井口装置闸阀体对称度检具的设计创新

时间：2022-08-21 16:02:28

关键字：检测成本创新

手机看文章

扫描二维码
随时随地手机看文章

[导读]摘要:首先阐述了闸阀体的质量对井口装置的性能影响以及闸阀体的制造难点,接着分析了闸阀体中腔孔与两侧阀座孔的对称度检具的精确度对制造加工过程控制和最终产品质量的影响。在此基础上,从创新思维方法和提高检测精确度、降低成本的角度出发对检测工具进行了设计创新。将创新方法应用到机械制造设计中,不仅可以使产品在质量上更胜一筹,还可以大幅度削减综合成本,有利于企业在市场挑战中取得胜利。

1项目背景

井口装置闸阀是应用在陆地和海洋采油(气)等领域,用于控制流体切断或接通的重要部件。在石油和天然气资源不断减少的背景下,其开采难度大大增加,对井口装置的设计和加工制造要求越来越高。其中闸阀体中腔孔与两端阀座孔的对称度,对整套阀门的密封性能、开启和关闭产生的扭矩都有关键性的影响作用。闸阀体也是井口装置制造商的主要产品之一,因闸阀体结构复杂,需多道工序加工完成,其位置度是生产制造过程中最难保证的参数,在实际生产中需要高精确度的量具检测配合,然后再采用试切法进行调整加工以满足设计要求。由于市场上没有通用和专用的检测工具,早期的检测方法是用深度尺、卡尺、内径百分表等多种量具的测量值,再经过尺寸链计算得出位置度的误差值,因检测基准与设计基准不统一,需要使用多种量具进行分段测量,所以造成累积误差较大,最终无法满足设计要求。前几年,公司工艺部自主研发了一款以阀体闸板中腔孔为定位基准的专用检测工具(图1),设计原理是在定位盘上安装百分表,利用杠杆摆臂,将两端阀座孔端面与闸板中腔孔对称度数值反映在百分表上。

图1 原有闸阀体专用检测工具

虽然该检测工具基本满足阀体设计要求,但还存在一些缺陷:

其一,检测工具由多个零件组成,存在制造误差和装配间隙,不仅检具制造周期长,而且精确度不高,导致阀体质量不稳定,报废率居高不下:

其二,减小检测工具与阀体之间的定位间隙,需要设置严谨的工艺尺寸控制阀体中腔孔公差,对机械加工要求较高:

其三,因阀体中腔孔和两端阀座孔位置尺寸没有行业标准,显然设置阀体中腔孔为检具定位基准,会造成专用检具规格较多、制造成本上升、占用仓库空间、不易管理等问题。

众所周知,没有高精确度的检测工具,就无法保证生产过程中的质量控制和最终产品质量,同时不降低成本,企业就会失去竞争力,因此需要我们进一步去对闸阀体专用检测工具进行设计创新。

2闸阀体设计结构及尺寸分析

井口装置系列阀体的闸板中腔孔和两端阀座孔位置属于非标准设计,同一规格产品每家公司设计的尺寸及公差各不相同。闸阀体的共同特征如下:整体外形结构相同,外形尺寸比较大,质量重,中腔孔直径大且较深:尺寸公差带和位置公差也基本相同,两侧阀座孔端面之间的尺寸公差为±0.025mm,两侧阀座孔端面与中腔孔的对称度为±0.025mm。闸阀体的不同特征:中腔孔直径和中腔孔端面到两侧阀座孔中心的尺寸,以及两侧阀座孔端面之间的距离都属于非标:不同规格、不同压力等级、不同公司的设计尺寸都有差异(图2)。

图2 闸阀体设计结构及尺寸

2检测工具精确度对制造误差的影响

制造精度是由多部分综合性很强的工序共同决定的,往往在实际生产过程中经常出现系统误差,系统误差可分为变值误差和常值误差,若能分析出常值系统误差的偏差大小和方向,就可以通过改进和调整来减小甚至消除这部分误差。而测量工具准确度属于常值误差的一项,提高检测工具准确度就意味着可以减小甚至消除制造误差。根据对阀体设计结构和尺寸链公差带、位置公差的分析,若一次加工不能符合设计要求,则二次上机装夹无法校正,因此难以返修,故检具的精确度对生产过程控制和产品合格率起到重要影响。简单说,没有精确的测量工具,就无法保证制造过程质量控制和最终产品质量满足设计要求。

4对称度检测工具设计创新方法

基于闸阀体结构及尺寸分析和对以前检测工具存在缺陷的分析,通过公需科目培训《创新知识基础》的学习,总结了几个案例的创新思维方式,试用几种创新思维方法对闸阀体的中腔孔与两端阀座孔对称度通用检测工具进行研究,最终利用逆向思维设置两侧阀座孔端面为检具定位基准,使测量基准与设计基准保持一致,用百分表检测闸阀中腔孔与阀座孔端面的相对位置,这样既符合基准重合原则,又可以消除累积误差。主要从这几方面寻找突破点:

第一,需要重新定义检测工具定位基准,增强通用性,消除与工件的配合间隙:

第二,选择平面为基准,不仅更容易实现无间隙配合,而且能使检测精确度更高更可靠,并且不需要工艺设置缩小检测基准尺寸公差:

第三,尽量减少组成检测工具的零部件数量和运动部位,避免因零部件的制造误差和装配间隙而影响检测工具精确度。

5对称度检测工具设计创新和实际检测方法

综合上述分析,最终确定将测量基准选择在阀体座圈孔侧平面上,既实现无间隙贴合,又符合基准重合原则。根据阀体结构特点,利用座圈孔侧平面与检测工具贴合,设计测量距离可以进行微调,这样设计就不受其他公差带和尺寸影响,所以不同规格、不同尺寸的闸阀体,只要在检测工具的距离调节范围内,就可以使用同一副工具。使用时需经过阀体中腔孔放入座圈孔侧平面,要求整体结构体积必须设计轻、巧,具体设计结构呈"L"形,主要由支架、磁铁、锁紧螺丝和千分量表四部分构成,之间的连接方式采用螺钉固定式,减少部件之间运动部位和间隙。支架采用铝合金材质,具有强度高、稳定性好、质量轻等优点:支架的定位端面与阀体座圈孔侧平面部位设计安装了三个小圆柱形磁铁(加工产品基本是碳素结构钢),利用磁铁特性使检测工具与产品基准面无缝贴合,磁铁低于定位平面2mm用胶水固定,这样既不易划伤零件又能保持良好的吸合力。支架的竖直部位处割孔和长槽,千分表的探针插入支架开孔处,通过紧固侧上方锁紧螺丝使腰槽变形即可固定千分表,还可适当调节千分表的夹持距离,增强通用性。千分表具有检测精确度高的优点,又是通用标准件,易采购且成本低。具体检测工具结构如图3所示。