公差為0.09 mm，其圓柱度公差取0.063 mm。

3.1.3 裝配間隙的確定

根據(jù)上述計(jì)算，對(duì)支鉸軸的裝配而言，最低極限的間隙=固定鉸或自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承孔的圓柱度公差+支鉸軸的圓柱度公差-支鉸軸與固定鉸和自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承的最小配合間隙。計(jì)算結(jié)果為0.135 mm。

通常冷凍裝配工藝推薦的裝配間隙為配合零件直徑的0.05%～0.1%(即0.425～0.85 mm)。結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，考慮到裝配的需要確定白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門(mén)支鉸裝置的裝配間隙為0.425 mm。

3.2 冷凍溫度的驗(yàn)算

對(duì)于采用液氮浸泡法降溫的冷凍裝配，冷凍溫度驗(yàn)算的目的是確認(rèn)支鉸軸在-196℃的狀態(tài)下能否獲得適當(dāng)?shù)难b配間隙。采用液氮?dú)鈶B(tài)法降溫的冷凍裝配是需要設(shè)定的工作溫度。冷凍溫度T的計(jì)算公式為[2，3]：

T=To-ek/αo×d

(2)

式中To為室溫(以成都平原多年平均氣溫16.1 ℃計(jì)算)；ek為冷凍時(shí)需要的間隙(0.425 mm)；d為支鉸軸的外徑(850 mm) ；αo為零件線膨脹系數(shù)(文獻(xiàn)[2]中鋼質(zhì)材料熱膨脹系數(shù)為1.2×10-5/℃)。

由式(2)得：T= 16.1-0.425 /1.2×10-5×850=-25.6( ℃)。

理論上，當(dāng)支鉸軸的溫度降低到-25.6 ℃即可滿(mǎn)足冷凍裝配的間隙要求。鑒于此溫度要求，比較合理的方式就是采用液氮?dú)鈶B(tài)法降溫。考慮到液氮?dú)鈶B(tài)法降溫需要專(zhuān)用的冷處理爐，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍采用液氮浸泡法降溫。

3.3 等溫時(shí)間的計(jì)算

冷凍工件達(dá)到儀表顯示的溫度時(shí)，只是表明此時(shí)是工件的表面溫度，并不能代表工件內(nèi)部實(shí)際已經(jīng)達(dá)到所需的溫度。為了使大型工件的內(nèi)部全部達(dá)到需要的實(shí)際溫度，則需要通過(guò)一段等溫時(shí)間。圓截面工件的等溫公式為：

t=D×c×t終/(t冷劑+30)

(3)

式中t為等溫時(shí)間，min；t終為工件的最終處理溫度(取支鉸軸的裝配溫度-25.6 ℃)；t冷劑為冷凍劑的溫度(取液氮溫度-196 ℃)；D為圓形工件的有效厚度(取支鉸軸的半徑425 mm)；c為常數(shù)(工件在冷凍劑直接交換熱量時(shí)c=1)。

由式(3)得：t=425×1×(-25.6)/(-196+30)=65.5(min)。

鑒于支鉸軸工件屬于大型工件，經(jīng)綜合考慮工件各部位實(shí)際溫度存在的差異和計(jì)算結(jié)果，最終確定的等溫時(shí)間為2 h。

3.4 冷凍裝配工藝的選擇

冷凍裝配在機(jī)械行業(yè)是一種特殊的裝配工藝，對(duì)工序的要求較為苛刻。下述情形能夠說(shuō)明冷凍裝配工藝工序要求的復(fù)雜與嚴(yán)苛程度。

美國(guó)吉列公司剃須刀片的冷處理方案：以每min降低0.25 ℃～0.5 ℃以?xún)?nèi)的速度降低到-185 ℃，降溫時(shí)間約12 h,然后保溫24～36 h，再緩慢以每min上升0.25 ℃～0.5 ℃以?xún)?nèi)的速度升到室溫，升溫時(shí)間約12 h，再經(jīng)過(guò)8 h達(dá)到更高的溫度(+160 ℃)。整個(gè)過(guò)程需要54～66 h左右。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]推薦：以每min降低0.5 ℃～6 ℃以?xún)?nèi)的速度降低到-190 ℃，降溫時(shí)間約7 h,然后保溫1～4 h，再緩慢地以每min上升2 ℃～10 ℃以?xún)?nèi)的速度升到室溫，升溫時(shí)間約2 h(亦可使工件在空氣中自然回溫)。繼續(xù)經(jīng)過(guò)2 h，在回火爐中加熱達(dá)到+160 ℃的溫度，然后再經(jīng)過(guò)2 h隨爐冷卻至室溫，整個(gè)過(guò)程需要14～17 h左右[4]。

參考上述工藝要求和冷凍裝配的計(jì)算結(jié)果，將支鉸裝置的冷凍裝配工藝確定為：將支鉸軸放入容器中，注入液氮。當(dāng)支鉸軸裸露在空氣中的部分的溫度達(dá)到-30 ℃后開(kāi)始計(jì)時(shí)。經(jīng)過(guò)2 h等溫時(shí)間后，用量具檢測(cè)確認(rèn)支鉸軸直徑收縮0.425 mm，用起重機(jī)吊起支鉸軸進(jìn)行裝配，當(dāng)支鉸軸的軸向尺寸到位后，用工業(yè)保溫棉進(jìn)行有效的覆蓋，防止工件溫度快速回升。

4 裝配工藝的注意事項(xiàng)

支鉸軸冷凍裝配為多年形成的成熟工藝，但該裝配工藝并非完美無(wú)缺，仍存在優(yōu)化的空間。通過(guò)控制冷凍速度和時(shí)間、盡量減小工件內(nèi)部的溫度應(yīng)力可以避免工件變形與開(kāi)裂。另外，由于冷卻劑的大量使用提高了裝配成本，同時(shí)冷凍裝配的操作時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致操作人員的安全風(fēng)險(xiǎn)較高，故該方法屬于不太經(jīng)濟(jì)的裝配工藝。

從冷凍溫度的驗(yàn)算結(jié)果可知：采用專(zhuān)用的冷處理爐進(jìn)行液氮?dú)鈶B(tài)法降溫是一種較佳的選擇。因?yàn)槿魧⒅сq軸降溫到-25.6 ℃以下較易實(shí)現(xiàn)，則對(duì)支鉸軸組織的影響很小，從而可以有效降低熱應(yīng)力，防止工件變形開(kāi)裂，對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量具有非常積極的意義；其缺點(diǎn)是這種裝配工藝需要特制的冷處理設(shè)備。

如果采用加熱裝配，可以避免由于冷凍裝配引起的溫度應(yīng)力，在需要獲得同樣的裝配間隙時(shí)，固定鉸和自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承的加熱溫度由式(4)確定：

T=To+b/ao×d

(4)

式中各指標(biāo)的含義與式(2)相同，其計(jì)算結(jié)果為57.8 ℃。

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出：如果使用比57.8 ℃更高的加熱溫度，即可獲得更大的裝配間隙。參考橡膠密封件的使用溫度，將固定鉸和自潤(rùn)滑球面滑動(dòng)軸承及密封件一起加熱到90 ℃左右并不會(huì)影響橡膠密封件的使用性能。因此，采用加熱裝配也是一種較好的選擇。當(dāng)然，這種裝配工藝需要特制的加熱設(shè)備。

理論上，對(duì)冷凍裝配后的支鉸裝置應(yīng)該在+140 ℃～+160 ℃溫度下的加熱爐中進(jìn)行回火處理[5]。但是，在實(shí)際裝配作業(yè)中，因支鉸裝置常有橡膠密封而不宜進(jìn)行低溫回火處理。因此，所采用的裝配工藝是基于生產(chǎn)現(xiàn)狀而進(jìn)行的現(xiàn)實(shí)選擇。

為保證裝配質(zhì)量，冷凍裝配的注意事項(xiàng)為：(1)零件冷凍前需將其表面油污、毛刺清理干凈；(2)如果同時(shí)冷凍多種規(guī)格和材質(zhì)的零件，需對(duì)零件進(jìn)行編號(hào)；(3)零件在冷凍裝置里應(yīng)排列整齊，冷凍速度不宜過(guò)快以避免溫度急劇下降導(dǎo)致零件產(chǎn)生內(nèi)傷；(4)裝配前，應(yīng)將包容件的毛刺清理干凈并將其表面擦拭干凈，將孔的內(nèi)壁擦拭干凈后再將包容件整齊排列待裝配；(5)裝配時(shí)動(dòng)作應(yīng)迅速，如果出現(xiàn)裝配不順的情況，需用銅棒輔以工裝輕輕敲擊；(6)當(dāng)零件表面凝結(jié)厚霜時(shí)不得裝配；(7)零件吊裝過(guò)程中應(yīng)防止磕碰；(8)雖然液氮為非易燃物，但在其使用、運(yùn)輸和貯藏液氮時(shí)必須注意安全。為了保證裝配安全，作業(yè)時(shí)應(yīng)佩戴防凍手套，不要用手直接接觸液氮，并且應(yīng)防止液氮濺到身上引發(fā)凍傷；應(yīng)在通風(fēng)的場(chǎng)所使用液氮，以防氮?dú)馐谷酥舷ⅲ谎b運(yùn)液氮時(shí)，不要將液氮封裝過(guò)嚴(yán)，以防發(fā)生物理爆炸等危險(xiǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)支鉸軸冷凍裝配進(jìn)行分析與計(jì)算，以及對(duì)裝配工藝進(jìn)行的改進(jìn)討論，目前所實(shí)施的弧形工作閘門(mén)支鉸裝置的冷凍裝配工藝僅僅滿(mǎn)足了工廠現(xiàn)實(shí)狀況的需要，還不能完全規(guī)避冷凍工藝過(guò)程產(chǎn)生的缺陷，屬于存在一定質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的冷凍裝配工藝。希望本文能夠促進(jìn)未來(lái)支鉸軸冷凍裝配工藝的迭代優(yōu)化。《金沙江白鶴灘水電站深孔弧形工作閘門(mén)制造》專(zhuān)項(xiàng)科研課題現(xiàn)已完成并已獲獎(jiǎng)。