劉豐, 齊軍, 唐順杰
(武漢第二船舶設(shè)計研究所,武漢430064)
在超高壓容器設(shè)計過程中,由于容器本體密封、聯(lián)接等功能的需要,常需要在筒體表面開設(shè)內(nèi)螺紋孔,以便于超高壓容器本體與其配套加壓系統(tǒng)、卸壓系統(tǒng)等可靠聯(lián)接。由于超高壓容器的設(shè)計壓力較大,故設(shè)備壁厚均較大,而當(dāng)需要在設(shè)備表面開設(shè)內(nèi)螺紋孔時,內(nèi)螺紋的深度可能對超高壓容器的安全性能、有效厚度等造成較大的影響,本文僅以公司自主研發(fā)并生產(chǎn)的一例超高壓旋流除砂裝置中的除砂筒的內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)設(shè)計為例,介紹在超高壓容器中設(shè)計內(nèi)螺紋的選擇原則并提出改進建議。
圖1 螺紋孔典型位置圖
超高壓容器的典型螺紋聯(lián)接面分別為筒體端蓋、筒體底部及筒體徑向方向等聯(lián)接面。我公司在實際工程中有一超高壓容器需要開設(shè)螺紋孔,其開孔位置見圖1,其中孔A為端蓋開孔,孔B為筒體徑向孔,孔C為筒體軸向孔,這三種孔涵蓋了壓力容器應(yīng)用中的三種典形開孔。
內(nèi)螺紋孔對超高壓容器的設(shè)計校核中,可分別根據(jù)文獻[1]的附錄C7.6、文獻[2]提供的Peterson應(yīng)力集中設(shè)計系數(shù)法分別對孔A、孔B及孔C所在零部件進行強度校核。由于螺紋孔的長度將影響容器的有效壁厚,螺紋孔的徑向開孔尺寸可形成局部應(yīng)力集中,對超高壓容器的安全性造成影響??芍?,孔的直徑和深度對容器有一定影響,其中孔的直徑一定的情況下,應(yīng)盡可能縮小孔的深度,確保容器的有效厚度。
內(nèi)螺紋的結(jié)構(gòu)選擇及設(shè)計過程中,應(yīng)結(jié)合螺紋的設(shè)置位置、結(jié)構(gòu)尺寸、加工方法及制造成本等方面綜合考慮,否則有可能造成產(chǎn)品成本的不必要增加。
根據(jù)GB/T 3-1997可知,普通螺紋因收尾、肩距、退刀槽、倒角等不同,存在兩種不同結(jié)構(gòu)形式,普通內(nèi)螺紋可分為帶收尾和肩距內(nèi)螺紋及帶退刀槽內(nèi)螺紋,其結(jié)構(gòu)形式如圖2、圖3所示。
圖2 帶收尾和肩距內(nèi)螺紋
圖3 帶退刀槽內(nèi)螺紋
一般情況下,相同螺距的帶收尾和肩距內(nèi)螺紋比帶退刀槽內(nèi)螺紋實際尺寸偏長。
其主要原因是:帶收尾和肩距內(nèi)螺紋中肩距尺寸大于帶退刀槽內(nèi)螺紋的退刀槽尺寸,但收尾的尺寸與退刀槽的尺寸相同。
兩種內(nèi)螺紋一般均可通過成形刀具或磨具在工件上加工,主要有車削、銑削、攻絲套絲磨削、研磨和旋風(fēng)切削等。
其中車削、銑削和磨削螺紋時,工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn),機床的傳動鏈保證車刀、銑刀或砂輪沿工件軸向準(zhǔn)確而均勻地移動一個導(dǎo)程。該方法前提條件是螺紋孔徑較大,且便于裝夾,螺紋孔盡量設(shè)置在回轉(zhuǎn)體軸心線上。
在攻絲或套絲時,刀具(絲錐或板牙)與工件作相對旋轉(zhuǎn)運動,并由先形成的螺紋溝槽引導(dǎo)著刀具(或工件)作軸向移動。該方法應(yīng)用前提條件是螺紋孔徑相對較小,對裝夾無特殊要求,螺紋孔的設(shè)置位置無要求。
帶收尾和肩距內(nèi)螺紋的加工順序應(yīng)是先加工通孔,然后加工內(nèi)螺紋。整個加工過程需要用到兩種刀具。其加工難度、成本較低。
帶退刀槽內(nèi)螺紋的加工順序是先加工通孔,然后加工退刀槽,最后加工內(nèi)螺紋。整個加工過程需要用到三種刀具。其加工難度、加工成本稍高,其加工由于退刀槽處于內(nèi)孔位置,故其結(jié)構(gòu)尺寸誤差相對帶收尾和肩距內(nèi)螺紋較大。
通過上述分析,可知帶退刀槽內(nèi)螺紋與帶收尾和肩距內(nèi)螺紋的區(qū)別和適用范圍如表1所示。
表1 內(nèi)螺紋應(yīng)用情況區(qū)別表
通過上述分析可知,圖1中3種孔的選擇原則及結(jié)果見表2。
表2 超高壓容器內(nèi)螺紋孔選擇表
實際應(yīng)用中,由于相同螺距的普通螺紋收尾的尺寸與退刀槽尺寸相同,而肩距的尺寸根據(jù)實際情況可以適當(dāng)減小至0,故實際應(yīng)用中可靈活設(shè)計螺紋的肩距尺寸,以減小螺紋對設(shè)備本體的影響,提高超高壓容器本體材料的有效利用率。
[1] GB150-2011,壓力容器[S].
[2] 丁伯民.高壓容器[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.