氣瓶圓錐螺紋量規(guī)中徑的檢測(cè)方法

馬超 張瑜 陳姍姍 劉憶萱

【摘要】氣瓶圓錐螺紋用于氣瓶的瓶口與瓶閥連接，螺紋的強(qiáng)度及密封性是保證氣瓶質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，也是密封相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。氣瓶螺紋的質(zhì)量與企業(yè)安全生產(chǎn)和人民生活安全密切相關(guān)。因此，詳細(xì)了解、正確使用、準(zhǔn)確檢測(cè)氣瓶錐螺紋量規(guī)是非常必要的。本文主要介紹了用中圖測(cè)長(zhǎng)機(jī)檢測(cè)氣瓶圓錐螺紋塞規(guī)、環(huán)規(guī)中徑的方法和步驟，并對(duì)其基本牙型參數(shù)作了簡(jiǎn)單介紹。

【關(guān)鍵詞】氣瓶圓錐螺紋；測(cè)長(zhǎng)機(jī)；中徑

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.06.005

Method for Measuring the Pitch Diameter of Conical Thread Gauges for Gas Cylinders

MA Chao， ZHANG Yu， CHEN Shanshan， LIU Yixuan

（Liaoning Institute of Metrology， Shenyang 110004， China）

Abstract： The conical thread of gas cylinders is used to connect the bottle mouth and valve of gas cylinders. The strength and sealing of the thread are one of the key links to ensure the quality of gas cylinders， and it is also a relatively weak sealing link. The quality of gas cylinder threads is closely related to the safety of enterprise production and people’s lives. Therefore， it is necessary to have a detailed understanding， correct use， and accurate detection of cylinder taper thread gauges. This article mainly introduces the method and steps of using the Zhongtu length measuring machine to detect the diameter of the conical thread plug gauge and ring gauge of gas cylinders， and provides a brief introduction to their basic tooth shape parameters.

Key words： gas cylinder conical thread； length measuring machine； median diameter

硅烷、三氟化氮、氟氣、氯化氫等特種氣體的包裝容器大多使用氣瓶，包括普通鋼瓶、Y-Ton鋼瓶，以及裝載大容積無(wú)縫鋼瓶的集裝管束、長(zhǎng)管拖車等。大多數(shù)壓縮氣體鋼瓶要求安裝至少一個(gè)閥門，一般稱之為瓶閥。瓶閥與鋼瓶間是靠錐螺紋連接的。對(duì)失效管理進(jìn)行調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)失效部位大都發(fā)生在錐螺紋連接處。因?yàn)樘胤N氣體可能存在毒性、腐蝕性、窒息性、易燃易爆等危險(xiǎn)，所以對(duì)氣瓶安全性、密封性的要求非常嚴(yán)格。在設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行等環(huán)節(jié)存在的任何一個(gè)安全隱患都會(huì)給人員、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境帶來災(zāi)難性的影響。因此，氣瓶檢驗(yàn)用的量規(guī)和維修用的絲錐量值必須準(zhǔn)確可靠（螺紋量規(guī)用于測(cè)量瓶口螺紋、頸圈螺紋、瓶帽螺紋、瓶閥尾部螺紋；絲錐用于維修瓶口螺紋）。生產(chǎn)廠家必須是經(jīng)過計(jì)量部門認(rèn)可并取得認(rèn)可證書的廠家，使用者需要明確量規(guī)的用途和型號(hào)。

本文以國(guó)標(biāo)氣瓶螺紋（PZ）為例（螺紋代號(hào)：PZ19.2、PZ27.8、PZ30.3、PZ39.0），其符合GB/T 8336—2011《氣瓶專用螺紋量規(guī)》和GB/T 8335—2011《氣瓶專用螺紋》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的螺紋基本牙型和參數(shù)定義。螺紋牙型角α=55°，錐度為3∶25，氣瓶錐螺紋量規(guī)牙型角平分線垂直于錐體母線，牙型角高度h和原始三角形高度H均定義在垂直于錐體母線方向上，螺距P定義在平行于母線方向上，直徑參數(shù)定義在垂直于軸線的方向上?；狙佬腿鐖D1所示。在不考慮螺旋升角的影響時(shí)，根據(jù)相關(guān)規(guī)程最佳測(cè)針直徑可以采用公式（1）來計(jì)算。

而中圖測(cè)長(zhǎng)機(jī)可以根據(jù)所選擇的氣瓶錐螺紋量規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)輸入的型號(hào)選擇相關(guān)的參數(shù)算法，直接算出最佳測(cè)針直徑，從而免去了大量的復(fù)雜計(jì)算。在使用時(shí)，直接選擇相應(yīng)的測(cè)針即可。

不同國(guó)家生產(chǎn)的氣瓶錐螺紋依據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的參數(shù)定義和基本牙型，螺紋中徑的加工精度、牙型角、錐度、螺距、牙型角平分線垂直于圓錐體母線或軸線的選擇、基面距等也有所不同，所以測(cè)量不同量規(guī)參數(shù)時(shí)應(yīng)具體問題具體對(duì)待。

1）基準(zhǔn)平面是垂直于螺紋軸線，具有基準(zhǔn)直徑的平面，簡(jiǎn)稱基面。氣瓶錐螺紋環(huán)規(guī)是大端平面；氣瓶錐螺紋塞規(guī)是到小端的距離等于基準(zhǔn)距離的平面。我們測(cè)量某個(gè)截面的螺紋中徑，通過錐度等相關(guān)參數(shù)計(jì)算，就可以推算出基準(zhǔn)平面上的中徑數(shù)值。相關(guān)的測(cè)量軟件會(huì)集成相關(guān)算法，便于分析計(jì)算。

2）基準(zhǔn)距離，簡(jiǎn)稱基距，是從基準(zhǔn)平面到錐螺紋塞規(guī)小端的距離。塞規(guī)尺寸代號(hào)PZ19.2的基準(zhǔn)距離為16 mm；塞規(guī)尺寸代號(hào)PZ27.8、PZ30.3、PZ39.0的基準(zhǔn)距離為17.67 mm；環(huán)規(guī)基準(zhǔn)距離為0 mm。

3）圓錐螺紋螺距是在中徑線上相鄰牙對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間平行圓錐體母線的距離。

2.1測(cè)量依據(jù)與主要計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器

GB/T 8336—2011《氣瓶專用螺紋量規(guī)》。CHOTEST SJ5100-lab3000型號(hào)測(cè)長(zhǎng)機(jī)，軟件選擇測(cè)力光柵為0.3 N。

2.2測(cè)量對(duì)象

以型號(hào)PZ19.2的圓錐螺紋塞規(guī)為例。

2.3環(huán)境條件

環(huán)境溫度：（20±1）℃，相對(duì)濕度不大于65%。

2.4測(cè)量方法

1）開機(jī)，對(duì)測(cè)長(zhǎng)機(jī)進(jìn)行“回零”操作找到零點(diǎn)。打開Y軸、Z軸數(shù)顯千分表。打開專用軟件，在中圖電腦軟件標(biāo)準(zhǔn)中選擇氣瓶螺紋量規(guī)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8336—2011，找到規(guī)格尺寸代號(hào)PZ19.2的選項(xiàng)，界面中可以看到各種參數(shù)（螺距、牙型角、錐度、錐角等）的允差、螺紋長(zhǎng)度、基準(zhǔn)距離等。

2）點(diǎn)擊“下一步”，看到最佳測(cè)球直徑為1.0225 mm，選擇配備的接近最佳直徑的1.1 mm測(cè)球，安裝好，然后在軟件中點(diǎn)擊針/球設(shè)置按鈕，直接調(diào)用已保存的相應(yīng)的測(cè)頭常數(shù)，點(diǎn)擊“確定”即可。若沒有標(biāo)定則需要進(jìn)行測(cè)頭常數(shù)標(biāo)定。

3）將錐螺紋塞規(guī)用專用夾具固定在五軸工作臺(tái)上合適的位置，小端面朝向自己，鎖緊量規(guī)，鎖緊五軸工作臺(tái)所有旋鈕。點(diǎn)擊軟件界面“測(cè)量”按鈕開始測(cè)量，軟件會(huì)在相應(yīng)步驟顯示測(cè)球與螺紋牙型相對(duì)位置圖，如圖2所示。

4）調(diào)平圓錐螺紋塞規(guī)的端面。將測(cè)球調(diào)節(jié)到塞規(guī)左側(cè)最接近邊界位置，前后移動(dòng)工作臺(tái)，壓縮Z0數(shù)值0.1～0.2 mm，記作Z0左，清零Z數(shù)值；將測(cè)球調(diào)節(jié)到塞規(guī)右側(cè)最接近邊界位置，調(diào)節(jié)并使得Z數(shù)值為0，記錄Z0數(shù)值在右側(cè)數(shù)值為Z0右；調(diào)節(jié)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向扭，使得Z0右接近（Z0右+Z0左）/2；將測(cè)球移動(dòng)到塞規(guī)左側(cè)位置，調(diào)節(jié)Z數(shù)值為0，記錄新的數(shù)值Z0左，調(diào)節(jié)工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)方向，使得Z0左接近新的（Z0右+Z0左）/2，不斷重復(fù)以上調(diào)節(jié)動(dòng)作，直到Z0右，Z0左值差異小于2μm，此時(shí)認(rèn)為塞規(guī)端面已經(jīng)調(diào)平。

5）調(diào)節(jié)測(cè)球使得測(cè)球接觸被測(cè)圓錐螺紋塞規(guī)的端面，點(diǎn)擊“采樣”，獲得基面位置（算法程序會(huì)根據(jù)這個(gè)位置算出真正的基面位置），慢慢向后調(diào)節(jié)工作臺(tái)，讓測(cè)球輕輕接觸塞規(guī)端面，以Z0剛開始有數(shù)值變化時(shí)的位置為采樣位置。

6）采集左側(cè)第一個(gè)螺紋牙坐標(biāo)：調(diào)節(jié)五軸工作臺(tái)Y方向把手和頭座，使得測(cè)球靠近螺紋規(guī)并位于螺紋塞規(guī)左側(cè)位置，然后調(diào)節(jié)頭座使得測(cè)球能進(jìn)入螺紋牙槽內(nèi)，使X0數(shù)值在0.3000 mm附近，鎖緊頭座，調(diào)節(jié)T形測(cè)頭剛好接觸圓錐螺紋塞規(guī)左側(cè)一個(gè)合適的螺紋牙（調(diào)Y方向，使得Z0數(shù)值和進(jìn)入牙槽前數(shù)值相近時(shí)為剛剛好，一般為0）；找拐點(diǎn)，上下調(diào)節(jié)工作臺(tái)旋鈕，觀察X0值變化，找|X0|的最大值即為拐點(diǎn)；旋轉(zhuǎn)頭座微調(diào)旋鈕，使測(cè)力光柵示值為0.3，點(diǎn)擊“采樣”，獲得左側(cè)第一個(gè)螺紋牙坐標(biāo)。

7）采集左側(cè)第二個(gè)螺紋牙坐標(biāo)：松開頭座，移出測(cè)球，觀察千分表示值，調(diào)解工作臺(tái)前移或后移1個(gè)螺距，然后微調(diào)接觸第二個(gè)螺紋牙槽，執(zhí)行步驟6）相應(yīng)操作，完成左側(cè)第二個(gè)螺紋牙坐標(biāo)采集。此時(shí)一般認(rèn)為|X0|理論上為最大值，無(wú)需再次尋找拐點(diǎn)。

8）采集右側(cè)一個(gè)螺紋牙坐標(biāo)：松開頭座，移出測(cè)球，用類似方法測(cè)量右側(cè)螺紋牙，使測(cè)球接近右側(cè)的螺紋，此螺紋牙的選擇應(yīng)在左側(cè)兩螺紋牙之間。執(zhí)行步驟6）相應(yīng)操作，完成測(cè)量數(shù)據(jù)采集，軟件界面會(huì)顯示測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)采集完成，測(cè)量過程界面會(huì)出現(xiàn)“綜合修正”按鈕。點(diǎn)擊該按鈕，根據(jù)具體情況可對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正設(shè)置，如螺旋升角、測(cè)力、牙型角等量值可進(jìn)行修正。設(shè)置完成后，點(diǎn)擊確定按鈕，軟件自動(dòng)重新計(jì)算測(cè)量值及中徑。塞規(guī)PZ19.2中徑為18.0392 mm。

測(cè)量完成后，可在記錄管理中查看記錄、預(yù)覽、打印報(bào)表。氣瓶錐螺紋環(huán)規(guī)與塞規(guī)測(cè)量方法原理大同小異，只是在找拐點(diǎn)時(shí)找|X0|的最小值，環(huán)規(guī)的大面朝向自己，其他類似。

2.5測(cè)頭常數(shù)標(biāo)定方法

1）以標(biāo)定1.1 mm測(cè)球?yàn)槔x擇1.1 mm測(cè)球安裝后，將標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)固定在五軸工作臺(tái)上，鎖緊工作臺(tái)。

2）調(diào)平工作臺(tái)：在使用單球或T型雙球測(cè)頭測(cè)量?jī)?nèi)尺寸時(shí)，五軸工作臺(tái)沒有調(diào)水平會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。

①移動(dòng)頭座，使得T型雙球測(cè)頭與環(huán)規(guī)左內(nèi)側(cè)面上側(cè)接觸，鎖緊頭座，調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕，直到測(cè)力光柵示值在0.1～0.3。②點(diǎn)擊“清零”按鈕，搖快速升降手柄，使得測(cè)針相對(duì)環(huán)規(guī)向下移動(dòng)，同時(shí)觀察軟件指示表示值變化情況。③接觸到下側(cè)時(shí)，如果指針偏左（即當(dāng)顯示為負(fù)值時(shí)），調(diào)節(jié)水平傾斜旋鈕，使得指針同向（向左）偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量為4倍左右，清零。調(diào)節(jié)升降手柄，使得測(cè)針移動(dòng)至量規(guī)的上側(cè)。④向上走，接觸到上側(cè)時(shí)，如果指針偏左（即當(dāng)顯示為負(fù)值時(shí)），調(diào)節(jié)傾斜旋鈕，使得指針反向（向右）偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)量為3倍左右，清零。調(diào)節(jié)升降手柄，使得測(cè)針移動(dòng)至量規(guī)的下側(cè)。⑤重復(fù)步驟③～④直至五軸工作臺(tái)調(diào)水平，測(cè)力變化在2.0μm范圍內(nèi)，即認(rèn)為五軸工作臺(tái)已經(jīng)水平了。步驟簡(jiǎn)單記法為“測(cè)球從上往下，同向偏轉(zhuǎn)4倍；從下往上，反向偏轉(zhuǎn)3倍”。示意圖如圖3、圖4所示。

3）標(biāo)定測(cè)頭常數(shù)：在測(cè)球標(biāo)定界面點(diǎn)擊“增加”按鈕，雙擊鼠標(biāo)輸入測(cè)頭的標(biāo)稱直徑1.1 mm；在設(shè)置框中輸入標(biāo)準(zhǔn)環(huán)規(guī)真值29.9997 mm；點(diǎn)擊“校準(zhǔn)”按鈕，彈出預(yù)設(shè)值對(duì)話框。將測(cè)頭接觸環(huán)規(guī)左側(cè)中間位置，使測(cè)力接近0.3，鎖緊頭座，前后移動(dòng)工作臺(tái)，找好拐點(diǎn)，調(diào)好測(cè)力值為0.3，點(diǎn)擊“極小值”；再移動(dòng)測(cè)頭接觸環(huán)規(guī)右側(cè)，找好拐點(diǎn)，調(diào)好測(cè)力值為0.3，點(diǎn)擊“極大值”，最下一行的數(shù)值即為測(cè)頭常數(shù)；點(diǎn)擊“確定”，預(yù)設(shè)值對(duì)話框關(guān)閉，測(cè)頭常數(shù)自動(dòng)保存到測(cè)頭常數(shù)表格界面，同時(shí)主界面的預(yù)設(shè)值也變?yōu)閯倓倶?biāo)定的測(cè)頭常數(shù)。以后再次用相同的球可以直接調(diào)用，但是建議每隔一段時(shí)間進(jìn)行一次常數(shù)標(biāo)定以保證量值準(zhǔn)確。

配備氣瓶錐螺紋量規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)長(zhǎng)機(jī)（其測(cè)量原理與中圖測(cè)長(zhǎng)機(jī)測(cè)量原理大同小異，主要是操作方法的不同）、螺紋掃描測(cè)量?jī)x、螺紋機(jī)等都可以進(jìn)行檢測(cè)。而某些測(cè)長(zhǎng)機(jī)雖然沒有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，但是測(cè)量軟件是開放式的，如TRIMOS LABC測(cè)長(zhǎng)機(jī)的QMSOFT軟件。用戶可以自定義設(shè)置參數(shù)，只要螺紋參數(shù)定義方式與被測(cè)量規(guī)相同，在軟件中修改螺距、牙型角、錐度、螺紋長(zhǎng)度等參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)中徑的測(cè)量。中圖螺紋機(jī)中配備了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量簡(jiǎn)單快捷。掃描儀是用帶有兩個(gè)指針的探針進(jìn)行掃描，在接觸到被測(cè)螺紋表面后，機(jī)械探針在該輪廓上進(jìn)行連續(xù)的掃描運(yùn)動(dòng)（每秒可將數(shù)千個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中），隨后在與其軸線對(duì)稱的輪廓上連續(xù)掃描以獲得螺紋的輪廓曲線，經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)換為螺紋的各參數(shù)信息，包括大中小徑、螺距和牙型角、錐度等。當(dāng)我們不知道某個(gè)氣瓶螺紋的尺寸代號(hào)，如磨損嚴(yán)重看不清相關(guān)型號(hào)時(shí)，可用螺紋掃描儀進(jìn)行盲掃，即不輸入相關(guān)型號(hào)，利用卡尺或者千分尺測(cè)量氣瓶錐螺紋塞規(guī)的基準(zhǔn)距離，在其軟件相應(yīng)位置輸入基距實(shí)測(cè)值，然后直接掃描測(cè)量，即可測(cè)量出相應(yīng)螺紋中徑。根據(jù)測(cè)出的中徑數(shù)值也可以對(duì)應(yīng)查出其相應(yīng)的型號(hào)。

需要說明的是，某螺紋掃描儀相關(guān)軟件里沒有氣瓶螺紋標(biāo)準(zhǔn)（如老版的IAC螺紋綜合掃描測(cè)量?jī)x），如果直接掃描測(cè)量，這樣得出來的中徑結(jié)果是不準(zhǔn)確的。它們所帶的標(biāo)準(zhǔn)可以測(cè)量NPT、Rc等錐螺紋量規(guī)，此類錐螺紋量規(guī)牙型角分線垂直于軸線而不是圓錐母線，直徑參數(shù)定義在垂直于軸線方向，螺距定義平行于軸線，掃描儀對(duì)其掃描的算法也符合這種參數(shù)定義。如果用來測(cè)量PZ型氣瓶錐螺紋量規(guī)，而掃描儀中沒有相應(yīng)的算法，那么牙型角和螺距、中徑的測(cè)量結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。而有的國(guó)外生產(chǎn)的氣瓶錐螺紋規(guī)參數(shù)定義與NPT類錐螺紋類似，如NGT螺紋是以美國(guó)錐螺紋NPT為基礎(chǔ)，與NPT螺紋在規(guī)格尺寸、量規(guī)基面距、基面中徑和每英寸螺紋牙數(shù)、錐度以及螺紋要素公差完全相同，但比之要長(zhǎng)。NPT執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)則為美國(guó)FED-STD-H28/7。NGT螺紋的錐度為螺紋錐度為1/16，牙型角為60°，牙型角平分線垂直于線，螺距定義在圓錐螺紋軸線方向。此類錐螺紋量規(guī)，知道基準(zhǔn)距離即可用老版的IAC螺紋綜合掃描測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量。所以在實(shí)際測(cè)量中應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)、儀器進(jìn)行測(cè)量，具體問題具體分析。

【參考文獻(xiàn)】

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【作者簡(jiǎn)介】

馬超，男，1992年出生，工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)閹缀瘟坑?jì)量。張瑜，男，1981年出生，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)閹缀瘟坑?jì)量。

陳姍姍，女，1988年出生，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)閹缀瘟坑?jì)量。

劉憶萱，女，1989年出生，工程師，碩士，研究方向?yàn)閹缀瘟坑?jì)量。

（編輯：李加鵬）