大型支铰轴冷冻装配的分析与计算

罗 永 川

(中国水利水电夹江水工机械有限责任公司，四川 夹江 614100)

1 概 述

水电站的弧形工作闸门支铰装置是弧形工作闸门的主要受力装置，其组装质量决定着弧形工作闸门的工作寿命。一般而言，支铰轴在支铰部件装配过程中往往采用冷冻装配方式，通常需要对相关工艺参数进行计算以确定详细的装配工艺参数。以白鹤滩水电站深孔弧形工作闸门支铰装置的装配为例，讨论了支铰轴冷冻装配过程需要确定的装配工艺参数和装配工艺方法。

白鹤滩水电站为I等大(1)型工程，电站建成后将仅次于三峡水电站成为中国第二大水电站。白鹤滩水电站共设置了7孔深孔弧形工作闸门，分别设置在4个不同高程，孔口尺寸为5.5 m×8 m,弧面曲率半径为R15004±1，弧面精加工后，表面覆贴材质为06Cr19Ni10的4 mm厚不锈钢板，工作闸门主止水采用充压式止水。在其制造过程中，有针对性地实施了《金沙江白鹤滩水电站深孔弧形工作闸门制造》专项科研课题并报送中国水利水电第七工程局有限公司。

水电站深孔弧形工作闸门支铰装置常规的装配方式为工装压装法和冷冻装配法。工装压装法适用于支铰装置结构简单、装配间隙较大的情况，该方法的优点是经济实用；缺点是不适用结构相对复杂且装配配合关系多种的结构，各装配件位置调整难度较大，容易在装配过程中损伤配合表面而导致降低了装配质量，甚至会出现装配件报废的情况。冷冻装配法的特点主要是增大装配间隙，降低装配难度，满足装配关系。白鹤滩水电站深孔弧形工作闸门的支铰装置主要由活动铰、固定铰、支铰轴、自润滑球面滑动轴承、压环、挡环和轴肩环等零件组成，单套支铰装置重49.5 t，支铰轴直径为850 mm，总长1 520 mm，零件重量为6 548 kg。通过对各配合关系进行分析得知：支铰轴在整个装配过程中的最小配合间隙为0.026 mm，通过常温直接用工装压装法完成装配风险较大。因此，必须采用支铰轴冷冻装配法方能满足装配要求及装配质量。

白鹤滩水电站深孔弧形工作闸门支铰装置的装配过程为：将自润滑球面滑动轴承装入活动铰的内孔中,并用压环及螺栓将其固定在活动铰上；将一件挡环用螺栓固定在固定铰的外侧，然后将活动铰和自润滑球面滑动轴承组合体和固定铰分别向上放置在一条轴线上,在活动铰和固定铰之间放入轴肩环等零件，并将各零件内孔调整在一个圆柱面上，再将经过冷冻后的支铰轴穿入活动铰和自润滑球面滑动轴承组合体和固定铰中心的内孔中，当支铰轴到达固定铰下面的挡环时，将另外一件挡环用螺栓固定在固定铰朝上的平面上，从而完成深孔弧形工作闸门支铰装置的装配。待支铰轴恢复常温后，临时固定固定铰，转动活动铰，检测其转动至无卡阻、转动角度满足设计需求为止。

2 装配过程分析

冷冻装配是装配方法的一种，它是利用材料热胀冷缩的原理将需装配件先冷冻、使零件尺寸收缩(将过盈配合变为间隙配合)后再进行装配。冷冻装配方案相较于加热装配和普通装配，冷冻装配更能降低装配工人的劳动强度，减少装配过程中的危险，提高劳动效率和装配质量，避免母材及其配合零件损伤等。该方法广泛用于铜/钢套、轴承、支铰轴、模具的装配。由于支铰装置的特殊性，多年来支铰轴的装配一直采用冷冻装配工艺。

支铰轴的冷冻装配工艺过程可以采用气态冷冻和完全浸泡冷冻法。因为支铰轴体积大、配合面大，通常采用支铰轴经液氮完全浸泡的装配方法，其工作温度可以达到-196 ℃，也就是说：在装配过程中，支铰轴实际上是进行了一次深冷处理。其具有的最大缺点是热冲击性大，其冷冻工件内部可能产生组织缺陷，甚至会造成工件变形或开裂。因此，必须控制工件的升降温速度，避免因冷热导致的工件内部出现热应力。

根据深冷处理的作用机理，在支铰轴装配前的降温过程中，一部分残余奥氏体会发生相变而转变为新的马氏体，同时也促进了碳化物的析出，在一定程度上提高了工件的硬度和强度，使材料的韧性增加，金属基体会更加稳定。但残余奥氏体的相变会引起工件中各种组织体积比例的变化，从而引起工件内部的应力发生变化。

在支铰轴冷冻装配过程中，需要特别注意的是：由于支铰轴工件尺寸较大，其工件内部可能存在各种组织缺陷，冷冻过程中容易引起局部的变形开裂。因此，应控制其冷冻速度和时间以减小热应力，避免工件变形开裂。另外，冷冻装配之后应及时回火，以获得稳定的回火马氏体组织，并使少量的残余奥氏体进一步转化和稳定化，以消除部分热应力。

3 冷冻装配工艺参数的计算

3.1 装配间隙的计算

白鹤滩水电站深孔弧形工作闸门支铰装置的自润滑球面滑动轴承及活动铰与支铰轴的配合为间隙配合。其部分相关数据为：支铰轴与固定铰和自润滑球面滑动轴承的配合直径为850 mm, 支铰轴与自润滑球面滑动轴承的配合长度为600 mm, 支铰轴与固定铰的配合长度为1 420 mm, 所采用的配合均为间隙配合：Φ850 mmH8/g7。

3.1.1 最小配合间隙

零件最小配合间隙的计算式为[1]：

Xmin=Dmin-dmax

(1)

式中Xmin为最小配合间隙；Dmin为孔的最小极限尺寸：dmax为轴的最大极限尺寸。

固定铰和自润滑球面滑动轴承孔的最小极限尺寸为Φ850 mm，支铰轴的最大极限尺寸为Φ849.974 mm。[2]

由式(1)得：Xmin=0.026 mm。

3.1.2 零件的圆柱度公差

一般重型机械零件的未注圆柱度公差取零件公差值的70%计算。固定铰或自润滑球面滑动轴承孔的内径公差为0.14 mm，其圆柱度公差取0.098 mm。支铰轴的外径公差为0.09 mm，其圆柱度公差取0.063 mm。

3.1.3 装配间隙的确定

根据上述计算，对支铰轴的装配而言，最低极限的间隙=固定铰或自润滑球面滑动轴承孔的圆柱度公差+支铰轴的圆柱度公差-支铰轴与固定铰和自润滑球面滑动轴承的最小配合间隙。计算结果为0.135 mm。

通常冷冻装配工艺推荐的装配间隙为配合零件直径的0.05%～0.1%(即0.425～0.85 mm)。结合上述计算结果，考虑到装配的需要确定白鹤滩水电站深孔弧形工作闸门支铰装置的装配间隙为0.425 mm。

3.2 冷冻温度的验算

对于采用液氮浸泡法降温的冷冻装配，冷冻温度验算的目的是确认支铰轴在-196℃的状态下能否获得适当的装配间隙。采用液氮气态法降温的冷冻装配是需要设定的工作温度。冷冻温度T的计算公式为[2，3]：

T=To-ek/αo×d

(2)

式中To为室温(以成都平原多年平均气温16.1 ℃计算)；ek为冷冻时需要的间隙(0.425 mm)；d为支铰轴的外径(850 mm) ；αo为零件线膨胀系数(文献[2]中钢质材料热膨胀系数为1.2×10-5/℃)。

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

理论上，当支铰轴的温度降低到-25.6 ℃即可满足冷冻装配的间隙要求。鉴于此温度要求，比较合理的方式就是采用液氮气态法降温。考虑到液氮气态法降温需要专用的冷处理炉，但在实际应用时仍采用液氮浸泡法降温。

3.3 等温时间的计算

冷冻工件达到仪表显示的温度时，只是表明此时是工件的表面温度，并不能代表工件内部实际已经达到所需的温度。为了使大型工件的内部全部达到需要的实际温度，则需要通过一段等温时间。圆截面工件的等温公式为：

t=D×c×t终/(t冷剂+30)

(3)

式中t为等温时间，min；t终为工件的最终处理温度(取支铰轴的装配温度-25.6 ℃)；t冷剂为冷冻剂的温度(取液氮温度-196 ℃)；D为圆形工件的有效厚度(取支铰轴的半径425 mm)；c为常数(工件在冷冻剂直接交换热量时c=1)。

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

鉴于支铰轴工件属于大型工件，经综合考虑工件各部位实际温度存在的差异和计算结果，最终确定的等温时间为2 h。

3.4 冷冻装配工艺的选择

冷冻装配在机械行业是一种特殊的装配工艺，对工序的要求较为苛刻。下述情形能够说明冷冻装配工艺工序要求的复杂与严苛程度。

美国吉列公司剃须刀片的冷处理方案：以每min降低0.25 ℃～0.5 ℃以内的速度降低到-185 ℃，降温时间约12 h,然后保温24～36 h，再缓慢以每min上升0.25 ℃～0.5 ℃以内的速度升到室温，升温时间约12 h，再经过8 h达到更高的温度(+160 ℃)。整个过程需要54～66 h左右。

根据文献[4]推荐：以每min降低0.5 ℃～6 ℃以内的速度降低到-190 ℃，降温时间约7 h,然后保温1～4 h，再缓慢地以每min上升2 ℃～10 ℃以内的速度升到室温，升温时间约2 h(亦可使工件在空气中自然回温)。继续经过2 h，在回火炉中加热达到+160 ℃的温度，然后再经过2 h随炉冷却至室温，整个过程需要14～17 h左右[4]。

参考上述工艺要求和冷冻装配的计算结果，将支铰装置的冷冻装配工艺确定为：将支铰轴放入容器中，注入液氮。当支铰轴裸露在空气中的部分的温度达到-30 ℃后开始计时。经过2 h等温时间后，用量具检测确认支铰轴直径收缩0.425 mm，用起重机吊起支铰轴进行装配，当支铰轴的轴向尺寸到位后，用工业保温棉进行有效的覆盖，防止工件温度快速回升。

4 装配工艺的注意事项

支铰轴冷冻装配为多年形成的成熟工艺，但该装配工艺并非完美无缺，仍存在优化的空间。通过控制冷冻速度和时间、尽量减小工件内部的温度应力可以避免工件变形与开裂。另外，由于冷却剂的大量使用提高了装配成本，同时冷冻装配的操作时间较长导致操作人员的安全风险较高，故该方法属于不太经济的装配工艺。

从冷冻温度的验算结果可知：采用专用的冷处理炉进行液氮气态法降温是一种较佳的选择。因为若将支铰轴降温到-25.6 ℃以下较易实现，则对支铰轴组织的影响很小，从而可以有效降低热应力，防止工件变形开裂，对于提高产品质量具有非常积极的意义；其缺点是这种装配工艺需要特制的冷处理设备。

如果采用加热装配，可以避免由于冷冻装配引起的温度应力，在需要获得同样的装配间隙时，固定铰和自润滑球面滑动轴承的加热温度由式(4)确定：

T=To+b/ao×d

(4)

式中各指标的含义与式(2)相同，其计算结果为57.8 ℃。

从以上计算结果可以看出：如果使用比57.8 ℃更高的加热温度，即可获得更大的装配间隙。参考橡胶密封件的使用温度，将固定铰和自润滑球面滑动轴承及密封件一起加热到90 ℃左右并不会影响橡胶密封件的使用性能。因此，采用加热装配也是一种较好的选择。当然，这种装配工艺需要特制的加热设备。

理论上，对冷冻装配后的支铰装置应该在+140 ℃～+160 ℃温度下的加热炉中进行回火处理[5]。但是，在实际装配作业中，因支铰装置常有橡胶密封而不宜进行低温回火处理。因此，所采用的装配工艺是基于生产现状而进行的现实选择。

为保证装配质量，冷冻装配的注意事项为：(1)零件冷冻前需将其表面油污、毛刺清理干净；(2)如果同时冷冻多种规格和材质的零件，需对零件进行编号；(3)零件在冷冻装置里应排列整齐，冷冻速度不宜过快以避免温度急剧下降导致零件产生内伤；(4)装配前，应将包容件的毛刺清理干净并将其表面擦拭干净，将孔的内壁擦拭干净后再将包容件整齐排列待装配；(5)装配时动作应迅速，如果出现装配不顺的情况，需用铜棒辅以工装轻轻敲击；(6)当零件表面凝结厚霜时不得装配；(7)零件吊装过程中应防止磕碰；(8)虽然液氮为非易燃物，但在其使用、运输和贮藏液氮时必须注意安全。为了保证装配安全，作业时应佩戴防冻手套，不要用手直接接触液氮，并且应防止液氮溅到身上引发冻伤；应在通风的场所使用液氮，以防氮气使人窒息；装运液氮时，不要将液氮封装过严，以防发生物理爆炸等危险。

5 结 语

通过对支铰轴冷冻装配进行分析与计算，以及对装配工艺进行的改进讨论，目前所实施的弧形工作闸门支铰装置的冷冻装配工艺仅仅满足了工厂现实状况的需要，还不能完全规避冷冻工艺过程产生的缺陷，属于存在一定质量风险的冷冻装配工艺。希望本文能够促进未来支铰轴冷冻装配工艺的迭代优化。《金沙江白鹤滩水电站深孔弧形工作闸门制造》专项科研课题现已完成并已获奖。