张健

摘  要：文章介绍了螺杆顶压阀门试验机顶紧螺杆螺母副的设计方法，解决了因螺杆自重过大而导致螺杆螺母副传动摩擦力过大的问题。

关键词：阀门试验机;顶紧螺杆;螺杆螺母副传动

中图分类号：TH131 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）14-0090-03

Abstract： This paper introduces the design method of the screw nut pair of the screw jacking valve testing machine， which solves the problem that the screw nut pair transmission friction force is too large due to the excessive self-weight of the screw.

Keywords： valve testing machine; jacking screw; screw nut pair transmission

1 概述

阀门试验机是阀门生产过程中的必需设备，用于对阀门进行水压及气压的上密封试验、壳体试验和密封试验。阀门试验机按对阀门的装夹方式不同可分为抱压式和顶压式两种，其中顶压式可以分为液压顶压式和螺杆顶压式。螺杆顶压阀门试验机以其结构简单、承受力大、适用多种连接形式的阀门、单台设备适用阀门口径范围广等特点在阀门试验中得到了广泛的使用。

螺杆阀门试验机的结构件主要有，左、右牌坊、左、右盲板组件、拉杆、中牌坊（移动牌坊）、顶紧螺杆螺母副以及驱动组件等。顶紧螺杆螺母副是螺杆阀门试验机的核心部件，也是設计难点，设计时不仅要考虑受力还要考虑传动。本文介绍了顶紧螺杆螺母副的设计方法，解决了因螺杆自重过大而导致螺杆螺母副传动摩擦力过大的问题。

2 螺杆顶压阀门试验机的工作原理

螺杆顶压阀门试验机结构如图1所示，左、右牌坊由两条拉杆固定起来，左盲板组件固定在左牌坊上，右盲板组件固定在中牌坊（移动牌坊）上，中牌坊通过滑套安装在两条拉杆上，可以沿着拉杆来回移动，顶紧螺杆与顶紧螺母组成螺杆螺母副，顶紧螺杆一端与中牌坊固定，顶紧螺母安装在右牌坊的孔中，穿过右牌坊后凸台底面贴紧右牌坊，顶紧螺母可以在孔中滚动。

被测阀门装夹时，一端贴紧左盲板组件，然后通过驱动组件控制顶紧螺母转动，这时顶紧螺杆呈直线运动，推着中牌坊前进，直到右盲板组件贴紧阀门右端面。然后操作设备试压系统对阀门进行水压及气压的试验。试验过程中，保证盲板与阀门端面密封所需的推力并非由螺杆提供，螺杆只限定右盲板组件的位置保证其不能后退，左、右盲板组件具有特殊的结构设计，能够保证在试验时盲板始终贴紧阀门端面并达到密封效果。试验结束后，通过驱动组件控制顶紧螺母转动，使得中牌坊后退，右盲板组件离开阀门端面，最后取下阀门。

试验过程中，顶紧螺杆螺母副虽然不提供顶紧阀门的推力，但受到压力介质对右盲板组件产生的并通过中牌坊传递过来的作用力，然后通过顶紧螺母的凸台将力作用在右牌坊上。因此在设计大口径高磅级阀门试验机时，需要设计足够大的螺杆螺母副来承受巨大的推力。同时，为了满足不同结构长度的阀门，需要保证盲板间距的最大、最小值，即螺杆螺母副传动需要足够的行程，也就是说螺杆需要足够的长度，而大直径且较长的螺杆本身的重量也非常大，这使得螺杆螺母副在传动时有很大的摩擦力，因此还要设计特殊的结构来解决摩擦力过大的问题。

3 顶紧螺杆螺母副设计

根据螺杆顶压阀门试验机的工作原理，可知顶紧螺杆螺母副的设计既要考虑受力也要考虑传动，因此选择梯形螺纹比较合适。

以下设计计算以满足40寸600磅阀门的试验机为例。根据计算，顶紧螺杆螺母副需要承受的最大作用力为1650吨。顶紧螺杆材质选用45钢，[σ]=[σs]/n=355/2.5=142MPa，[τ]=71MPa，[σc]=165MPa;顶紧螺母材质选用QT450-10，[σ]=[σs]/n =310/2.5=124MPa，[τ]=62MPa，[σc]=155MPa。

3.1 顶紧螺杆受力计算

根据经验，最大受力在1650吨左右时，顶紧螺杆的外圆直径选用？覫400左右，则梯形螺纹为Tr400螺距选用24，即Tr400×24。然后对该螺杆进行受力计算，如果受力计算不合格则选用更大尺寸的螺杆，如果受力计算有很大的冗余，则可以选用小一号的螺杆。

3.3 螺杆螺母副优化设计

顶紧螺杆螺母副既要考虑受力也要考虑传动，传动部分控制原理为，驱动组件通过齿轮传动带动顶紧螺母转动，顶紧螺杆沿着轴线方向作直线运动。由于试验时顶紧螺杆无需提供推力，所以只需考虑空载时的传动。螺杆螺母副水平放置，螺杆一端固定在中牌坊上，则螺杆自身的重量由中牌坊及螺杆螺母啮合段螺纹来承受。一般大型螺杆顶压阀门试验设备的顶紧螺杆重量均要好几吨重，使得螺纹间的摩擦力会很大，特别是在盲板开档最大位置（图1）时，螺纹啮合段将承受很大的力，且受力不均匀，如图1所示位置时，啮合段的右端螺纹受力非常大，螺纹间的摩擦力也非常大，不利于传动控制。设备在实际运行过程中也经常出现螺纹卡死的现象。

为了解决因螺杆自重过大而导致螺杆螺母副传动摩擦力过大的问题，本文提出了一种将承重转移的设计方法。在螺杆螺母啮合段的后面增加一段滚针（图4），滚针沿着螺杆圆周一圈布置，将螺杆的重量施加到滚针上而不是啮合段螺纹上，虽然滚针受到的重力也将传递到螺母上，但螺杆、滚针以及螺母之间是滚动摩擦，大大减少了传动过程中的摩擦力，且无论盲板开档的变化即螺杆前进后退位置的变化，不影响啮合段螺纹的受力。

螺杆的重量全部由中牌坊和滚针承受，而中牌坊通过滑套安装在两条拉杆上，作用在中牌坊上的重力最终由两条拉杆承受，而螺杆螺母副啮合段螺纹不受重力影响，故降低了对驱动控制的要求。经过实践证明，该方法很好的解决了因螺杆自重过大而导致螺杆螺母副传动摩擦力过大的问题，设备在使用过程中，螺杆螺母卡死的现象得到了极大的改善。

4 结束语

螺杆顶压阀门试验机以其自身的特点在阀门生产过程中得到了越来越广泛的使用。本文介绍的螺杆顶压阀门试验机顶紧螺杆螺母副的设计方法，简单实用，具有一般通用性。对螺杆螺母副的优化设计，本文提出的设计一圈滚针将承重转移的方法，很好地解决了实际应用中因螺杆自重而导致传动摩擦力过大的难题。

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