黄建明实战案例专栏 | 【案例45】小小常识 – 液化氮冷缩法

文章来源:微信公众号:航空无损检测
45 小小常识 – 液化氮冷缩法

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当其他条件相同时,用温差法能获得较高的摩擦力或力矩,因为它不像压入法那样会擦伤配合表面。采用哪一种装配法由工厂设备条件、过盈量大小、零件结构和尺寸等决定。




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实战案例专栏 /   案例45

1986年我们在为香港某船厂用珈玛射线拍片时,发现其中一张片子上有块「黑影缺口」,重复多次拍摄后都一样可见这「黑影缺口」。(见图1)


船厂工程部老总就问我这「黑影缺口」是什么东西?


我详细查看其结构和装配工艺后开始分析。


(图 1 射线看到一块黑影缺口)


条轴在这条船上叫King Post(大皇柱),与前舵组成用来控制船的行走方向的(见图3、图4)。


它的结构是由钛合金加工成的空心轴,长度大约1800mm外径约300mm壁厚38mm和一个3mm薄的轴承套;


在它们组合好后开始在轴心灌注液化氮,将整体冷缩到一定时间(缩小尺寸)后,快速地插入喷射飞翔船的前舵中基座,待其自然解冻后而形成紧配合,这种冷缩装配方法叫着「过盈连接」或者「过盈配合」。


(图3 大皇柱与前船舵)

(图 4 高速飞翔中的喷射飞翔船)


什么是「过盈连接」呢?


过盈连接:过盈连接是一种以包容件(孔)和被包容件(轴)配合后的过盈来达到紧固连接的一种连接方法。


过盈连接有对中性好和承载能力强并能承受一定冲击力等优点,但对配合面的精度要求高,加工和装拆都比较困难。


过盈连接的装配法:


(1)压入法 可用锤子加垫块敲击压入或用压力机压入。


(2)热胀法 利用物体热胀冷缩的原理,将孔加热使孔径增大,然后将轴装入孔中。


其常用的加热方法是把孔放入热水中(80~100摄氏度)或热油(90~320摄氏度)中进行。


(3)冷缩法 利用物体热胀冷缩的原理,将轴进行冷却,待轴缩小后在把轴装入孔中。


常用的冷却方法是采用干冰和液氮(-196°C摄氏度)进行冷却。


过盈联接的工作原理: 


过盈联接之所以能传递载荷,原因在于零件具有弹性和联接具有装配过盈。


装配后包容件和被包容件的径向变形使配合面间产生很大的压力,工作时载荷就靠着相伴而生的摩擦力来传递。


当配合面为圆柱面时,可采用压入法或温差法(加热包容件或冷却被包容件)装配。


当其他条件相同时,用温差法能获得较高的摩擦力或力矩,因为它不像压入法那样会擦伤配合表面。采用哪一种装配法由工厂设备条件、过盈量大小、零件结构和尺寸等决定。


氮气我们都知道是气体来的,为什么变成液体呢?


液氮(常写为LN2),是氮气在低温下形成的液体形态。


氮的沸点是77°K(-196℃),在正常大气压下温度低于零下196摄氏度就会形成液氮,如果加压,可以在比较高的温度下得到液氮。


人体如果在毫无保护措施的情况之下接触,皮肤会有严重冻伤的危险。


在工业中,液态氮是由空气分馏而得。


先将空气净化后,在加压、冷却的环境下液化,藉由空气中各组分之沸点不同加以分离。


氦气最先泄出(且未被液化),接着就是占空气中78.09%的氮气,再来是占20.95%的氧气,最后是占空气中0.93%的氩气。


轴中心灌注了液化氮,在-196°C的超低温下金属会变得碎硬,如果在装配的过程中稍不留意碰撞或者不正确地挤压就会造成破裂,在这条大轴的组合下相对单薄的轴承套就更容易破碎了,我相信这个「黑影缺口」是轴承套破碎后,崩掉一块形成的「黑影缺口」。


后我向负责安装的工程师查问,他告诉我他们在安装时曾经听到一声像玻璃破裂的声音,但是用肉眼又无法看到什么问题,为了安全起见,所以才叫我们前来用射线方法检测,看看什么地方有问题。


听他这么一说我心中有数了。


工程部的老总最初并不同意我的看法,他认为是焊缝来的,他说如果焊缝的材质密度比轴承套低时,射线拍片就有可能出现黑影缺口,因为射线就是通过材料密度来对比的,而且焊缝是有一定宽度的,也可能轴承套是焊接加工的,他的看法看来也不是没有道理。


了验证是否有焊缝,我们又在轴承套突出来约12mm上端对应没有破裂的位置,反复做过超声波检测,用高频横波斜探头扫瞄未见任何反射,如果是焊缝高频横波在提高灵敏度时会看到热影响区的反射的。


用不同种类的酸腐蚀也未见焊缝特征,酸腐蚀时不同的金属会有不同反应出现不同的颜色,我们在做焊接工艺时经常用的一种方法。


再做磁粉无论是黑白磁粉还是萤光磁粉都没有看到任何痕迹,用交流磁轭如果有焊缝时会有焊缝的痕迹的。


射线多次都有这个「黑影缺口」,而其他三个方法都证明不是焊缝,那么肯定是轴承套出现破碎,这是很危险的,因为高速飞翔中的船一旦船舵失控,其后果不墈设想!!!


船厂立即拆卸,用同样的液化氮冷缩方法进行拆卸,拆开后我们清楚地看到轴承套破裂。(见图2


及时地避免了一次危险事故……。


(图 2 拆卸后看到轴承套破裂)


个案例让我们知道如果懂得一些小小常识,对我们NDT分析判断会有大大的帮助。



关于作者



黄建明 长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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