馬超 張瑜 陳姍姍 劉憶萱

【摘要】氣瓶圓錐螺紋用于氣瓶的瓶口與瓶閥連接，螺紋的強度及密封性是保證氣瓶質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是密封相對薄弱的環(huán)節(jié)。氣瓶螺紋的質(zhì)量與企業(yè)安全生產(chǎn)和人民生活安全密切相關(guān)。因此，詳細了解、正確使用、準確檢測氣瓶錐螺紋量規(guī)是非常必要的。本文主要介紹了用中圖測長機檢測氣瓶圓錐螺紋塞規(guī)、環(huán)規(guī)中徑的方法和步驟，并對其基本牙型參數(shù)作了簡單介紹。

【關(guān)鍵詞】氣瓶圓錐螺紋；測長機；中徑

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.06.005

Method for Measuring the Pitch Diameter of Conical Thread Gauges for Gas Cylinders

MA Chao， ZHANG Yu， CHEN Shanshan， LIU Yixuan

（Liaoning Institute of Metrology， Shenyang 110004， China）

Abstract： The conical thread of gas cylinders is used to connect the bottle mouth and valve of gas cylinders. The strength and sealing of the thread are one of the key links to ensure the quality of gas cylinders， and it is also a relatively weak sealing link. The quality of gas cylinder threads is closely related to the safety of enterprise production and people’s lives. Therefore， it is necessary to have a detailed understanding， correct use， and accurate detection of cylinder taper thread gauges. This article mainly introduces the method and steps of using the Zhongtu length measuring machine to detect the diameter of the conical thread plug gauge and ring gauge of gas cylinders， and provides a brief introduction to their basic tooth shape parameters.

Key words： gas cylinder conical thread； length measuring machine； median diameter

硅烷、三氟化氮、氟氣、氯化氫等特種氣體的包裝容器大多使用氣瓶，包括普通鋼瓶、Y-Ton鋼瓶，以及裝載大容積無縫鋼瓶的集裝管束、長管拖車等。大多數(shù)壓縮氣體鋼瓶要求安裝至少一個閥門，一般稱之為瓶閥。瓶閥與鋼瓶間是靠錐螺紋連接的。對失效管理進行調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)失效部位大都發(fā)生在錐螺紋連接處。因為特種氣體可能存在毒性、腐蝕性、窒息性、易燃易爆等危險，所以對氣瓶安全性、密封性的要求非常嚴格。在設(shè)計、安裝、運行等環(huán)節(jié)存在的任何一個安全隱患都會給人員、財產(chǎn)、環(huán)境帶來災(zāi)難性的影響。因此，氣瓶檢驗用的量規(guī)和維修用的絲錐量值必須準確可靠（螺紋量規(guī)用于測量瓶口螺紋、頸圈螺紋、瓶帽螺紋、瓶閥尾部螺紋；絲錐用于維修瓶口螺紋）。生產(chǎn)廠家必須是經(jīng)過計量部門認可并取得認可證書的廠家，使用者需要明確量規(guī)的用途和型號。

本文以國標氣瓶螺紋（PZ）為例（螺紋代號：PZ19.2、PZ27.8、PZ30.3、PZ39.0），其符合GB/T 8336—2011《氣瓶專用螺紋量規(guī)》和GB/T 8335—2011《氣瓶專用螺紋》標準中規(guī)定的螺紋基本牙型和參數(shù)定義。螺紋牙型角α=55°，錐度為3∶25，氣瓶錐螺紋量規(guī)牙型角平分線垂直于錐體母線，牙型角高度h和原始三角形高度H均定義在垂直于錐體母線方向上，螺距P定義在平行于母線方向上，直徑參數(shù)定義在垂直于軸線的方向上?；狙佬腿鐖D1所示。在不考慮螺旋升角的影響時，根據(jù)相關(guān)規(guī)程最佳測針直徑可以采用公式（1）來計算。

而中圖測長機可以根據(jù)所選擇的氣瓶錐螺紋量規(guī)標準，再根據(jù)輸入的型號選擇相關(guān)的參數(shù)算法，直接算出最佳測針直徑，從而免去了大量的復雜計算。在使用時，直接選擇相應(yīng)的測針即可。

不同國家生產(chǎn)的氣瓶錐螺紋依據(jù)不同的標準有不同的參數(shù)定義和基本牙型，螺紋中徑的加工精度、牙型角、錐度、螺距、牙型角平分線垂直于圓錐體母線或軸線的選擇、基面距等也有所不同，所以測量不同量規(guī)參數(shù)時應(yīng)具體問題具體對待。

1）基準平面是垂直于螺紋軸線，具有基準直徑的平面，簡稱基面。氣瓶錐螺紋環(huán)規(guī)是大端平面；氣瓶錐螺紋塞規(guī)是到小端的距離等于基準距離的平面。我們測量某個截面的螺紋中徑，通過錐度等相關(guān)參數(shù)計算，就可以推算出基準平面上的中徑數(shù)值。相關(guān)的測量軟件會集成相關(guān)算法，便于分析計算。

2）基準距離，簡稱基距，是從基準平面到錐螺紋塞規(guī)小端的距離。塞規(guī)尺寸代號PZ19.2的基準距離為16 mm；塞規(guī)尺寸代號PZ27.8、PZ30.3、PZ39.0的基準距離為17.67 mm；環(huán)規(guī)基準距離為0 mm。

3）圓錐螺紋螺距是在中徑線上相鄰牙對應(yīng)兩點間平行圓錐體母線的距離。

2.1測量依據(jù)與主要計量標準器

GB/T 8336—2011《氣瓶專用螺紋量規(guī)》。CHOTEST SJ5100-lab3000型號測長機，軟件選擇測力光柵為0.3 N。

2.2測量對象

以型號PZ19.2的圓錐螺紋塞規(guī)為例。

2.3環(huán)境條件

環(huán)境溫度：（20±1）℃，相對濕度不大于65%。

2.4測量方法

1）開機，對測長機進行“回零”操作找到零點。打開Y軸、Z軸數(shù)顯千分表。打開專用軟件，在中圖電腦軟件標準中選擇氣瓶螺紋量規(guī)標準GB/T 8336—2011，找到規(guī)格尺寸代號PZ19.2的選項，界面中可以看到各種參數(shù)（螺距、牙型角、錐度、錐角等）的允差、螺紋長度、基準距離等。

2）點擊“下一步”，看到最佳測球直徑為1.0225 mm，選擇配備的接近最佳直徑的1.1 mm測球，安裝好，然后在軟件中點擊針/球設(shè)置按鈕，直接調(diào)用已保存的相應(yīng)的測頭常數(shù)，點擊“確定”即可。若沒有標定則需要進行測頭常數(shù)標定。

3）將錐螺紋塞規(guī)用專用夾具固定在五軸工作臺上合適的位置，小端面朝向自己，鎖緊量規(guī)，鎖緊五軸工作臺所有旋鈕。點擊軟件界面“測量”按鈕開始測量，軟件會在相應(yīng)步驟顯示測球與螺紋牙型相對位置圖，如圖2所示。

4）調(diào)平圓錐螺紋塞規(guī)的端面。將測球調(diào)節(jié)到塞規(guī)左側(cè)最接近邊界位置，前后移動工作臺，壓縮Z0數(shù)值0.1～0.2 mm，記作Z0左，清零Z數(shù)值；將測球調(diào)節(jié)到塞規(guī)右側(cè)最接近邊界位置，調(diào)節(jié)并使得Z數(shù)值為0，記錄Z0數(shù)值在右側(cè)數(shù)值為Z0右；調(diào)節(jié)工作臺旋轉(zhuǎn)方向扭，使得Z0右接近（Z0右+Z0左）/2；將測球移動到塞規(guī)左側(cè)位置，調(diào)節(jié)Z數(shù)值為0，記錄新的數(shù)值Z0左，調(diào)節(jié)工作臺旋轉(zhuǎn)方向，使得Z0左接近新的（Z0右+Z0左）/2，不斷重復以上調(diào)節(jié)動作，直到Z0右，Z0左值差異小于2μm，此時認為塞規(guī)端面已經(jīng)調(diào)平。

5）調(diào)節(jié)測球使得測球接觸被測圓錐螺紋塞規(guī)的端面，點擊“采樣”，獲得基面位置（算法程序會根據(jù)這個位置算出真正的基面位置），慢慢向后調(diào)節(jié)工作臺，讓測球輕輕接觸塞規(guī)端面，以Z0剛開始有數(shù)值變化時的位置為采樣位置。

6）采集左側(cè)第一個螺紋牙坐標：調(diào)節(jié)五軸工作臺Y方向把手和頭座，使得測球靠近螺紋規(guī)并位于螺紋塞規(guī)左側(cè)位置，然后調(diào)節(jié)頭座使得測球能進入螺紋牙槽內(nèi)，使X0數(shù)值在0.3000 mm附近，鎖緊頭座，調(diào)節(jié)T形測頭剛好接觸圓錐螺紋塞規(guī)左側(cè)一個合適的螺紋牙（調(diào)Y方向，使得Z0數(shù)值和進入牙槽前數(shù)值相近時為剛剛好，一般為0）；找拐點，上下調(diào)節(jié)工作臺旋鈕，觀察X0值變化，找|X0|的最大值即為拐點；旋轉(zhuǎn)頭座微調(diào)旋鈕，使測力光柵示值為0.3，點擊“采樣”，獲得左側(cè)第一個螺紋牙坐標。

7）采集左側(cè)第二個螺紋牙坐標：松開頭座，移出測球，觀察千分表示值，調(diào)解工作臺前移或后移1個螺距，然后微調(diào)接觸第二個螺紋牙槽，執(zhí)行步驟6）相應(yīng)操作，完成左側(cè)第二個螺紋牙坐標采集。此時一般認為|X0|理論上為最大值，無需再次尋找拐點。

8）采集右側(cè)一個螺紋牙坐標：松開頭座，移出測球，用類似方法測量右側(cè)螺紋牙，使測球接近右側(cè)的螺紋，此螺紋牙的選擇應(yīng)在左側(cè)兩螺紋牙之間。執(zhí)行步驟6）相應(yīng)操作，完成測量數(shù)據(jù)采集，軟件界面會顯示測量結(jié)果。數(shù)據(jù)采集完成，測量過程界面會出現(xiàn)“綜合修正”按鈕。點擊該按鈕，根據(jù)具體情況可對測量結(jié)果進行修正設(shè)置，如螺旋升角、測力、牙型角等量值可進行修正。設(shè)置完成后，點擊確定按鈕，軟件自動重新計算測量值及中徑。塞規(guī)PZ19.2中徑為18.0392 mm。

測量完成后，可在記錄管理中查看記錄、預(yù)覽、打印報表。氣瓶錐螺紋環(huán)規(guī)與塞規(guī)測量方法原理大同小異，只是在找拐點時找|X0|的最小值，環(huán)規(guī)的大面朝向自己，其他類似。

2.5測頭常數(shù)標定方法

1）以標定1.1 mm測球為例，選擇1.1 mm測球安裝后，將標準環(huán)規(guī)固定在五軸工作臺上，鎖緊工作臺。

2）調(diào)平工作臺：在使用單球或T型雙球測頭測量內(nèi)尺寸時，五軸工作臺沒有調(diào)水平會影響測量結(jié)果。

①移動頭座，使得T型雙球測頭與環(huán)規(guī)左內(nèi)側(cè)面上側(cè)接觸，鎖緊頭座，調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕，直到測力光柵示值在0.1～0.3。②點擊“清零”按鈕，搖快速升降手柄，使得測針相對環(huán)規(guī)向下移動，同時觀察軟件指示表示值變化情況。③接觸到下側(cè)時，如果指針偏左（即當顯示為負值時），調(diào)節(jié)水平傾斜旋鈕，使得指針同向（向左）偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量為4倍左右，清零。調(diào)節(jié)升降手柄，使得測針移動至量規(guī)的上側(cè)。④向上走，接觸到上側(cè)時，如果指針偏左（即當顯示為負值時），調(diào)節(jié)傾斜旋鈕，使得指針反向（向右）偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量為3倍左右，清零。調(diào)節(jié)升降手柄，使得測針移動至量規(guī)的下側(cè)。⑤重復步驟③～④直至五軸工作臺調(diào)水平，測力變化在2.0μm范圍內(nèi)，即認為五軸工作臺已經(jīng)水平了。步驟簡單記法為“測球從上往下，同向偏轉(zhuǎn)4倍；從下往上，反向偏轉(zhuǎn)3倍”。示意圖如圖3、圖4所示。

3）標定測頭常數(shù)：在測球標定界面點擊“增加”按鈕，雙擊鼠標輸入測頭的標稱直徑1.1 mm；在設(shè)置框中輸入標準環(huán)規(guī)真值29.9997 mm；點擊“校準”按鈕，彈出預(yù)設(shè)值對話框。將測頭接觸環(huán)規(guī)左側(cè)中間位置，使測力接近0.3，鎖緊頭座，前后移動工作臺，找好拐點，調(diào)好測力值為0.3，點擊“極小值”；再移動測頭接觸環(huán)規(guī)右側(cè)，找好拐點，調(diào)好測力值為0.3，點擊“極大值”，最下一行的數(shù)值即為測頭常數(shù)；點擊“確定”，預(yù)設(shè)值對話框關(guān)閉，測頭常數(shù)自動保存到測頭常數(shù)表格界面，同時主界面的預(yù)設(shè)值也變?yōu)閯倓倶硕ǖ臏y頭常數(shù)。以后再次用相同的球可以直接調(diào)用，但是建議每隔一段時間進行一次常數(shù)標定以保證量值準確。

配備氣瓶錐螺紋量規(guī)標準的測長機（其測量原理與中圖測長機測量原理大同小異，主要是操作方法的不同）、螺紋掃描測量儀、螺紋機等都可以進行檢測。而某些測長機雖然沒有相應(yīng)的標準，但是測量軟件是開放式的，如TRIMOS LABC測長機的QMSOFT軟件。用戶可以自定義設(shè)置參數(shù)，只要螺紋參數(shù)定義方式與被測量規(guī)相同，在軟件中修改螺距、牙型角、錐度、螺紋長度等參數(shù)就可以實現(xiàn)中徑的測量。中圖螺紋機中配備了相關(guān)標準，測量簡單快捷。掃描儀是用帶有兩個指針的探針進行掃描，在接觸到被測螺紋表面后，機械探針在該輪廓上進行連續(xù)的掃描運動（每秒可將數(shù)千個坐標點數(shù)據(jù)儲存在計算機中），隨后在與其軸線對稱的輪廓上連續(xù)掃描以獲得螺紋的輪廓曲線，經(jīng)計算轉(zhuǎn)換為螺紋的各參數(shù)信息，包括大中小徑、螺距和牙型角、錐度等。當我們不知道某個氣瓶螺紋的尺寸代號，如磨損嚴重看不清相關(guān)型號時，可用螺紋掃描儀進行盲掃，即不輸入相關(guān)型號，利用卡尺或者千分尺測量氣瓶錐螺紋塞規(guī)的基準距離，在其軟件相應(yīng)位置輸入基距實測值，然后直接掃描測量，即可測量出相應(yīng)螺紋中徑。根據(jù)測出的中徑數(shù)值也可以對應(yīng)查出其相應(yīng)的型號。

需要說明的是，某螺紋掃描儀相關(guān)軟件里沒有氣瓶螺紋標準（如老版的IAC螺紋綜合掃描測量儀），如果直接掃描測量，這樣得出來的中徑結(jié)果是不準確的。它們所帶的標準可以測量NPT、Rc等錐螺紋量規(guī)，此類錐螺紋量規(guī)牙型角分線垂直于軸線而不是圓錐母線，直徑參數(shù)定義在垂直于軸線方向，螺距定義平行于軸線，掃描儀對其掃描的算法也符合這種參數(shù)定義。如果用來測量PZ型氣瓶錐螺紋量規(guī)，而掃描儀中沒有相應(yīng)的算法，那么牙型角和螺距、中徑的測量結(jié)果也是不準確的。而有的國外生產(chǎn)的氣瓶錐螺紋規(guī)參數(shù)定義與NPT類錐螺紋類似，如NGT螺紋是以美國錐螺紋NPT為基礎(chǔ)，與NPT螺紋在規(guī)格尺寸、量規(guī)基面距、基面中徑和每英寸螺紋牙數(shù)、錐度以及螺紋要素公差完全相同，但比之要長。NPT執(zhí)行標準則為美國FED-STD-H28/7。NGT螺紋的錐度為螺紋錐度為1/16，牙型角為60°，牙型角平分線垂直于線，螺距定義在圓錐螺紋軸線方向。此類錐螺紋量規(guī)，知道基準距離即可用老版的IAC螺紋綜合掃描測量儀進行測量。所以在實際測量中應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合適的標準、儀器進行測量，具體問題具體分析。

【參考文獻】

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[2]氣瓶專用螺紋：GB 8335—2011[S].

[3]宮美望，王召孟，劉文君.基于“測針法”的密封圓錐外螺紋中徑的測量方法探討與干涉問題分析[J].計量與測試技術(shù)，2010，37（10）：13-16.

[4]徐孝恩.螺紋檢驗與測量[M].北京：中國計量出版社，1984.

【作者簡介】

馬超，男，1992年出生，工程師，學士，研究方向為幾何量計量。張瑜，男，1981年出生，高級工程師，碩士，研究方向為幾何量計量。

陳姍姍，女，1988年出生，高級工程師，碩士，研究方向為幾何量計量。

劉憶萱，女，1989年出生，工程師，碩士，研究方向為幾何量計量。

（編輯：李加鵬）