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(tài)介質(zhì)的制造、儲運和使用過程中得到了廣泛的應用。根據(jù)不同的介質(zhì)，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(jié)流閥技術條件》中規(guī)定，梯形螺紋的公差等級按GB/T597614規(guī)定的9級。該條款是根據(jù)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(jù)經(jīng)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(guī)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(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，可能使螺桿的運動發(fā)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(shù)

    低溫時材料的線膨脹系數(shù)，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(shù)

    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(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，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(jù)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。