船舶軸系液壓拉伸螺栓的原理及工藝

任世貴 劉雨夢(mèng) 黃運(yùn)佳 伍 剛

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

螺栓連接是一種重要的緊固件連接方式。傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)軸系用螺栓通常為鉸制孔螺栓，裝拆耗時(shí)，拆卸困難。20世紀(jì)90年代以來，液壓拉伸螺栓開始廣泛應(yīng)用于船舶軸系的法蘭連接。液壓拉伸螺栓可以反復(fù)無損傷使用，是連接螺栓上一次重大的技術(shù)突破。

1 鉸制孔螺栓與液壓拉伸螺栓區(qū)別

傳統(tǒng)船舶推進(jìn)軸系連接用螺栓通常為鉸制孔螺栓。鉸制孔用螺栓是螺栓的一種。其無螺紋的部分與軸法蘭孔壁的基本尺寸相同，屬于過盈配合，所以孔的加工要求極高，使得制造難度大幅提高。圖1為某鉸制孔用螺栓的加工要求。安裝時(shí)，需要“采用“錘擊”或“冷套”的緊配螺栓安裝方法，然后采用機(jī)械力擰緊螺母，并加上一定的預(yù)緊力。安裝結(jié)束后，再在螺栓端部的孔洞中插入止動(dòng)銷，以鎖緊螺母。

圖1 某鉸制孔螺栓的加工要求

使用中傳遞較大的力矩，因此在拆除時(shí)有較大困難，需要使用錘擊等手段。這個(gè)過程中，往往造成螺栓的損傷，俗稱“拉毛”，嚴(yán)重的甚至造成軸法蘭孔壁的損傷，給軸系造成較大的安全隱患。因此，鉸制孔用螺栓連接制造拆裝麻煩，要人力進(jìn)行拆裝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且可能會(huì)對(duì)連接件造成較大的損傷。

軸系液壓拉伸螺栓出現(xiàn)在21世紀(jì)初。其通過液壓力對(duì)螺栓進(jìn)行軸向拉伸作用以達(dá)到螺栓錐套與孔的緊密配合和螺栓的緊固，安裝簡(jiǎn)便快捷。此外，軸系液壓拉伸螺栓拆卸時(shí)，由于螺栓和錐套之間充滿了潤(rùn)滑油，其帶斜錐的螺栓桿身、中間錐套內(nèi)外圓以及聯(lián)軸器內(nèi)孔等配合部位均可以保持原有表面粗糙度，故可反復(fù)使用，避免了傳統(tǒng)緊配螺栓一旦拆卸，配合部位“拉毛”而報(bào)廢的缺陷。

軸系液壓拉伸螺栓和相配內(nèi)孔間的間隙視螺栓直徑的不同而在0.04～0.10 mm內(nèi)變化，故可手工推入和反復(fù)拆卸［1］。

由于軸系液壓拉伸螺栓的優(yōu)勢(shì)得到了用戶的青睞，軸系的液壓拉伸螺栓的使用占比逐步提高。

2 液壓拉伸螺栓的組成及其工作原理

軸系液壓拉伸螺栓是由螺栓本體、中間錐套及液壓螺母組成，如圖2所示。

圖2 軸系液壓拉伸螺栓的組成

螺栓本體其實(shí)是根雙頭螺柱，兩端螺紋用于安裝螺母，中部是軸向帶斜度的圓錐體，錐體表面上有深約1 mm的半圓狀油槽，油槽呈螺紋狀分布在錐面上，油槽離錐體兩端一定距離處又以圓環(huán)狀封閉槽結(jié)束，螺栓軸線中心的一端有1個(gè)油孔。該油孔往螺栓中部延伸，并在螺栓中部又通過一個(gè)徑向油孔與上述封閉圓環(huán)狀油槽相接。

中間錐套是內(nèi)部帶錐度的筒套，筒套的長(zhǎng)度比螺栓中部圓錐體稍短，而錐套內(nèi)表面的錐度與螺栓本體的錐度相同。螺母則是徑向帶孔的圓螺母。

使用液壓工具，在液壓螺栓的小端拉伸螺栓，使螺栓漲開錐套，因軸系液壓拉伸螺栓的螺栓本體和中間錐套帶有相同錐度，錐套和螺栓孔之間產(chǎn)生過盈配合，完全消除錐套與螺孔之間的間隙。因?yàn)殄F套與軸法蘭螺孔之間的間隙初始值設(shè)為0.05～0.07 mm，錐套穿入軸法蘭螺孔非常輕松，而脹緊的錐套與螺孔過盈配合后，每個(gè)螺栓承受均勻的載荷，不易受到過大的剪切力，使得軸系長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后也不會(huì)受到大的損傷。

螺母的緊固，則是利用工具通過液壓力將螺栓在軸向上、在螺柱材料允許彈性變形的范圍內(nèi)拉伸后，將螺栓一端螺母扳緊。在撤消對(duì)螺栓的液壓膨脹后，螺栓在軸向的彈性回復(fù)力作用下，使螺母有了一個(gè)相對(duì)的拉伸固力，螺母就這樣上緊了。

螺栓拆卸時(shí)，螺栓上有錐度，很容易退出，隨后錐套收縮，恢復(fù)到初始間隙值，取出錐套。這樣大幅度降低了施工難度。

3 液壓拉伸螺栓的相關(guān)設(shè)計(jì)

液壓緊配螺栓的安裝主要靠液壓泵來完成，所以在設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮其安裝工藝特性。由于安裝拉伸時(shí)螺栓和中間錐套的錐部配合起始點(diǎn)難以有效確定，實(shí)際操作中螺栓的軸向拉伸量難以確定，所以目前液壓緊配螺栓主要是以安裝壓力作為安裝拉伸時(shí)的主要檢測(cè)數(shù)據(jù)。安裝壓力的計(jì)算可根據(jù)材料力學(xué)中關(guān)于厚壁圓筒的計(jì)算公式以及圓錐面的過盈連接的工作原理和計(jì)算式（1）進(jìn)行［2］。

式中：F——安裝壓力，MPa；

d——螺栓錐部配合面平均直徑，mm；

l——螺栓與聯(lián)軸器相配內(nèi)孔的結(jié)合長(zhǎng)度，mm；

P——螺栓錐部配合面比壓，由式（2）計(jì)算確定，MPa；

f——配合面摩擦因數(shù)；

K——配合面錐度，通常取1∶40～1∶50

式中：δ——間隙量和過盈量，mm；

C1——中間參數(shù)，由式（3）計(jì)算確定；

C2——中間參數(shù)，由式（4）計(jì)算確定；

E1——螺栓材料的彈性模量，MPa；

E2——錐套材料的彈性模量，MPa

式中：d1——液壓緊配螺栓的最小直徑，mm；

μ1——液壓緊配螺栓和錐套之間的摩擦因數(shù)；

D0——錐套的最大直徑，mm；

μ2——錐套和螺栓孔之間的摩擦因數(shù)

表1為某液壓拉伸螺栓廠家推薦的相配間隙△，油壓P及安裝后軸套外徑過盈量δ值。

表1 某液壓拉伸螺栓廠家的使用推薦值

4 液壓拉伸螺栓的相關(guān)施工工藝

4.1 軸系液壓拉伸螺栓安裝前準(zhǔn)備工作

1）用清潔劑清洗軸系法蘭處的螺孔，中間錐套內(nèi)、外圓和拉緊螺栓錐面等配合部位應(yīng)無油脂、雜物，然后在上述部件的配合面均勻涂抹適量的潤(rùn)滑油與防咬劑。

2）根據(jù)聯(lián)軸節(jié)螺孔鏜孔記錄和相配之液壓拉伸螺栓的中間錐套外圓的加工尺寸間的間隙確定相配之螺孔和緊配螺栓。然后根據(jù)螺栓加工廠家的資料，查找出螺栓的安裝油壓，以供使用。

3）用手將螺栓本體套入中間錐套，到位后一并放入所配裝的軸法蘭螺孔中，如圖3所示。

圖3 螺栓本體套入中間錐套示意圖

4）在中間錐套沿拉伸方向前端放入安裝用的厚止動(dòng)板，裝上液壓拉伸器，用于螺栓和錐套保持相對(duì)位置，如圖4所示。

5）接通高壓油泵與液壓拉伸器的油路，拉緊螺栓。待軸向壓力P到位后，拉伸過程結(jié)束，記錄下此時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力P值，拆卸液壓拉伸器和制動(dòng)板。

4.2 軸系液壓拉伸螺栓的螺母預(yù)緊

1）將液壓螺母分別旋上螺栓的前、后端，用扳手棒旋緊，裝上液壓拉伸器，拉伸螺紋。待油壓上升

圖4 拉伸器安裝示意圖

至規(guī)定的預(yù)緊壓力值P±10%（P值是液壓螺栓生產(chǎn)廠家提供），旋緊螺母，如圖5所示。

圖5 螺母預(yù)緊示意圖

2）拆掉液壓拉伸器，螺母預(yù)緊工作結(jié)束，如圖6所示。

圖6 螺母預(yù)緊結(jié)束的液壓拉伸螺栓示意圖

為了使螺栓受力均勻，一般推薦采用對(duì)角線將螺母兩兩上緊。

4.3 軸系液壓拉伸螺栓的拆卸

1）裝上液壓拉伸器拉伸螺栓，待油壓上升至規(guī)定的預(yù)緊力（液壓拉伸螺栓制作廠家提供），用扳手棒旋松螺母，并拆卸液壓拉伸器，旋松螺母，使其與法蘭左端面距離約2倍于螺栓的軸向推入量S，即λ=2 S。具體操作參見圖5。

2）液壓螺母松脫到位后，在拉伸螺栓的左端中部油孔處接入高壓油路，如圖7所示。

圖7 接入高壓油管的液壓拉伸螺栓示意圖

3）往螺栓左端中部螺孔中泵入高壓油，待油壓上升至一定值后，拉伸螺栓連同中間錐套就會(huì)與軸系法蘭螺孔脫離。

4）拆卸高壓油路，分別旋下左、右端螺母，取出中間錐套和拉伸螺栓。螺栓拆卸工作結(jié)束。

5 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的鉸制孔螺栓比較，液壓拉伸螺栓使用的優(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損傷。

雖然液壓拉伸螺栓在工作情況下呈緊配狀態(tài)，但在自由狀態(tài)下，中間錐套的外徑比配合孔的內(nèi)徑小的，故螺栓和錐套并不需要作任何額外的處理便可輕易放到孔里。整個(gè)裝配過程，兩個(gè)工人僅需要花約5 min便可輕松完成一套螺栓組件。拆卸時(shí)，兩個(gè)工人也只需花幾分鐘即可拆卸完一套螺栓組件，對(duì)螺栓和孔均無任何損傷。

液壓拉伸螺栓其固有的優(yōu)點(diǎn)，可簡(jiǎn)化工廠的工藝。若能有效地推廣使用這種新技術(shù)，有助于提高業(yè)內(nèi)的生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。