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超长液压锥套膨胀螺栓在船舶轴系联接中的应用研究

发表时间：2021/6/4 来源：《基层建设》2021年第2期作者：孙翼龙1 秦金杨2

[导读] 摘要：随着液压锥套膨胀螺栓在船舶轴系转矩载荷传递中的应用越来越广泛，超长液压锥套膨胀螺栓的需求也越来越迫切。

        1.身份证号码：21052219871217xxxx 辽宁本溪 117000
        2.身份证号码：32068319861017xxxx 江苏南通 226000
        摘要：随着液压锥套膨胀螺栓在船舶轴系转矩载荷传递中的应用越来越广泛，超长液压锥套膨胀螺栓的需求也越来越迫切。本文分别从超长液压锥套膨胀螺栓的优点、力学分析、零部件优化设计这三个方面对其在船舶轴系联接中的应用进行了详细研究。
        关键词：超长液压螺栓；锥套膨胀；轴系联接
        引言
        通常船舶轴系的法兰联接件为液压螺栓，如今不断优化的液压螺栓形式为具有弹性锥套的双螺母螺栓。液压螺栓的受力主要为两个方面：一方面是联接法兰之间的剪切力，另一方面是液压螺栓预紧后的预紧力。
        本文主要针对膨胀套长度大于240mm的超长高强度液压螺栓，对其结构、工作原理、锥套形式优化进行详细介绍并运用理论力学和材料力学等知识对于其进行受力分析，综合描述超长液压螺栓的优化设计和使用，对超长液压锥套膨胀螺栓在船舶轴系联接中的应用进行了系统研究。
        1 超长液压锥套膨胀螺栓的优点
        船舶推进系统的传动轴联接法兰，两个法兰连接的联接螺栓的锥套长度为220mm，三法兰连接的联接螺栓的锥套长度一般大于240mm。相对而言，锥套长度大于240mm的液压锥套膨胀联接螺栓定义为超长液压锥套膨胀螺栓（如图1所示），该定义的界限为锥套（如图2所示）和螺杆（如图3所示）。
        现传动轴系的三法兰联接液压螺栓形式分为非锥套膨胀液压螺栓和超长液压膨胀锥套螺栓二种。传统的机械预紧螺栓存在拆卸不便利，对预制孔要求高等缺陷。超长液压膨胀锥套螺栓现需求和应用越来越多，主要存在以下四个方面优点：
        （1）材料性能较高
        超长液压膨胀螺栓主要零部件选材为：螺杆为高强度合金钢（35CrMo，调质处理HB290-315），锥套材质为高强度合金钢（40CrNiMo，调质处理HB260-290），螺母材质为45#，调质处理HB290；安装定位限位块45#，调质处理HB290。主要配合零部件材质为高强度合金钢，能适用于传动轴系材质为45#以及高强度合金钢材质适配，降低了联接部分的损坏。
        （2）安装拆卸方便
        超长液压膨胀螺栓的预紧方式为液压拉伸方式，过盈配合方式为膨胀套膨胀过盈配合。膨胀锥套在不受液压拉伸膨胀力时与预制孔有适当间隙，便于安装和拆卸。另外为了便于在狭小空间内操作，双螺母中其中一个螺母为六角液压螺母，可以选择液压拉伸和液压扭力扳手两种操作方式。超长液压锥套膨胀螺栓的拆卸，是通过螺栓中心输入高压液压油，膨胀锥套，且在螺杆与锥套之间形成油膜保护，有效避免了拆卸时的卡阻现象，拆卸极为轻松。
        （3）安全系数较高
        超长液压锥套膨胀螺栓是通过拉伸锥套，锥套膨胀形变与联接孔紧密配合。另外螺母的预紧是通过液压高压油拉伸的方式进行的预紧，具有较好的自锁防松功能。
        （4）成本控制明显
        超长液压锥套膨胀螺栓拆卸装配都为非机械式拆卸，避免了螺栓因机械拆除形成的伤害。延长了螺栓的使用寿命。同时，锥套的变形量经过计算，为非塑性变形，使用寿命较长。可重复使用，为非一次性使用件，长期来看，对成本控制方面作用明显。

图1 超长液压锥套膨胀螺栓整体机构

图2 超长锥套

        图3 螺杆
        2 超长液压锥套膨胀螺栓的受力分析
        超长液压锥套膨胀螺栓在轴系上传动是通过联接法兰，传递转矩形成的。超长液压锥套膨胀螺栓的力学建模和受力分析过程如下：
        螺栓联接中心圆F向心计算（主要受力）：
        P=FV，P为柴油机功率。
        V=wr，w为柴油机输出转速，r为联接法兰孔中心圆直径。
        通过剪切力可以计算相应的螺栓直径以及校核螺栓数量，计算公式如下：
        按照经验值初设螺栓数量为4个，
        4F/πd2 m≦[τ]，其中d为螺柱直径，[τ]为螺栓的许用切应力，m为螺栓抗剪面目数。
        [τ]数据查【机械设计】6.3.3表6.3，以此可以得出螺栓的规格。
        安全系取为5。
        螺栓整体受力为：FNsina+uFNcosa，其中FN为锥面正压力，a为锥套倾斜角，u为摩擦系数，干摩擦情况下取0.3，油润滑条件下取0.1。
        A=（dmax+dmin）L/（2cosa），其中A为锥面结合面积。
        综上求得预紧力=pdL（sina+cosa）/cosa，锥套内径的附加压力公式为：
        [（1-v）2+（1+v）2]pl-E（r22 –r12）/（2r3 ），其中r为锥套内径均值，假设油膜厚度为t代入其中，pl为锥面所受压力，E为锥套的弹性模量。
        3 超长液压锥套膨胀螺栓零部件优化设计
        超长液压锥套膨胀螺栓零部件优化设计分别从螺母和锥套两方面进行优化。液压拉伸器厚度超出空间无法安装使用，为缩小空间，由常规圆形液压拉伸螺母优化为带圆肩六角液压螺母，更便于使用。锥套使用了膨胀套的设计结构，避免了锥套因局部塑性变形产生圆度误差，也降低了对锥套材料性能的要求，有效减轻了对安装孔接触面的拉伤。其中螺母优化设计如图4所示：

        图4 螺母优化设计
        4 结束语
        超长液压锥套膨胀螺栓在船舶推进系统的三法兰联接轴系中的应用，不仅提高了轴系联接安装的效率，而且保证了轴系的传动性能。本文针对超长液压锥套膨胀螺栓，系统介绍了超长液压锥套膨胀螺栓的概念定义、使用环境、工作原理、力学计算设计、零部件优化设计，对实际工业设计和工艺优化都有指导意义。
        参考文献：
        [1]邱宣怀.机械设计[M].北京高等教育出版社.2007.8；
        [2]成大生.机械设计-技术手册[M].北京化学工业出版社.2007.11；
        [3]何建华.液压紧配螺栓在1800TEU集装箱船上应用和拆装工艺介绍[J].中国水运月刊.2012.7；