液壓螺栓在大型雷達(dá)結(jié)構(gòu)件上的聯(lián)接應(yīng)用

張臘梅 林 松

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所 合肥 230088)

0 概述

隨著雷達(dá)天線(xiàn)陣面尺寸的增大和運(yùn)輸條件的限制，大型結(jié)構(gòu)件的拆裝設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。某大型天線(xiàn)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，從電機(jī)減速機(jī)、聯(lián)軸節(jié)、小齒輪到大齒輪、中間軸承到天線(xiàn)陣面，軸系的基本任務(wù)是將電機(jī)的功率傳遞到天線(xiàn)陣面，同時(shí)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)傳遞給天線(xiàn)陣面，以實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見(jiàn)，除了好的軸系設(shè)計(jì)和安裝校中外，齒輪和骨架的聯(lián)接形式，對(duì)天線(xiàn)陣面的可靠性來(lái)說(shuō)，顯然同樣非常重要。

目前，國(guó)內(nèi)外雷達(dá)產(chǎn)品大型軸系結(jié)構(gòu)件的聯(lián)接均通過(guò)周向固定傳遞扭矩，軸向固定實(shí)現(xiàn)聯(lián)接，而本文創(chuàng)新性的采用液壓螺栓連接實(shí)現(xiàn)周向力矩傳遞和軸向固定，解決了安裝拆卸可能損壞結(jié)構(gòu)件的難題，為類(lèi)似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1 聯(lián)接方案介紹

通常對(duì)于軸系結(jié)構(gòu)件，需實(shí)現(xiàn)力矩傳遞，故軸向和周向均需固定。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，將軸向和周向固定分開(kāi)，周向固定實(shí)現(xiàn)力矩傳遞，軸向固定實(shí)現(xiàn)位置固定。而輪轂與軸的周向固定方式主要有鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、脹套聯(lián)接、過(guò)盈聯(lián)接(熱裝配或冷裝配)等，而這些聯(lián)接形式在滿(mǎn)足旋轉(zhuǎn)高精度要求的情況下，對(duì)于大型設(shè)備來(lái)說(shuō)，均不便于安裝和拆卸[1]。而軸向固定方式有軸肩、軸套、擋環(huán)、卡圈、鎖緊螺母等。本文考慮一種新的聯(lián)接方式，液壓螺栓聯(lián)接，主要應(yīng)用在軸上需實(shí)現(xiàn)力矩傳遞的大型結(jié)構(gòu)件的聯(lián)接，一方面實(shí)現(xiàn)軸向聯(lián)接的作用，另一方面實(shí)現(xiàn)周向力矩傳遞的功能。此處，軸上零部件齒輪與軸，軸與天線(xiàn)骨架可采用液壓螺栓代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉸制螺栓聯(lián)接。從設(shè)計(jì)上來(lái)說(shuō)，液壓螺栓和鉸制螺栓均不屬于普通螺栓，他們均同時(shí)受到軸向的拉力和橫向的沖擊，而且還起動(dòng)定位銷(xiāo)的作用。但鉸制螺栓對(duì)螺桿的配合精度和粗糙度要求很高，它是利用過(guò)渡配合來(lái)達(dá)到抗剪的效果。而且在沖擊載荷下，螺桿和孔的間隙增大，無(wú)法進(jìn)行調(diào)整，而引起螺栓失效。

而液壓螺栓對(duì)傳統(tǒng)鉸制螺栓進(jìn)行工藝改革，螺桿和孔是小間隙配合，通過(guò)軸向油壓實(shí)現(xiàn)徑向脹緊，達(dá)到過(guò)渡或過(guò)盈的目的，使其對(duì)法蘭上鉸制孔精度可允許較大的降低。另外，為保證液壓螺栓的可靠工作，齒輪與軸、軸與背架的上鉸制孔同樣配作加工。

綜合以上因素，液壓螺栓聯(lián)接，安裝精度高，傳遞扭矩大，安裝、拆卸方便，是大型設(shè)備軸(特別是船舶主軸)上零件常用的聯(lián)接方式，而安裝定位靠相互間的止口定位。

2 液壓螺栓工作原理

液壓螺栓在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)的緊配螺栓比較，液壓螺栓使用的優(yōu)勝之處是裝拆方便，可重復(fù)使用，對(duì)孔以及螺栓本身不造成傷害。傳統(tǒng)的緊配螺栓與孔之間往往是過(guò)盈配合或過(guò)渡配合。螺栓安裝前需作冷凍處理，如果設(shè)備出現(xiàn)維修或該緊配螺栓需作臨時(shí)拆卸時(shí)，螺栓的拆卸不便，必須制作特殊工具或以敲擊方式將其從孔中取出來(lái)，過(guò)程緩慢;其次，多數(shù)被取出的螺栓的緊配合面和孔的緊配合面往往會(huì)有磨損，甚至因?yàn)椴鹦哆^(guò)程的摩擦而將配合面燒壞。液壓螺栓的設(shè)計(jì)使用剛好克服了上述的弊端。

液壓螺栓是由雙頭螺桿、錐套、螺母組成，見(jiàn)圖1。其工作原理為:錐套的內(nèi)表面和螺桿的外表面制成相同的錐面，通過(guò)液壓油施加軸向力后，螺桿在套內(nèi)軸向移動(dòng)，由于錐度使套筒徑向脹大，從而脹緊安裝孔達(dá)到傳遞力矩的作用。

移到設(shè)計(jì)位置后，去掉高壓油，錐套膨脹緊壓在孔內(nèi)，再旋緊左邊螺母，拉伸螺桿和旋緊右螺母。利用螺母與法蘭表面之間摩擦力和孔與液壓緊配螺栓間剪切阻力來(lái)傳遞扭矩。在軸向力卸去后，螺栓套外徑恢復(fù)原加工尺寸。

錐套外徑加工成比螺栓孔內(nèi)徑小，以保證螺桿連同錐套易于穿進(jìn)螺栓孔，而在施加軸向力后，利用螺母與法蘭表面之間摩擦力和孔與液壓螺栓間剪切阻力來(lái)傳遞扭矩。

液壓螺栓連同錐套穿進(jìn)螺栓孔后，采用液壓頂進(jìn)裝置和螺栓拉伸裝置安裝錐套和施加螺栓的預(yù)緊力，錐套徑向脹大，保證緊密配合，然后旋緊螺母。松開(kāi)時(shí)，也采用液壓螺栓拉伸裝置拉伸螺栓，同時(shí)在螺栓圓錐面油道上注入高壓油，具體見(jiàn)圖2。用液壓螺栓裝、拆的過(guò)程不僅簡(jiǎn)單而且還能保持配合表面原有精度，避免錘擊裝拆對(duì)軸、齒輪、骨架及其它設(shè)備造成損壞[2-3]。

3 液壓螺栓應(yīng)用

扇形齒輪與傳動(dòng)軸及傳動(dòng)軸與天線(xiàn)骨架的聯(lián)接均采用液壓螺栓的聯(lián)接形式(見(jiàn)圖3)，現(xiàn)以扇形齒輪處螺栓為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[4]。

根據(jù)電機(jī)功率和軸的轉(zhuǎn)速，可分析推算軸有效扭矩Me=500000 N·m。出于對(duì)機(jī)器啟動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷和使用中可能出現(xiàn)過(guò)載的考慮，引入工作情況系數(shù):KA=3，則計(jì)算扭矩:

扇形齒輪與軸采用M36的液壓螺栓連接，如果聯(lián)接法蘭上每個(gè)螺栓都受力，而且大小均勻，則需螺栓數(shù)量:

式中:dc為螺栓孔分布直徑，dc=φ1100mm;d為螺栓桿與孔配合的基本尺寸，d=36mm;

A為法蘭材質(zhì)系數(shù)，α=(σs-150)/400+0.5;b為螺桿剩余安全系數(shù)，一般取0.7;μ為螺母與法蘭間干摩擦系數(shù)，取0.15;a為法蘭材質(zhì)系數(shù)，α=(σs-150)/400+0.5;σ為螺栓拉伸預(yù)應(yīng)力，直徑φ36mm液壓緊配螺栓其拉伸預(yù)應(yīng)力為250N/mm2;τ為螺栓允許最大剪切應(yīng)力，取240N/mm2。

則取 n ≥10。

以上計(jì)算是基于聯(lián)接法蘭上每個(gè)螺栓都受力，而且大小均勻。然而，由于螺栓材質(zhì)缺陷或加工精度不到位，形成局部螺栓虛設(shè)，不僅使各螺栓強(qiáng)度不一，而且使受力最大的螺栓剪應(yīng)力明顯增加，應(yīng)考慮較高的安全系數(shù)(安全系數(shù)不小于2)，故此處取螺栓個(gè)數(shù)為24。

4 結(jié)束語(yǔ)

此處，扇形齒輪與傳動(dòng)軸及天線(xiàn)骨架與傳動(dòng)軸之間均采用液壓螺栓聯(lián)接形式，一方面起到普通螺栓的聯(lián)接作用，另一方面起到銷(xiāo)抗剪傳遞扭矩的作用，而且較精制螺栓安裝拆卸方便，安裝配合過(guò)程避免錘擊裝拆對(duì)設(shè)備的損壞。液壓螺栓是對(duì)傳統(tǒng)的鉸制孔螺栓的工藝改進(jìn)，在降低鉸制孔要求的同時(shí)能達(dá)到很高的安裝精度，是大型結(jié)構(gòu)件聯(lián)接的有效形式。

［1］ 龐振基黃其圣編.精密機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000，355-362.

［2］康兆宗.聯(lián)軸器液壓緊配螺栓的設(shè)計(jì)與工藝［J］. 船舶工程，2002.(1):32.

［3］張富明，王英.新型液壓緊配螺栓的優(yōu)點(diǎn)及其應(yīng)用［J］.船舶，1999.(2):24-25.

［4］陳宜明.鉸制孔螺栓的失效與非等強(qiáng)度受載分析［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2005.27(1):64-65.