張 磊, 權(quán)亞強(qiáng), 梁永增, 任長(zhǎng)清

(成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司, 四川 成都 610100)

1 概述

燃?xì)獗淼姆辣踩珜?duì)于保障燃?xì)庥脩舻纳?cái)產(chǎn)安全以及社會(huì)公共安全具有重要意義。燃?xì)獗矸辣踩婕岸鄠€(gè)方面,包括物理安全(機(jī)械安全、電氣安全、閥控安全、安全切斷)和信息安全(功能安全、通信安全)等內(nèi)容,其中機(jī)械安全是物理安全和信息安全的基礎(chǔ),是燃?xì)獗碣|(zhì)量的關(guān)鍵保障。本文重點(diǎn)關(guān)注機(jī)械安全。

2 燃?xì)獗頇C(jī)械安全

燃?xì)獗硗庥^見(jiàn)圖1。燃?xì)獗淼臋C(jī)械安全涉及多個(gè)關(guān)鍵機(jī)械結(jié)構(gòu),包括:上下殼體之間的密封連接結(jié)構(gòu)、表接頭與上殼體之間的密封連接結(jié)構(gòu)、機(jī)芯輸出軸與上殼體之間的密封連接結(jié)構(gòu)、內(nèi)置閥門控制線及其他傳感器控制線穿過(guò)殼體的密封結(jié)構(gòu)。上下殼體之間的密封連接結(jié)構(gòu)主要形式有密封面整體涂膠壓封、法蘭及橡膠墊圈密封連接等。表接頭與上殼體之間的密封連接結(jié)構(gòu)主要形式有傳統(tǒng)鉚接、焊接等。機(jī)芯輸出軸與上殼體之間的密封連接結(jié)構(gòu)主要形式有軸傳動(dòng)的動(dòng)密封、磁耦合傳動(dòng)的靜密封等。內(nèi)置閥門控制線及其他傳感器控制線穿過(guò)殼體的密封結(jié)構(gòu)主要形式有導(dǎo)線整體穿出方式、內(nèi)外接線柱方式等。

圖1 燃?xì)獗硗庥^

上下殼體完成密封裝配后,在性能檢定和安裝過(guò)程中很少出現(xiàn)密封受損或失效現(xiàn)象,使用中其密封性不會(huì)再受到外界應(yīng)力的影響。機(jī)芯輸出軸與上殼體之間的密封連接結(jié)構(gòu)在完成組裝后,無(wú)論在性能檢定還是安裝使用過(guò)程中,均不會(huì)再受外力影響,僅與管道內(nèi)介質(zhì)的工作壓力有關(guān),只要在使用中沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間處于或超過(guò)最大允許工作壓力,在燃?xì)獗砩芷趦?nèi)基本上都能保持良好的密封狀態(tài)。內(nèi)置閥門控制線及其他傳感器控制線穿過(guò)殼體的密封結(jié)構(gòu)與燃?xì)獗砩舷職んw的密封一樣,屬靜態(tài)密封,裝配完成后,在燃?xì)獗砩芷趦?nèi)基本上能保持良好的密封狀態(tài)。

對(duì)于表接頭與上殼體之間的密封連接,在性能檢定或安裝過(guò)程中,表接頭需要與檢測(cè)臺(tái)的氣源管道或用戶天然氣管道連接,連接過(guò)程中表接頭的外螺紋需要與管道的內(nèi)螺紋緊密連接,會(huì)給表接頭與上殼體連接的部位施加扭矩,造成密封連接部位變形,當(dāng)該變形超過(guò)彈性變形范圍時(shí),部分變形不能恢復(fù),給密封連接造成損害,這也是國(guó)內(nèi)外燃?xì)獗懋a(chǎn)品規(guī)定扭矩和彎矩限值的主要原因。一般規(guī)定家用燃?xì)獗肀斫宇^可承受的扭矩為110 N·m,彎矩為40 N·m,這主要是針對(duì)傳統(tǒng)的采用橡膠圈密封的鉚接表接頭。由于鉚接是由表接頭與上殼體之間過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)的,為保證其配合面及端面氣密性,設(shè)置了O形橡膠密封圈(簡(jiǎn)稱橡膠密封圈)。

上殼體一般在表面處理后進(jìn)行鉚接且過(guò)盈量并不大,因此不能承受很大的扭矩,而且橡膠密封圈在承受扭矩后會(huì)受到切向力,發(fā)生圓周方向的形變。而在燃?xì)獗戆惭b等過(guò)程中,大扭矩?zé)o法完全避免,且燃?xì)獗硎褂枚嗄旰?橡膠密封圈所受的持續(xù)應(yīng)力和變形會(huì)引發(fā)密封圈分子鏈斷裂或降解,橡膠密封圈失去彈性,環(huán)境中的氧化作用、熱老化(廚房環(huán)境溫度較高)、機(jī)械應(yīng)力和化學(xué)物質(zhì)的影響也會(huì)進(jìn)一步削弱橡膠密封圈的性能,使其變硬、脆化,并導(dǎo)致表面裂紋和劃傷,最終導(dǎo)致橡膠密封圈性能下降、彈性喪失和壽命縮短,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起燃?xì)庑孤?/p>

3 表接頭與上殼體的連接方式

3.1 傳統(tǒng)鉚接

傳統(tǒng)鉚接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。傳統(tǒng)鉚接工藝是先將金屬墊圈(其作用是限制上殼孔鉚接后的擴(kuò)張)從燃?xì)獗砩蠚んw內(nèi)部套在上殼體的翻邊孔外壁上,然后將套有橡膠密封圈的表接頭軸孔端從上殼體的翻邊孔外部壓入,再將表接頭軸孔端壓鉚翻邊,表接頭軸孔端和金屬墊圈就分別牢牢地固定在了上殼體翻邊孔的內(nèi)壁和外壁上。由于翻邊孔本身很薄,所以能夠承受的扭矩不大,還需要表接頭軸外壁與翻邊孔內(nèi)壁之間的過(guò)盈配合提供緊固力。有的設(shè)計(jì)采用了連體式墊圈,連體式墊圈指2個(gè)表接頭所使用的金屬墊圈是連接在一起的,這樣墊圈與殼體相對(duì)固定,起到了加強(qiáng)固定的作用。

圖2 傳統(tǒng)鉚接結(jié)構(gòu)

生產(chǎn)實(shí)踐中,橡膠密封圈易受到高速?zèng)_壓產(chǎn)生損傷導(dǎo)致密封性不良,由于表接頭的臺(tái)階面與上殼內(nèi)翻邊孔周圍外表面的接觸面小且存在一定傾斜,導(dǎo)致橡膠密封圈在環(huán)形縫隙處的擠壓變形不一致,且有可能受到周圍油水等液體的浸入,產(chǎn)生溶脹損害密封。表接頭軸孔端鉚接時(shí)擴(kuò)張度難以控制,導(dǎo)致墊圈產(chǎn)生的抱緊力一致性差,表接頭扭矩不穩(wěn)定而造成合格率不高,且難以檢測(cè),在連接時(shí)如果用力過(guò)大,表接頭可能相對(duì)墊圈產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng),或者表接頭帶動(dòng)翻邊孔外壁和墊圈轉(zhuǎn)動(dòng)。總體上講,傳統(tǒng)鉚接技術(shù)應(yīng)用于表接頭和上殼體的連接存在以下缺陷:

① 橡膠密封圈在使用過(guò)程中可能受到打滑、損傷等影響,其密封性能容易受損,從而可能導(dǎo)致泄漏問(wèn)題。

② 傳統(tǒng)鉚接方式在連接過(guò)程中往往無(wú)法保證橡膠密封圈與表接頭之間的壓縮一致性,這可能導(dǎo)致橡膠密封圈在不同部位承受不均勻的應(yīng)力,從而影響密封性能的穩(wěn)定。

③ 橡膠密封圈本身易受溫度、化學(xué)物質(zhì)等影響,長(zhǎng)期使用容易出現(xiàn)老化、硬化現(xiàn)象,從而使其彈性和密封能力下降。

3.2 焊接

焊接是將表接頭與上殼體連接處采用高溫熔化的焊接材料進(jìn)行連接,焊接工藝的發(fā)展使得表接頭與上殼體的連接更為牢固,同時(shí)焊接過(guò)程中還可以通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確裝配,大大提高了產(chǎn)品的合格率。此外,焊接方式還可以有效避免傳統(tǒng)鉚接方式中密封圈受高速?zèng)_壓損傷導(dǎo)致的密封性不良問(wèn)題,確保燃?xì)獗碓谑褂眠^(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。但焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)焊接不均勻、焊線過(guò)薄的問(wèn)題,對(duì)技術(shù)、工藝的要求較高,需在焊接過(guò)程中引入自動(dòng)化和智能化技術(shù),如智能焊接機(jī)器人和焊接質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)等,以提高焊接工藝的標(biāo)準(zhǔn)化和一致性,一般技術(shù)實(shí)力較強(qiáng)的企業(yè)才會(huì)選擇焊接。表接頭與上殼體焊接連接特點(diǎn)如下:

① 密封性好。采用焊接連接后,上殼體和表接頭能夠熔為一體,可以承受大扭矩。

② 強(qiáng)度和硬度高。提高了燃?xì)獗淼哪陀眯院桶踩?焊接接頭強(qiáng)度可以接近母材強(qiáng)度,承載能力高。

③ 可通過(guò)控制焊接電流、焊線位置、焊接時(shí)間等參數(shù)實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的精細(xì)化控制,有效保障焊接強(qiáng)度和密封性。

4 表接頭焊接結(jié)構(gòu)

表接頭與上殼體的焊接需要在細(xì)微之處下功夫,我公司的燃?xì)獗肀斫宇^焊接結(jié)構(gòu)已獲得專利[1]。表接頭不僅要與上殼體緊密結(jié)合,更要確保表接頭能夠與墊圈完美熔合,達(dá)到最佳的密封效果。

表接頭結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。第一凸環(huán)與表接頭本體是通過(guò)對(duì)坯料進(jìn)行車削加工而成的,這樣的設(shè)計(jì)能夠有效保障表接頭本體的尺寸精度以及形狀一致性。

圖3 表接頭結(jié)構(gòu)

墊圈結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。墊圈由金屬制成,存在第二凸環(huán),通過(guò)專用模具沖壓成型,墊圈的作用是提高表接頭與墊圈之間的抗扭矩、抗彎矩強(qiáng)度,提升穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)一是方便焊接,二是能夠有效提升墊圈的機(jī)械強(qiáng)度,從而提高燃?xì)獗淼陌踩阅堋|圈的使用壽命較長(zhǎng),即使在惡劣的使用環(huán)境下,也能保持正常工作狀態(tài)。

圖4 墊圈結(jié)構(gòu)

燃?xì)獗砩蠚んw、表接頭、墊圈焊接前的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。上殼體處于表接頭本體的第一凸環(huán)和墊圈的第二凸環(huán)之間。完成焊接后,三者熔為一體,確保了表接頭牢固地固定在上殼體上,并且在長(zhǎng)時(shí)間使用后仍然保持良好的密封性能,有效避免了漏氣問(wèn)題。

圖5 上殼體、表接頭、墊圈焊接前的結(jié)構(gòu)

5 表接頭焊接裝置、流程、效果

5.1 表接頭焊接裝置

燃?xì)獗肀斫宇^焊接裝置(已獲得專利)[2]屬于中頻逆變電阻焊接設(shè)備,裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。結(jié)構(gòu)包括工作臺(tái)、焊接臺(tái)、氣動(dòng)裝置、2個(gè)下電極桿、2個(gè)下電極頭、下壓臺(tái)(圖中未給出)、上電極桿、上電極頭。工作臺(tái)上設(shè)有滑軌,焊接臺(tái)固定于滑軌上通過(guò)氣動(dòng)裝置左右滑動(dòng),焊接臺(tái)上垂直固定2個(gè)下電極桿,下電極桿上固定有下電極頭。下壓臺(tái)位于焊接臺(tái)上方且下表面垂直固定上電極桿,上電極桿頭部固定上電極頭,上電極頭位置對(duì)應(yīng)下電極頭。

圖6 燃?xì)獗肀斫宇^焊接裝置結(jié)構(gòu)

5.2 表接頭焊接流程

① 準(zhǔn)備工作

將兩個(gè)墊圈分別固定在兩個(gè)下電極頭上,然后取燃?xì)獗砩蠚んw,調(diào)整上殼體上進(jìn)氣口和出氣口的位置,使得進(jìn)氣口和出氣口分別正對(duì)著兩個(gè)下電極頭,將上殼體也固定在下電極頭上。此外,準(zhǔn)備工作還包括對(duì)表接頭、墊圈、上殼體進(jìn)行清潔和檢查以及進(jìn)行焊接臺(tái)安全檢查和評(píng)估等。

② 安裝表接頭

將表接頭放置在上殼體的進(jìn)氣口和出氣口內(nèi),并調(diào)整其位置,使得表接頭上的第一凸環(huán)與墊圈上的第二凸環(huán)對(duì)準(zhǔn)。

③ 上電極頭位置調(diào)整

調(diào)整上電極頭的位置,使其對(duì)準(zhǔn)其中一個(gè)下電極頭,以保證上電極頭能夠準(zhǔn)確接觸到燃?xì)獗肀斫宇^的焊接區(qū)域。

④ 焊接

電流通過(guò)上電極(包含上電極桿、上電極頭)、表接頭、上殼體、墊圈流到下電極(包含下電極桿、下電極頭),形成回路。由于表接頭、墊圈與上殼體的接觸面積小,電阻大,產(chǎn)生高溫高熱,再通過(guò)上電極向下的壓力將這3個(gè)部件牢固地焊接在一起。完成一個(gè)表接頭焊接后,下壓臺(tái)上升,氣動(dòng)裝置控制焊接臺(tái)移動(dòng)至下一個(gè)表接頭,重復(fù)焊接過(guò)程。焊接過(guò)程中要注意保持適當(dāng)?shù)暮附訙囟群蛪毫?以保證焊接質(zhì)量。

⑤ 焊接完成后的檢查

燃?xì)獗韮蓚€(gè)表接頭均完成焊接后,還需對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行檢查和處理,以確保焊接工作的完成度和可靠性。

5.3 焊接效果

根據(jù)金屬材料的屬性、材料厚度以及接觸面積等因素,在焊接過(guò)程中對(duì)電流、焊接位置以及焊接時(shí)間進(jìn)行精確控制,成功克服了薄壁金屬(上殼體材料)焊接易出現(xiàn)穿孔的技術(shù)難題。表接頭、上殼體及墊圈熔為一體,降低了由于安裝不當(dāng)或意外受力導(dǎo)致燃?xì)獗斫宇^泄漏的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而保證了燃?xì)獗淼拿芊庑阅堋?/p>

采用該焊接技術(shù),實(shí)現(xiàn)了焊接處可承受的扭矩達(dá)250 N·m以上,遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6968—2019《膜式燃?xì)獗怼泛蜌W洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1359:2017《膜式燃?xì)獗怼芬?guī)定的扭矩限值110 N·m。實(shí)驗(yàn)表明,采用焊接連接的燃?xì)獗?當(dāng)扭矩達(dá)到250 N·m時(shí)不會(huì)發(fā)生變形和密封性能降低的情況,扭矩達(dá)到320 N·m時(shí)也只會(huì)發(fā)生輕微變形,密封性能仍然完好。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用焊接技術(shù)使燃?xì)獗淼恼w密封性能得到提升,大幅降低了燃?xì)庑孤┑目赡苄?焊縫結(jié)構(gòu)致密穩(wěn)定,具備顯著的安全性和可靠性。