摘 要:本文以高壓電氣產(chǎn)品零件屏蔽罩為例,從理論和實際兩方面計算、分析、論證了溫度變化對線膨脹系數(shù)大的金屬零件的測量誤差影響程度,及溫度變化和零件測量誤差兩者的關系,從而對檢查員在實際檢查中采取有效措施避免溫度變化對測量結果的影響,保證測量結果正確性起到指導作用;另外可對設計人員在產(chǎn)品設計時根據(jù)產(chǎn)品安裝環(huán)境對線膨脹系數(shù)大的金屬零件尺寸公差做相應調整,保證產(chǎn)品可靠安全運行提供參考依據(jù)。

1 引言

在實際機械零件檢測中,產(chǎn)生測量誤差的原因很多,主要有因測量方法不完善引起的誤差、測量器具本身引起的誤差、主觀因素引起的誤差、客觀因素引起的誤差等。本文主要分析了溫度變化對線膨脹系數(shù)大的金屬零件引起的測量誤差,并給出了理論計算和實際試驗的結果比對,得出溫度變化對線膨脹系數(shù)大的金屬零件的測量誤差影響程度,及溫度變化和零件測量誤差兩者的關系。

2 金屬線膨脹系數(shù)與溫度的關系

金屬材料線膨脹系數(shù)是指:金屬每升高1℃所增加長度與原來長度的比值,簡稱為線膨脹系數(shù)。它是衡量金屬材料熱膨脹大小的性能指標,線膨脹系數(shù)大的材料,它在受熱后膨脹就大,反之則小。依據(jù)《機械工程材料手冊》,線膨脹系數(shù)α的計算公式為

式中:δl—為測量誤差;l1—為被測長度;t2-t1—為溫度差。

在機械檢測中標準溫度為20℃,也就是t1=20℃,t2為測量時環(huán)境溫度。

3 溫度變化對零件測量結果的影響

為了定量分析溫度變化對金屬材料線膨脹性能的影響程度,現(xiàn)以高壓電器產(chǎn)品中的屏蔽罩(圖1)為例予以說明。屏蔽罩在高壓電器產(chǎn)品中裝配位置分布在斷路器、隔離開關、內部導體裝配部分及主母線部分,主要起導電和屏蔽作用。屏蔽罩中有一重要尺寸是熱壓配合尺寸,圖1中屏蔽罩的熱壓尺寸為φ109,材料為lf2。

為了測量出零件溫度變化引起的熱膨脹量,現(xiàn)比較五種溫度(0℃、10℃、20℃、30℃、40℃)下,同一個屏蔽罩的熱壓配合尺寸的理論尺寸測量誤差、實際尺寸測量誤差。

3·1 五種測量溫度下理論測量尺寸變化量

根據(jù)(1)式得出:

測量誤差δl=α·l1·(t2-t1)

依據(jù)《機械材料手冊》lf2的熱膨脹系數(shù)α=23·8×10-6k-1

(1)計算環(huán)境0℃時測量誤差

δl=23·8×10-6k-1·108mm(0℃-20℃)=-0·0518mm

(2)計算環(huán)境10℃時測量誤差

δl=23·8×10-6k-1·108mm(10℃-20℃)=-0·0259mm

(3)計算環(huán)境20℃時測量誤差

δl=23·8×10-6k-1·108mm(20℃- 20℃) =0mm

(4)計算環(huán)境30℃時測量誤差

δl=23·8×10-6k-1·108mm(30℃- 20℃) =0·0259mm

(5)計算環(huán)境溫度40℃時測量誤差

δl=23·8×10-6k-1·109mm(40℃- 20℃) =0·0518mm

結合以上計算結果,我們對20℃測量合格零件(零件尺寸范圍在φ108·946~φ109mm),計算它在其它四種溫度0℃、10℃、30℃、40℃下對應理論尺寸變化量,并計算在其它溫度下合格情況,結果見表1。

對表1計算結果作圖樣分析,如圖2所示。

從以上圖、表分析得出結論:

在20℃零件尺寸范圍在φ108·946—φ109mm,屬于合格零件,在其他四種溫度狀態(tài)0℃、10℃、30℃、40℃下不一定合格,而且溫度對膨脹性影響成線形關系。

3·2 五種溫度下零件的實際測量尺寸變化量

比較兩個零件在不同溫度下的尺寸值,并得出在不同溫度測量零件的合格情況。

對上表中零件的兩組尺寸作分布圖如圖3:

通過對兩個零件在不同溫度實際測量結果比較分析,可以得出:在20℃合格零件,在其它溫度下測量不一定合格。而且偏離標準溫度20℃越大,零件膨脹量越大,靠近標準溫度,膨脹量越小。

4 溫度變化對零件測量誤差影響程度的分析研究

4·1 溫度變化對零件尺寸的影響程度

由屏蔽罩理論計算和實際測量得出結論:同一個屏蔽罩在0℃和40℃,理論尺寸變化為0·1036mm;同一個屏蔽罩在0℃和40℃,實際測量尺寸變化為0·08mm。理論變化和實際測量基本吻合,從0℃到40℃,同一屏蔽罩尺寸變化量幾乎為零件尺寸允許公差(0~-0·054)mm的1·5~2倍。

同一屏蔽罩尺寸在0℃和20℃或40℃和20℃時測量,理論尺寸變化量(絕對值)為0·0518mm,實際測量尺寸變化量為0·04(絕對值)mm。理論變化和實際測量基本吻合。

4·2 溫度變化與膨脹量的關系

比較理論計算和實際測量中溫度變化與膨脹量的關系,理論上兩者呈線性關系,但實際上因為零件形狀、結構等原因,兩者并非線性關系,而是以20℃為標準,測量溫度接近20℃,零件線膨脹量越小(絕對值);測量溫度遠離20℃,零件線膨脹量越大(絕對值)。因此我們在屏蔽罩測量時盡量在20℃或接近20℃環(huán)境溫度下測量。以上結論可以解釋我們實際測量工作中下列現(xiàn)象:夏季檢查(零件沒有在標準溫度20℃或接近20℃下測量,而是本體溫度在40℃甚至更高溫度時測量)合格的零件,在冬季裝配時不合格;或者冬季檢查合格的零件(零件沒有在標準溫度20℃或接近20℃下測量,而是本體溫度在0℃或更低溫度下測量),在夏季裝配時不合格。

4·3 解決措施

對線膨脹系數(shù)大的零件檢查時,盡量在接近20℃環(huán)境溫度下測量。如果在夏季、冬季測量零件時,一般情況下零件在外界環(huán)境下暴露時間較長,在檢查時注意,不要零件一到檢驗現(xiàn)場就開始檢查,而要放置一定時間,等零件溫度接近20℃測量環(huán)境溫度時,再開始測量。還有一種情況,對于剛加工完的零件,也不能立刻檢查尺寸,同樣也要放置一定時間,才能開始測量。這樣避免溫度變化給測量帶來的不利影響,便于檢查人員做出正確結論。

另外,溫度變化引起零件的膨脹,在產(chǎn)品裝配中也體現(xiàn)出來。因為戶外高壓電氣產(chǎn)品現(xiàn)場溫度變化幅度很大,-30℃~40℃甚至超過此范圍,有可能在制造單位裝配、試驗合格的產(chǎn)品,運到用戶現(xiàn)場因為環(huán)境溫度變化的原因,有些零件膨脹導致配合松弛,嚴重者甚者脫落,這在高壓電氣產(chǎn)品中是不允許的,所以設計者在設計產(chǎn)品時一定考慮環(huán)境溫度影響,而不能同一種產(chǎn)品適用于各種溫度下運行,這是不科學的,而要根據(jù)安裝現(xiàn)場溫度,對于一些線膨脹系數(shù)大的零件公差作相應的調整,以避免溫度變化引起零件膨脹,從而給整個產(chǎn)品帶來不利影響。

5 結論

本文通過分析屏蔽罩在不同溫度下的誤差變化特性,討論了溫度變化對金屬零件的誤差影響程度,通過實例驗證,得出了結論。檢查人員在檢查線膨脹系數(shù)大的零件時一定考慮溫度對零件尺寸測量的影響,特別是在夏季、冬季測量零件時,不要茫然下結論,導致出現(xiàn)“假廢品”和誤判合格現(xiàn)象,給制造單位帶來不必要的損失或給裝配單位帶來不必要的麻煩,影響產(chǎn)品性能及使用。同時檢查人員懂得采取有效措施避免溫度變化對測量結果的影響,保證測量結果正確性。另外設計人員根據(jù)產(chǎn)品安裝環(huán)境,對部分零件尺寸公差做相應調整,以保證產(chǎn)品可靠性。