气柜螺旋导轨制作

 

 

［提要］气柜螺旋导轨几何尺寸的正确程度是保证气柜升降效果的关键。煨制螺旋形导轨时要制作胎具和样板，可采用：几何计算或图解求导轨螺旋线的曲率、直接计算胎具数据两种方法，制作胎具和样板，煨制出合乎标准的螺旋导轨。

 

气柜是可变容积的储存气体设备，用于储存城市煤气、化工生产中的原料气、半水煤气及其它气体。在化工生产中除起着均衡系统负荷和缓冲作用外，同时也有对工艺气体净化除尘的作用。

常见的气柜是由水槽、中节和钟罩组成，依靠中节和钟罩在水槽中自由升降而改变储气容积。其导轨的形状常见的有两种：竖直形（早期）和螺旋形。近年来多采用螺旋形导轨。

 　　

 

图1　气柜构造示意图

 

在螺旋气柜的制作安装中，螺旋导轨作为气柜钟罩、中节的升降、导向的关键部件，其形成质量直接影响气柜的升降和安全。因此，导轨的制作和安装一直成为气柜施工中的关键环节。

螺旋形导轨多采用型钢（钢轨或工字钢）煨制成螺旋线（多头，一般为六头或八头）其螺旋升角为45°，然后固接在圆柱形钟罩（中节）外表面，它既是钟罩、中节升降时的导向构件，又是上下相邻两中节以及*下的中节与水槽相互衔接的构件。螺旋导轨倾斜的方向，两相邻中节按相反方向布置，以便使*中节向左旋转时，另一中节必定向右旋转，以保证相邻两中节升起后相互制约，防止往同一方向倾斜。

螺旋导轨几何尺寸的正确程度是保证气柜升降效果的关键，在加工制作螺旋形导轨时，首先进行放样计算，然后根据放样计算的数据进行胎具和样板的制作。胎具和样板的制作一般可采用：通过计算或作图找出导轨螺旋线的曲率半径，或直接胎具数据计算两种方法进行，从而加工出合乎要求的螺旋形导轨。

一、螺旋线曲率半径的求法

求螺旋线曲率半径的方法有三种：解析法、几何计算法和作图法。在此介绍几何计算法和作图法。

1、几何计算法

                                                               从图2（a）中可看出，弧线M₀M为一根螺旋线的一部分，其所对的弦为M₀M，M点在圆柱底面上投影为E，令底圆上M₀E弧对的中心角∠M₀M=φ,根据投影关系可知：若A点为M₀M的中点，则其在底圆面上的投影C亦为M₀E的中点；若B点为弧M₀M的中点，则在底面上的投影D亦为弧M₀E的中点，且AB＝CD，根据图2（b）可得：

OC＝r cos

AB = CD = r (1-cos)

M₀E = 2 r sin

M₀M==

在图2(C)中，根据勾股定理又可得：

（O′M）²=(MA)²+(O′A)²

即：ρ²＝（）²＋（ρ－AB）²

 

化简：

∵　M₀M＝

 

＝±

　sin² = =  1-cos²

 

∴ 　M₀M＝

故：ρ²＝（）²＋（ρ－AB）²

=+

=+² －2r + r²

= r² +  + ²  － 2r +  r² －2r² + r²

= r²－r²cos²＋＋²－2r+r²－2r² cos＋r²cos²

即：2r²＋－2r－2r² cos＝ 0

 

∴ 2r＝2r²＋

故：ρ＝＋

＝ r +

因此：利用几何计算法求螺旋线曲率半径ρ的公式为：

ρ＝r+

 

2、图解法求螺旋线曲率半径

根据图2（a）的空间关系，可得图解法的步骤如下：

 

 

                  O′

 

                                                                                        M

 

                                                       O

 

Ф          2₀

                ρ                             2

                                                                                                       h

                                                   A

 

                                     1₀                     B

 

                                           1

 

                M₀                        1₀                 C            2₀                           E

 

                                       1              D            2

 

 

图3　　　图解法求螺旋线的曲率半径

 

⑴　以O圆心，以r为半径作扇形，OM₀DE让所对应的角∠M₀OE＝Φ。　

⑵　过E点作M₀E的垂线ME，使ME＝h，并连接M₀M。

⑶　将弦M₀E和M₀M分成相同等分（图中分成4等分，一般为偶数，等分越多越*），过各等分点分别作弦的垂线，取1₀1＝1₀1，AB＝CD，2₀2＝2₀2……。

⑷　用光滑曲线连线M₀1B2M，此光滑曲线即为所求螺旋线形状。

⑸　在 曲 线M₀1B2上 任 取 三点作图，其圆心用O′表示，则OM₀＝OB＝OM＝ρ，用作图比例可直接量取ρ的数值。

二、胎具数据的计算

1、原理

根据螺旋线的性质、投影与实长的关系求实长，如图4，在钟罩或中节上沿导轨所在位置截取弓形体1－1－9－9－1，对角线1－9代表胎具的长度，各胎板高度以中点D左右对称，分别等于2－2，3－3……，胎板间距等于1－A、A－B、……，板与底座夹角α等于圆任一母线在N平面上的投影与对角线1－9的夹角，一般将导轨放在水平放置的胎具上制作，胎具尺寸如图5（图中为右旋导轨胎具，反之胎板按α指向左上方旋转时，为左旋导轨胎具）。

2、数据计算

根据图纸给定的导轨，其展开长度（见图4）中的对角线1－9对应的（1－9）、螺旋升角θ、圆弦半径R（中节或钟罩内半径）利用图4置于直角坐标中导轨水平投影图（图6）中各值间的关系，可按下列步骤方法求出所需的值。

⑴　导轨的水平投影弧长1－9（实际施工时，可适当加大I及对应的各值以利操作）：I＝L cosθ

⑵　弧S对应的圆心角：Φ＝

⑶　弧S对应的弦长：b＝2Rsin　

⑷　导轨的高程：H＝L sinθ

⑸　对角线1－9长即胎具长度：M＝

⑹　弧S对应的弧高：f=R－

⑺　将弦长b划为n等分，各胎板高度计算：

Y_n = R－

F_n= f－Y_n = f－R+

式中n一般以分弦长350～400mm为宜，且n应取偶数。

⑻　板间距1－A、A－B……的计算：e＝

⑼　胎板与底座轴线夹角：α＝90°－cos^－1

⑽　胎板宽度：g＝+100mm

加宽100mm是为了便于定位、固定卡具。

 

 

 

                      R

 

      O                        9

 

 

 

 

      1                                 H                                

 

                                                                    1     A     B     C     D    E      F    G     9

 

     O

 

 

                                                                                                                     e

                                                                                                                                           g

      1                                                              m

 

 

 

 

图4　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5

 

 

 

 

 

                                                      Y

 

                                                4        5        6  

                                     3                                          7                                Y

       f                      2                                                          6

                                  f₃      f₂      f₁       f        f₁      f₂  f₃

 

                    1                                                                               9

                                                         b                     

                                                                            R

 

                                                         Φ

 

                                                                                                                          X

                                                             O

 

图6

 

 

 

                                              

                                                                             

                                                                                      

 

 

                                                                                                 

                                                                          

             

 图7　　胎具示意图                       

 

 

 

三、胎具及样板的制作（以胎具数据计算法为例）

1、胎具数据计算

按前面所述分别计算胎具的长度m、板间距e、各胎板高度f、胎板与底座轴线夹角α、胎板的宽度g（在此不再叙述）。

2、样板的制作

在图5中，取1－D段弧、弧长的作为检查胎具和导轨曲率半径的样板曲线。

3、胎具的制作

按计算得到的数据，绘制出胎具图（图5、图7），再下料，组焊胎具，制作时，应注意以下几点：

⑴　右旋导轨胎板按与底座轴线α夹角指向右上方旋转、组焊，左旋则相反。

⑵　直径大的气柜，各节曲率相差无几，可取一、三、二、四同旋方向中节、钟罩的平均半径作为计算、制作胎具的依据，以减少胎具。

⑶　胎板焊接后，底座产生的弯曲变形要调直。

⑷　胎板焊接后，检查胎板与底座的垂直度，并用胎具纵向曲率外弧样板检查修正，以防止焊接变形引起的误差。

⑸　胎面板未上前，应先放好中心线、导轨底面宽度线和垫板宽度线，并隔50～60mm冲样，做好以上工作，方可焊接胎面板。

⑹　作好胎具后，用外弦样板测量复查，并在胎面上标出导轨的使用长度和上、下端。

四、导轨制作

导轨制作可采用油压机、辊床、卷板机冷煨或整体加热煨制等方法。

1、导轨的压制加工方法

导轨的预制均在胎具上进行压弯、校验、校正，并在油压机上进行，导轨与胎具上的压板成45°角，上胎具有两个凹平行立板，间距为180～200mm，导轨翻身穿过凹型立板上，胎具立板不断压制导　轨下翼板，每隔20～30mm压一次，使导轨成45°螺旋弯曲，不断压制，不断用样板检验，初步成型后，移到校验胎具上进行检验和校正，*后成型。

压制胎具如图8，位置如图9所示。

 

 

                                                        上胎板　　　　　　　　　　　　　　　　下胎板

 

　　　　　　　　　　　　　　　导轨　　　　导轨　　　　　上胎板

 

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 

 

 

 

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　180～200

 

 

 

　　　　　　下胎板　　　　　　　　　下胎立板

 

图8　　压制胎具示意图　　　　　　　图9　胎具与导轨位置图

2.利用卷板机弯扭加工方法

综合前面分析计算可知，螺旋导轨的特点是：

⑴　弯曲——螺旋导轨是导轨所在的平面斜切圆柱体形成的，其截面是一椭圆，且螺旋导轨为椭圆曲线上对称于Y轴的AB段弧线；

⑵　扭曲——因为导轨底板平行于圆周切线，其扭曲角度θ正好等于中节圆弧AB所夹的圆心角，而且导轨从上到下系均匀扭曲。

⑶　螺旋导轨一般固定在一条宽约300mm，厚度大于钟罩、中节壁，约5～6mm的垫板上。

根据以上三个特点，可以利用卷板机加工螺旋导轨，使导轨既不产生侧向弯曲变形，其弯曲半径又吻合于椭圆轨迹，扭曲均匀。

按螺旋导轨的计算展开长度预制导轨和垫板，并把导轨安放在垫板上。导轨的中心部位与垫板焊接，以30～50mm为宜，其余部位每隔200～300mm用螺栓、压板固定。螺栓根部与垫板焊接，螺栓紧靠导轨边缘，起限位作用，以防止导轨侧向弯曲变形。

在卷板机中心正上方利用吊车或行车配合，起吊高度不低于钟罩、中节半径R，起吊能力不小于单根导轨加垫板重量的两倍。

用钢板和钢管预制两把特殊的扳手，扳头正好套上待加工的导轨钢。扳手应有足够的刚性，保证在500～1000kgm的扭矩下不失效。

用卷板机作为弯曲设备，在连续弯曲加工的过程中，导轨钢两端加上一对力偶，使导轨钢在弯曲塑性变形的同时产生扭曲性变形，从而达到一次性成型的目的。

加工过程中，主要控制螺旋导轨的弯曲和扭曲变形：

a.、弯曲控制：

螺旋导轨的成型是一个渐变的过程，因此过程检验必不可少。如前所述，螺旋导轨从理论上讲，其轨迹上任何一点的曲率半径都不一样，从对称轴开始远离对称轴Y，弯曲得越厉害，因此加工前应按前面计算的数据制作几个弧形样板（按椭圆轨迹，分段制作），加工过程中每卷压一次，都要逐段检查导轨的弧度，不能卷压过度。

B、扭曲控制：

螺旋导轨的扭曲角度为θ，在加工过程中，可以通过目测导轨两端底板延长线所成的夹角，确定扭曲变形的变化情况。为目测方便，预告制作一个长约500mm，夹角为θ的样板尺，或做二个夹角为的样板尺。把样板尺紧贴导轨的底板处。看样板是否与另一端导轨延长线平行，如果平行，说明扭曲角度已经到位。

螺旋导轨的弯曲和扭曲变形若要求同步完成，这一点在实际弯制过程中是很难实现的，因此在实际操作时，扭曲变形的速度是可以通过改变加在导轨上的扭矩而随意调整的，如果弯曲变形还没有完成，扭曲变形已经到位，这时可以改变吊点位置，减少或解除扭矩只进行弯曲加工完成；反过来，如果弯曲已经到位，扭曲没有到位，则难以处理。因此，弯曲扭曲变形不能同步的话，应优先保证扭曲变形到位。

导轨加工完成后，要进行螺旋导轨和垫板之间焊接，焊接变形可能影响导轨的成型曲率，因此，导轨弯曲加工时应考虑预留变形余量。

由于导轨较长，弯曲加工时两端用钢索吊起，在测量导轨的弯曲矢量时，吊索张力对矢量有影响，此时有两种方法可以采用，一是在两根吊索上加装张力计，量程为实际张力的2～3倍为宜，测量导轨矢高时，使导轨居中，根据张力计显示的数值，调整吊索张力使导轨处于相对自然的状态。二是在测量时，两端悬置，使吊索不受力，同时通过测量悬置状态和自由状态的实际挠度，在成型前加以补偿。

采用卷板机加工螺旋导轨，其弧线连续、圆顺，弯曲、扭曲可以任意控制，因此螺旋导轨的误差完全可以控制在规范要求范围内。

采用机械连续施工，而且弯扭一次性成型，故工效比较高。

工艺上所需的吊车或行车是现场施工*的施工机具设备，可以加以利用，不必另外配置。利用卷板机加工螺旋导轨是一种经济、简便、较为实用的方法。

3、其它加工方法

a、采用在辊床上辊制而成，虽基本成型，但端头的处理及螺旋的校正比较困难。

b、若采用热加工法，即将长导轨全部加热吊在胎具上，用若干卡具强制成型，此种方法劳动强度大，且作业环境差，不安全因素多。

 

总之，螺旋导轨的制作方法应根据施工图、现场施工场地、运输条件、吊装能力、机具装备情况等综合因素选择决定，以保证导轨质量为前提，同时应综合考虑施工工效、经济效益和施工安全，尽可能降低工人的劳动强度，确保制作出合乎标准的螺旋形导轨。