液壓螺栓在大型雷達結構件上的聯接應用

張臘梅 林 松

(中國電子科技集團公司第38研究所 合肥 230088)

0 概述

隨著雷達天線陣面尺寸的增大和運輸條件的限制，大型結構件的拆裝設計成為設計的難點。某大型天線俯仰轉動系統，從電機減速機、聯軸節、小齒輪到大齒輪、中間軸承到天線陣面，軸系的基本任務是將電機的功率傳遞到天線陣面，同時將電機的旋轉傳遞給天線陣面，以實現天線俯仰轉動。由此可見，除了好的軸系設計和安裝校中外，齒輪和骨架的聯接形式，對天線陣面的可靠性來說，顯然同樣非常重要。

目前，國內外雷達產品大型軸系結構件的聯接均通過周向固定傳遞扭矩，軸向固定實現聯接，而本文創新性的采用液壓螺栓連接實現周向力矩傳遞和軸向固定，解決了安裝拆卸可能損壞結構件的難題，為類似產品的設計奠定了基礎。

1 聯接方案介紹

通常對于軸系結構件，需實現力矩傳遞，故軸向和周向均需固定。傳統的設計中，將軸向和周向固定分開，周向固定實現力矩傳遞，軸向固定實現位置固定。而輪轂與軸的周向固定方式主要有鍵聯接、花鍵聯接、脹套聯接、過盈聯接(熱裝配或冷裝配)等，而這些聯接形式在滿足旋轉高精度要求的情況下，對于大型設備來說，均不便于安裝和拆卸[1]。而軸向固定方式有軸肩、軸套、擋環、卡圈、鎖緊螺母等。本文考慮一種新的聯接方式，液壓螺栓聯接，主要應用在軸上需實現力矩傳遞的大型結構件的聯接，一方面實現軸向聯接的作用，另一方面實現周向力矩傳遞的功能。此處，軸上零部件齒輪與軸，軸與天線骨架可采用液壓螺栓代替傳統的鉸制螺栓聯接。從設計上來說，液壓螺栓和鉸制螺栓均不屬于普通螺栓，他們均同時受到軸向的拉力和橫向的沖擊，而且還起動定位銷的作用。但鉸制螺栓對螺桿的配合精度和粗糙度要求很高，它是利用過渡配合來達到抗剪的效果。而且在沖擊載荷下，螺桿和孔的間隙增大，無法進行調整，而引起螺栓失效。

而液壓螺栓對傳統鉸制螺栓進行工藝改革，螺桿和孔是小間隙配合，通過軸向油壓實現徑向脹緊，達到過渡或過盈的目的，使其對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，液壓螺栓聯接，安裝精度高，傳遞扭矩大，安裝、拆卸方便，是大型設備軸(特別是船舶主軸)上零件常用的聯接方式，而安裝定位靠相互間的止口定位。

2 液壓螺栓工作原理

液壓螺栓在結構上與傳統的緊配螺栓比較，液壓螺栓使用的優勝之處是裝拆方便，可重復使用，對孔以及螺栓本身不造成傷害。傳統的緊配螺栓與孔之間往往是過盈配合或過渡配合。螺栓安裝前需作冷凍處理，如果設備出現維修或該緊配螺栓需作臨時拆卸時，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，過程緩慢;其次，多數被取出的螺栓的緊配合面和孔的緊配合面往往會有磨損，甚至因為拆卸過程的摩擦而將配合面燒壞。液壓螺栓的設計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，見圖1。其工作原理為:錐套的內表面和螺桿的外表面制成相同的錐面，通過液壓油施加軸向力后，螺桿在套內軸向移動，由于錐度使套筒徑向脹大，從而脹緊安裝孔達到傳遞力矩的作用。

移到設計位置后，去掉高壓油，錐套膨脹緊壓在孔內，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傳遞扭矩。在軸向力卸去后，螺栓套外徑恢復原加工尺寸。

錐套外徑加工成比螺栓孔內徑小，以保證螺桿連同錐套易于穿進螺栓孔，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傳遞扭矩。

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

3 液壓螺栓應用

扇形齒輪與傳動軸及傳動軸與天線骨架的聯接均采用液壓螺栓的聯接形式(見圖3)，現以扇形齒輪處螺栓為例進行設計計算[4]。

根據電機功率和軸的轉速，可分析推算軸有效扭矩Me=500000 N·m。出于對機器啟動時的動載荷和使用中可能出現過載的考慮，引入工作情況系數:KA=3，則計算扭矩:

扇形齒輪與軸采用M36的液壓螺栓連接，如果聯接法蘭上每個螺栓都受力，而且大小均勻，則需螺栓數量:

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

則取 n ≥10。

以上計算是基于聯接法蘭上每個螺栓都受力，而且大小均勻。然而，由于螺栓材質缺陷或加工精度不到位，形成局部螺栓虛設，不僅使各螺栓強度不一，而且使受力最大的螺栓剪應力明顯增加，應考慮較高的安全系數(安全系數不小于2)，故此處取螺栓個數為24。

4 結束語

此處，扇形齒輪與傳動軸及天線骨架與傳動軸之間均采用液壓螺栓聯接形式，一方面起到普通螺栓的聯接作用，另一方面起到銷抗剪傳遞扭矩的作用，而且較精制螺栓安裝拆卸方便，安裝配合過程避免錘擊裝拆對設備的損壞。液壓螺栓是對傳統的鉸制孔螺栓的工藝改進，在降低鉸制孔要求的同時能達到很高的安裝精度，是大型結構件聯接的有效形式。

［1］ 龐振基黃其圣編.精密機械設計［M］.北京:機械工業出版社，2000，355-362.

［2］康兆宗.聯軸器液壓緊配螺栓的設計與工藝［J］. 船舶工程，2002.(1):32.

［3］張富明，王英.新型液壓緊配螺栓的優點及其應用［J］.船舶，1999.(2):24-25.

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