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山东联合阀门核级隔膜阀阀杆螺母与阀盖配合尺寸的设计
时间:2012-12-1 11:28:41 阅读次数:632
 1 概述
        核级直通式隔膜阀是引进英国Saunders公司技术,目前已在国内核电站上得到应用。本文主要介绍该阀阀杆螺母过盈量的设计及如何选择合理的过盈量,并从理论上提出生产装配过程中阀杆螺母与阀盖装配所允许的合理范围,从而确保使用的可靠性与安全性。
        2 阀杆螺母的特点和安装要求
        核级直通式隔膜阀为多回转阀门(图1),由手轮(或其他执行机构)带动阀杆绕轴线回转运动,经由阀杆螺母(图2)的传递带动隔膜组件上下运动,从而使阀门达到开启或关闭。阀杆螺母主要由螺纹面和光滑面两部分组成。在阀门的开关过程中起传递轴向力和力矩的作用。当阀杆绕轴线回转运动时,其T形螺纹与阀杆螺母接触后传递摩擦力矩和轴向力。根据作用力和反作用力原理,阀杆螺母同时受到相反方向的螺纹摩擦力矩和阀杆轴向力的作用,在阀门开启过程中会因转矩过大使阀杆螺母发生轴向滑移从而造成失效。为此,应保证阀杆螺母与阀盖接触面间过盈配合,在正常传递摩擦力矩和轴向力时,阀杆螺母不发生位移或者塑性变形。 

        3 阀杆螺母的设计
        阀门的工作压力PN=2.0MPa,温度t≤85℃。阀杆选用的材料为17-4PH,阀杆螺母的材料为QAl9-4。过盈连接计算时假设连接零件中的应力处于平面应力状态(即轴向应力为0),应变均在弹性范围内,材料的弹性模量均为常量,配合面上压力为均匀分布。
        过盈连接主要用以承受轴向力或传递转矩,或者同时兼有以上两种作用。为了保证过盈连接的工作能力,强度计算必须包含两个方面。一是在已知载荷的条件下,计算配合面间所产生的压力(压强)以及产生这个压力(压强)所需最小的过盈量δmin,并根据材料自身的极限条件算出配合面间所允许产生的最大压力(压强)和由这个压强所需的最大过盈量δmax,从而确定过盈尺寸的极限范围(δmin,δmax)。二是在所确定极限范围的过盈尺寸中,按标准选取合适的过盈量,并计算在各自最大和最小过盈量时的压紧力及相对应的转矩。
        3.1 配合面间传递载荷所需要的最小压强
        过盈连接的配合面间的径向应力所传递的载荷类型分3种情况。
        (1)传递轴向力
        当连接面只传递轴向力Fa时(图3),应保证连接在此载荷下不发生轴向位移。此时在配合面间产生的最小压强pFmin为
             式中  pFmin———配合面间产生的最小压强,MPa
        Fa———系统产生的轴向力,N
        d———配合的公称直径,mm
        l———配合长度,mm
        μ———配合面间的摩擦系数

 (2)传递转矩
        当连接面只传递转矩T时(图4),应保证连接在此载荷下不发生轴向位移。此时在配合面间产生的最小压强pTmin为
        (3)同时传递转矩和轴向力
        当连接面同时传递转矩T和轴向力Fa时,应保证连接在此载荷下不发生轴向位移。此时在配合面间产生的最小压强phmin为
          d1———被包容件(阀杆螺母)的内径,mm
        d2———包容件(阀盖)的外径,mm
        μ1、μ2———被包容件(阀杆螺母)和包容件(阀盖)材料的泊松比
        E1、E2———被包容件(阀杆螺母)和包容件(阀盖)的弹性模量,MPa
        式(4)和式(5)中δ和δcmin分别当配合面间径向压力为p和pmin时产生。
        由式(1)~(3)可知,当传递载荷一定时,配合长度l越短,所需的径向压力p就越大。由式5可知,当p增大时,所需的过盈量也随之增大。因此为了避免在载荷一定时需用较大的过盈量而增加装配时的困难,配合长度不宜过短,一般推荐采用l≈0.9d。但应注意,由于配合面上应力分布不均匀,当l>0.8d时,应考虑两端应力集中的影响,并从结构上降低应力的集中。
        式(5)中所求的δcmin之所以被称为最小计算过盈量,是因为其不考虑装配后配合面之间的微观峰尖将被擦去或者压平一部分(图5),适用于温差法装配。此时最小过盈量δmin=δcmin(μm)。但若采用压入法装配时,配合面之间的微观峰尖将被擦去或者压平一部分,此时求出的δcmin即为理论值,应再加上被压平的部分Δ,即        式中 Rz1———被包容件(阀杆螺母)结合面微观不平度10点高度,μm
        Rz2———包容件(阀盖)结合面微观不平度10点高度,μm    
        表面微观不平度10点高度Rz随表面粗糙度而异()。    3.3 过盈连接的最大过盈量
        根据材料特点,任何金属材料有其极限破坏应力强度值。材料强度常用的参数为抗拉强度σb和屈服强度σs。对于过盈连接来说,当配合面间的压强逐渐增大时,配合面的尺寸过盈量也随之增大。但当压强达到一定量时,就会使得包容件或者被包容件中较软的一方产生永久塑性变形,造成零部件尺寸发生变化使得配合失效。此时配合面间的压强即为零件不产生塑性变形所允许的最大压强pmax。
        对于塑性材料制成的被包容件(阀杆螺母),在不产生塑性变形所允许的最大压强psmax1为

        对于脆性材料制成的包容件(阀盖),在不产生塑性变形所允许的最大压强pcmax2为  
        4 选择公差配合
        根据δmax和δmin,可以选择适合的过盈量Ymin和Ymax,在保证传递载荷的前提下Ymin≥δmin,在保证连接件不产生塑性变形时Ymax≤δmax。
        例如,已知d=22mm,d1=11mm,d2=38mm,经计算得出δmax=52.44μm,δmin=9.861μm。按GB/T1801-2009,以基孔制选取配合,则d=22mm查得H6级的公差范围为0~+13μm,由于需保证Ymin≥δmin,即Ymin≥13+9.861=22.861μm。至少要选取r5级公差带,其最小极限偏差为+28μm。再查r5级公差带最大极限偏差为+37μm作为Ymax,满足Ymax≤δmax,说明此公差带选择合适。选取公差带等级(如7级或者6级)可按实际需要或者生产设备加工精度等级来考虑。若Ymin选择过大会造成压入(拉出)时受力过大,造成安装(拆卸)困难,并存在过盈配合件压入变形问题。
        5 过盈连接最大压入力和拉出力
        当采用压入法装配并准备拆开阀门时,其最大压入力Fmax和拉出力Fmax'为