液压螺栓在大型雷达结构件上的联接应用

张腊梅 林 松

(中国电子科技集团公司第38研究所 合肥 230088)

0 概述

随着雷达天线阵面尺寸的增大和运输条件的限制，大型结构件的拆装设计成为设计的难点。某大型天线俯仰转动系统，从电机减速机、联轴节、小齿轮到大齿轮、中间轴承到天线阵面，轴系的基本任务是将电机的功率传递到天线阵面，同时将电机的旋转传递给天线阵面，以实现天线俯仰转动。由此可见，除了好的轴系设计和安装校中外，齿轮和骨架的联接形式，对天线阵面的可靠性来说，显然同样非常重要。

目前，国内外雷达产品大型轴系结构件的联接均通过周向固定传递扭矩，轴向固定实现联接，而本文创新性的采用液压螺栓连接实现周向力矩传递和轴向固定，解决了安装拆卸可能损坏结构件的难题，为类似产品的设计奠定了基础。

1 联接方案介绍

通常对于轴系结构件，需实现力矩传递，故轴向和周向均需固定。传统的设计中，将轴向和周向固定分开，周向固定实现力矩传递，轴向固定实现位置固定。而轮毂与轴的周向固定方式主要有键联接、花键联接、胀套联接、过盈联接(热装配或冷装配)等，而这些联接形式在满足旋转高精度要求的情况下，对于大型设备来说，均不便于安装和拆卸[1]。而轴向固定方式有轴肩、轴套、挡环、卡圈、锁紧螺母等。本文考虑一种新的联接方式，液压螺栓联接，主要应用在轴上需实现力矩传递的大型结构件的联接，一方面实现轴向联接的作用，另一方面实现周向力矩传递的功能。此处，轴上零部件齿轮与轴，轴与天线骨架可采用液压螺栓代替传统的铰制螺栓联接。从设计上来说，液压螺栓和铰制螺栓均不属于普通螺栓，他们均同时受到轴向的拉力和横向的冲击，而且还起动定位销的作用。但铰制螺栓对螺杆的配合精度和粗糙度要求很高，它是利用过渡配合来达到抗剪的效果。而且在冲击载荷下，螺杆和孔的间隙增大，无法进行调整，而引起螺栓失效。

而液压螺栓对传统铰制螺栓进行工艺改革，螺杆和孔是小间隙配合，通过轴向油压实现径向胀紧，达到过渡或过盈的目的，使其对法兰上铰制孔精度可允许较大的降低。另外，为保证液压螺栓的可靠工作，齿轮与轴、轴与背架的上铰制孔同样配作加工。

综合以上因素，液压螺栓联接，安装精度高，传递扭矩大，安装、拆卸方便，是大型设备轴(特别是船舶主轴)上零件常用的联接方式，而安装定位靠相互间的止口定位。

2 液压螺栓工作原理

液压螺栓在结构上与传统的紧配螺栓比较，液压螺栓使用的优胜之处是装拆方便，可重复使用，对孔以及螺栓本身不造成伤害。传统的紧配螺栓与孔之间往往是过盈配合或过渡配合。螺栓安装前需作冷冻处理，如果设备出现维修或该紧配螺栓需作临时拆卸时，螺栓的拆卸不便，必须制作特殊工具或以敲击方式将其从孔中取出来，过程缓慢;其次，多数被取出的螺栓的紧配合面和孔的紧配合面往往会有磨损，甚至因为拆卸过程的摩擦而将配合面烧坏。液压螺栓的设计使用刚好克服了上述的弊端。

液压螺栓是由双头螺杆、锥套、螺母组成，见图1。其工作原理为:锥套的内表面和螺杆的外表面制成相同的锥面，通过液压油施加轴向力后，螺杆在套内轴向移动，由于锥度使套筒径向胀大，从而胀紧安装孔达到传递力矩的作用。

移到设计位置后，去掉高压油，锥套膨胀紧压在孔内，再旋紧左边螺母，拉伸螺杆和旋紧右螺母。利用螺母与法兰表面之间摩擦力和孔与液压紧配螺栓间剪切阻力来传递扭矩。在轴向力卸去后，螺栓套外径恢复原加工尺寸。

锥套外径加工成比螺栓孔内径小，以保证螺杆连同锥套易于穿进螺栓孔，而在施加轴向力后，利用螺母与法兰表面之间摩擦力和孔与液压螺栓间剪切阻力来传递扭矩。

液压螺栓连同锥套穿进螺栓孔后，采用液压顶进装置和螺栓拉伸装置安装锥套和施加螺栓的预紧力，锥套径向胀大，保证紧密配合，然后旋紧螺母。松开时，也采用液压螺栓拉伸装置拉伸螺栓，同时在螺栓圆锥面油道上注入高压油，具体见图2。用液压螺栓装、拆的过程不仅简单而且还能保持配合表面原有精度，避免锤击装拆对轴、齿轮、骨架及其它设备造成损坏[2-3]。

3 液压螺栓应用

扇形齿轮与传动轴及传动轴与天线骨架的联接均采用液压螺栓的联接形式(见图3)，现以扇形齿轮处螺栓为例进行设计计算[4]。

根据电机功率和轴的转速，可分析推算轴有效扭矩Me=500000 N·m。出于对机器启动时的动载荷和使用中可能出现过载的考虑，引入工作情况系数:KA=3，则计算扭矩:

扇形齿轮与轴采用M36的液压螺栓连接，如果联接法兰上每个螺栓都受力，而且大小均匀，则需螺栓数量:

式中:dc为螺栓孔分布直径，dc=φ1100mm;d为螺栓杆与孔配合的基本尺寸，d=36mm;

A为法兰材质系数，α=(σs-150)/400+0.5;b为螺杆剩余安全系数，一般取0.7;μ为螺母与法兰间干摩擦系数，取0.15;a为法兰材质系数，α=(σs-150)/400+0.5;σ为螺栓拉伸预应力，直径φ36mm液压紧配螺栓其拉伸预应力为250N/mm2;τ为螺栓允许最大剪切应力，取240N/mm2。

则取 n ≥10。

以上计算是基于联接法兰上每个螺栓都受力，而且大小均匀。然而，由于螺栓材质缺陷或加工精度不到位，形成局部螺栓虚设，不仅使各螺栓强度不一，而且使受力最大的螺栓剪应力明显增加，应考虑较高的安全系数(安全系数不小于2)，故此处取螺栓个数为24。

4 结束语

此处，扇形齿轮与传动轴及天线骨架与传动轴之间均采用液压螺栓联接形式，一方面起到普通螺栓的联接作用，另一方面起到销抗剪传递扭矩的作用，而且较精制螺栓安装拆卸方便，安装配合过程避免锤击装拆对设备的损坏。液压螺栓是对传统的铰制孔螺栓的工艺改进，在降低铰制孔要求的同时能达到很高的安装精度，是大型结构件联接的有效形式。

［1］ 庞振基黄其圣编.精密机械设计［M］.北京:机械工业出版社，2000，355-362.

［2］康兆宗.联轴器液压紧配螺栓的设计与工艺［J］. 船舶工程，2002.(1):32.

［3］张富明，王英.新型液压紧配螺栓的优点及其应用［J］.船舶，1999.(2):24-25.

［4］陈宜明.铰制孔螺栓的失效与非等强度受载分析［J］.现代雷达，2005.27(1):64-65.