進(jìn)口低溫門(mén)閥桿梯形螺紋公差的研究

1 概述

    低溫閥在液氮和液氧等液態(tài)介質(zhì)的制造、儲(chǔ)運(yùn)和使用過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)不同的介質(zhì)，低溫閥使用溫度等級(jí)分為≥-46℃、≥-101℃、≥-196℃三個(gè)級(jí)別。JB/T9081-1999《空氣分離設(shè)備用低溫截止閥和節(jié)流閥技術(shù)條件》中規(guī)定，梯形螺紋的公差等級(jí)按GB/T597614規(guī)定的9級(jí)。該條款是根據(jù)試驗(yàn)制訂的，適用于各種低溫范圍和各種低溫結(jié)構(gòu)。但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，制造廠實(shí)際采用的梯形螺紋公差遠(yuǎn)比9級(jí)大得多。由此可見(jiàn)，有必要通過(guò)理論分析，確定低溫閥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)閥桿螺紋副公差等級(jí)規(guī)定的合理性。

2 分析

    為了適應(yīng)低溫閥的使用工況，梯形螺紋副的材料都是特殊選擇的，螺母的材料與螺桿的材料不同，多數(shù)螺桿用304不銹鋼，螺母用青銅或黃銅。由于材料不同，所以線(xiàn)膨脹系數(shù)也不一致。常溫條件下加工的梯形螺紋副零件在低溫條件下使用會(huì)產(chǎn)生徑向和軸向收縮，使螺距產(chǎn)生誤差，在螺桿螺紋的總長(zhǎng)度內(nèi)螺距產(chǎn)生較大的累積誤差，使螺紋副間隙減小，可能使螺桿的運(yùn)動(dòng)發(fā)生困難。通常，普通機(jī)床絲杠的梯形螺紋副采用8e精度，因此低溫閥在最低使用溫度下的梯形螺紋副間隙只要不小于常溫下8e精度的配合間隙（表1），就能確保閥門(mén)開(kāi)關(guān)順利。

表1 DN40的低溫截止閥梯形螺紋副公差   mm

3 材料的低溫膨脹系數(shù)

    低溫時(shí)材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)，見(jiàn)表2。以DJF40低溫截止閥為例，計(jì)算其在-196℃時(shí)梯形螺紋副螺距與軸向間隙的變化。梯形螺紋副大徑、中徑和小徑的中間公差如圖1所示。    

圖1 常溫下DJF40閥桿螺紋副軸向和徑向平均間隙

表2 金屬的線(xiàn)膨脹系數(shù)

    表2中A是從基本溫度560°R變化到上表的任意溫度時(shí)長(zhǎng)度上的變化，B是顯示的線(xiàn)膨脹系數(shù)。

        （1）

        （2）

    A和B的單位為m/m或in./in.，溫度的單位為m/（m°R）或in.  /（in.°R）。

    三種溫度的轉(zhuǎn)換公式為

          （3）

        （4）

    低溫下，大徑18mm的黃銅螺母的徑向收縮量△L1'和大徑18mm的304不銹鋼螺桿的徑向收縮量△L2'可根據(jù)式（1）推導(dǎo)，則

    螺紋副徑向收縮的差值△L3'為

    由于徑向收縮有差值，使螺紋副在低溫下單側(cè)的軸向間隙減少了△L'（圖2）。

圖2 徑向收縮對(duì)軸向間隙的影響

    △L'=（△L3'/2）×tg15°=0.00154mm

    在DJF40梯形螺紋副中，螺桿的長(zhǎng)度為20mm，為考慮螺距的累積誤差對(duì)傳動(dòng)的影響，取L560=20mm。黃銅螺母的軸向收縮量△L1''和304不銹鋼螺桿的軸向收縮量△L2''按式（1）推導(dǎo)，則

    在螺桿全長(zhǎng)上線(xiàn)膨脹的差值△L3''是低溫下螺距的累積誤差

    根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)公差計(jì)算出不同精度等級(jí)的螺紋副在低溫下的軸向間隙見(jiàn)表3。

表3 不同精度等級(jí)的螺紋副在低溫下的軸向間隙    mm

4 結(jié)語(yǔ)

    DN40的低溫閥用黃銅和不銹鋼閥桿梯形螺紋副，即使在-196℃的最低溫度工況下，螺紋間隙的最大減小量是0.0158mm，精度等級(jí)9c的梯形螺紋副在低溫時(shí)的傳動(dòng)間隙比常溫下精度等級(jí)8e的傳動(dòng)間隙還要大0.026mm，因此可以確認(rèn)，標(biāo)準(zhǔn)JB/T9081-1999所訂的低溫閥梯形螺紋公差等級(jí)按梯形螺紋9級(jí)是合理的，無(wú)必要過(guò)分地加大螺紋副的間隙。