進口低溫門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介質的制造、儲運和使用過程中得到了廣泛的應用。根據不同的介質，低溫閥使用溫度等級分為≥-46℃、≥-101℃、≥-196℃三個級別。JB/T9081-1999《空氣分離設備用低溫截止閥和節流閥技術條件》中規定，梯形螺紋的公差等級按GB/T597614規定的9級。該條款是根據試驗制訂的，適用于各種低溫范圍和各種低溫結構。但是根據經驗，制造廠實際采用的梯形螺紋公差遠比9級大得多。由此可見，有必要通過理論分析，確定低溫閥相關標準中對閥桿螺紋副公差等級規定的合理性。

2 分析

    為了適應低溫閥的使用工況，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，多數螺桿用304不銹鋼，螺母用青銅或黃銅。由于材料不同，所以線膨脹系數也不一致。常溫條件下加工的梯形螺紋副零件在低溫條件下使用會產生徑向和軸向收縮，使螺距產生誤差，在螺桿螺紋的總長度內螺距產生較大的累積誤差，使螺紋副間隙減小，可能使螺桿的運動發生困難。通常，普通機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），就能確保閥門開關順利。

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

    低溫時材料的線膨脹系數，見表2。以DJF40低溫截止閥為例，計算其在-196℃時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 金屬的線膨脹系數

    表2中A是從基本溫度560°R變化到上表的任意溫度時長度上的變化，B是顯示的線膨脹系數。

        （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'可根據式（1）推導，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的軸向間隙減少了△L'（圖2）。

圖2 徑向收縮對軸向間隙的影響

    △L'=（△L3'/2）×tg15°=0.00154mm

    在DJF40梯形螺紋副中，螺桿的長度為20mm，為考慮螺距的累積誤差對傳動的影響，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，則

    在螺桿全長上線膨脹的差值△L3''是低溫下螺距的累積誤差

    根據標準公差計算出不同精度等級的螺紋副在低溫下的軸向間隙見表3。

表3 不同精度等級的螺紋副在低溫下的軸向間隙    mm

4 結語

    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9c的梯形螺紋副在低溫時的傳動間隙比常溫下精度等級8e的傳動間隙還要大0.026mm，因此可以確認，標準JB/T9081-1999所訂的低溫閥梯形螺紋公差等級按梯形螺紋9級是合理的，無必要過分地加大螺紋副的間隙。