無螺紋鎖緊軸銷設(shè)計

黃福洋

摘要：對于核環(huán)境下高溫高腐蝕性的條件，一般用于鎖緊或者定位的軸銷不允許出現(xiàn)螺紋。本文通過對已有軸銷的調(diào)研，整合多種軸銷的優(yōu)點，設(shè)計了一種適用于核環(huán)境下無螺紋錐形鎖緊軸銷。軸銷能夠輕松適應(yīng)極端惡劣環(huán)境，且能夠產(chǎn)生自鎖，同時拆卸方便，不易發(fā)生卡死現(xiàn)象。本文所設(shè)計軸銷為將來核環(huán)境下機械鎖緊裝置提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無螺紋;錐形;鎖緊軸銷

0 ?引言

核能在生活中并不常見，但它卻是無比重要也是世界各國都想擁有的一種能源，比如托卡馬克裝置，俗稱“人造小太陽”。由于處在核環(huán)境下，裝置的運行環(huán)境極度惡劣，高溫、高壓，有毒物質(zhì)的腐蝕，所以對包裹物及其鎖緊裝置要求極為嚴格。

對于鎖緊軸銷而言，目前大部分設(shè)計都是通過螺紋鎖緊。但由于核聚變條件下特殊的環(huán)境因素，在裝置運行時，內(nèi)部會產(chǎn)生高溫，而一般用于固定或鎖緊的軸銷都是比較小的，在極端高溫條件下，螺紋很容易被融化，從而導(dǎo)致兩個連接部分連為一體，最后導(dǎo)致裝置損壞。眾所周知，核聚變裝置都是非常昂貴的，若因為一個連接件而導(dǎo)致裝置損壞，那將會給國家?guī)聿豢晒懒康膿p失。同時在沒有螺紋的條件下還必須要有足夠的強度和預(yù)緊力，裝置運行時會發(fā)生震動，沒有足夠的強度鎖緊軸銷很容易斷裂，沒有足夠的預(yù)緊力在震動時鎖緊軸銷很容易脫離預(yù)定位置，在核聚變裝置運行時一旦出現(xiàn)這類情況，輕則裝置損壞，重則發(fā)生爆炸導(dǎo)致核泄漏。同時考慮到由于裝置震動而壓緊軸銷，使其在拆卸時較難擰出，故設(shè)計時不能采用傳統(tǒng)的設(shè)計思路將其設(shè)計成圓柱狀，需要一種便于拆卸的設(shè)計。本文所設(shè)計的鎖緊軸銷，是充分考慮核環(huán)境極端條件下的使用條件，對于未來極端條件下鎖緊裝置的設(shè)計思路提供了重要的參考依據(jù)。

1 ?國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對于核聚變裝置鎖緊機構(gòu)的設(shè)計比較少，而對于普通的鎖緊軸銷也是大多采用螺紋結(jié)構(gòu)。

山東壽光巨能特鋼公司的李國印設(shè)計了一種軋機機架的鎖緊機構(gòu)，采用分體式結(jié)構(gòu)，通過一根過渡支架連接前后兩端，有效的將活動軸銷的壓力釋放，雖然這種設(shè)計提高了工作效率也節(jié)約了成本，但是還是采用了傳統(tǒng)鎖緊部件的螺紋結(jié)構(gòu)。

北京汽車的梅幸國為自卸汽車設(shè)計了一種定式鎖緊機構(gòu)，該機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖，由五部分組成，即定式銷扣、推力桿、銷軸座、鎖鉤、后板鎖扣，中間通過推力桿連接，通過調(diào)整推力桿，實現(xiàn)鎖鉤與板鎖結(jié)合，從而達到自鎖，并通過三維軟件將模型畫出，這種設(shè)計雖然穩(wěn)定，但是只適用于汽車，所占用的空間比較大，核聚變裝置內(nèi)部空間有限，不能采用這種設(shè)計。

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備公司的張福燕為垃圾壓縮機設(shè)計了一種鎖緊結(jié)構(gòu)，包括鎖緊基座、驅(qū)動油缸、軸銷、腰形槽和鎖緊鉤，并通過ADMAS和ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，讀取了危險工況下的載荷，這種設(shè)計能夠提供較大的預(yù)緊力，但是需要使用液壓裝置，占用的空間比較大，同樣不適合核聚變環(huán)境下。

廣州市環(huán)境衛(wèi)生機械設(shè)備廠的彭海鴻設(shè)計了幾種舉升鎖緊機構(gòu)，并通過對比幾種設(shè)計的優(yōu)缺點，得出各種設(shè)計使用的工況。同樣的問題，這種設(shè)計用于車輛上，不太適合核聚變環(huán)境中的鎖緊裝置，整體尺寸過大。

通過以上幾種鎖緊機構(gòu)的對比，得出了目前大部分的鎖緊機構(gòu)都是只用于普通環(huán)境中，對于核聚變環(huán)境下高溫高壓的情況幾乎沒有。這是因為核聚變環(huán)境與大部分人的生活沒多大關(guān)系，而核聚變又是國家十三五規(guī)劃中的大項目，也算是國家的百年大計，現(xiàn)在世界各國都想發(fā)展核能，但有實力的國家少之又少，一旦核能實現(xiàn)商用，對于國家的發(fā)展將會帶來前所未有的好處。所以適用于核聚變環(huán)境的鎖緊軸銷設(shè)計是必須解決的。

2 ?鎖緊軸銷結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，軸銷主要包括兩個部分：內(nèi)部的鎖緊機構(gòu)和外部的錐形銷。內(nèi)部鎖緊機構(gòu)主要由彈簧、連桿、半球形凸起以及鎖緊部件;錐形銷內(nèi)部挖空，主要放置內(nèi)部鎖緊機構(gòu)，并設(shè)計有楔型槽供鎖緊機構(gòu)伸縮，尾部設(shè)計有六角孔用于安裝和拆卸。

如圖2所示，內(nèi)部鎖緊裝置的楔形凸起與圖1中楔型槽是相互配和的，楔形凸起能夠沿著楔型槽滑動。右邊的兩個部件類似于軸和軸套，是相互套在一起的，能夠360度旋轉(zhuǎn)。

如圖3所示，根據(jù)GB/T 117-2000錐形銷設(shè)計標準，設(shè)計錐度為1：50，設(shè)計成錐形的目的是為了拆卸時不至于鎖死，圓柱形軸銷在經(jīng)過震動以后很容易被連接件相互擠壓，導(dǎo)致軸銷被壓力鎖死，而圓錐能夠有效避免這類情況發(fā)生;內(nèi)部為半球形凸起和連桿預(yù)留了空間，其中半球形凸起不能通過連桿預(yù)留空間，目的是只要半球形凸起縮回軸銷就會解除自鎖。

如圖4所示，錐形銷尾部有四個孔，其中兩個光孔和兩個螺紋孔。拆卸時用兩根螺柱通過光孔抵在被連接件外部，用兩根螺栓通過螺紋孔同步轉(zhuǎn)動，這樣就可以將錐形軸銷拉出。

如圖5所示，軸銷裝配時的剖面圖，圖中半球形凸起與連接件內(nèi)部是相互配合的。設(shè)計成半球形是為了拆卸時方便，不至于因為受到切向力而產(chǎn)生過大阻力，進而卡死。

3 ?工作原理

3.1 裝配時

插入軸銷使之到達預(yù)定位置，用六角螺柱頂住內(nèi)部鎖緊置，鎖緊裝置沿著楔形槽到達預(yù)定位置，此時半球形凸起會到達預(yù)定位置，用六角螺柱頂住裝置使彈簧處于壓縮狀態(tài)，轉(zhuǎn)動90度，楔型凸起因為沒有楔形槽將六角螺栓退出，鎖緊裝置在彈簧力的作用下鎖死。

3.2 拆卸時

與裝配時的步驟相反。用六角螺栓頂住內(nèi)部鎖緊機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)使凸起對準楔形槽，在彈簧力的作用下半球形凸起會縮回錐形銷內(nèi)部。然后用螺栓和圓柱頂住尾部的螺紋孔和光孔，轉(zhuǎn)動螺栓拉出錐形銷。

整個裝置的核心點在于彈簧，軸銷能夠鎖死是因為彈簧能夠提供預(yù)緊力。在設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，沒有螺紋結(jié)構(gòu)又要有足夠的預(yù)緊力很難實現(xiàn)，所以使用了彈簧結(jié)構(gòu)。裝配時半球形凸起能夠與連接件配合不分離是因為彈簧提供了足夠預(yù)緊力，拆卸時半球形能夠退回裝置內(nèi)部是因為彈簧能夠提供足夠推力。

4 ?有限元分析結(jié)果

通過有限元軟件，對幾種不同狀態(tài)下的靜力學分析發(fā)現(xiàn)，當鎖緊軸銷只受正壓力時，最大變形為0.040mm，等效應(yīng)力為22.843Mpa;當只受左側(cè)壓力時，最大變形為0.005mm，等效應(yīng)力為23.726Mpa;當只受中間壓力，最大位移為0.016mm，等效應(yīng)力為30.442Mpa;當只受右側(cè)壓力時，最大變形為0.096mm，等效應(yīng)力為42.888Mpa。從以上結(jié)果可以得出，在各種情況下，鎖緊軸銷的強度均能符合要求，所以設(shè)計的軸銷滿足要求。

5 ?結(jié)論

通過對目前市面上鎖緊裝置的調(diào)研，沒有發(fā)現(xiàn)適用于核聚變環(huán)境的。又根據(jù)目前所設(shè)計的核聚變裝置總體結(jié)構(gòu)，從實際情況出發(fā)，通過CATIA三維軟件繪制效果圖，然后再通過ANSYS有限元分析軟件分析最大變形和等效應(yīng)力，根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，如此反復(fù)迭代的情況下：

①設(shè)計出了一種適用于核環(huán)境下的錐形鎖緊軸銷，解決了目前核環(huán)境中鎖緊機構(gòu)的設(shè)計難題，對于未來托卡馬克裝置鎖緊裝置設(shè)計提供了參考依據(jù)。

②設(shè)計出了一種無螺紋結(jié)構(gòu)也能達到足夠預(yù)緊力的鎖緊裝置，給未來新型鎖緊裝置設(shè)計提供了方向。

參考文獻：

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