新型同步防转螺旋扣设计和应用

彭敏林 罗莉莉 赵 健

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海200063)

目前，沿海地区的起重运输机械抗风防滑系统设计风速不小于55 ms，为满足大型起重运输防风要求，须配置重载型防风锚定和防风锚固，常规的小载荷防风拉索难以满足使用要求，多数改用重型防风拉杆。防风拉杆重型化后，也给现场操作人员带来一定的困难，因此需要满足强风重载要求且操作简便灵活的防风拉杆的设计。

普通螺旋扣缩短拉紧或伸长松开时，需要转动螺旋套，如果仅周向固定其中一个螺杆，则另一端螺杆会与螺旋套转动，而不会转动螺纹。普通螺旋扣需两端同时固定，这样给使用操作带来不便，特别是重型防风拉杆需要两个人配合操作，因此提出，仅需一个人即能操作螺旋扣两端同步同时拉紧或伸长。

针对上述情况，研究设计了一种新型的只需一端固定即可完成两端同时拉紧或伸长的同步防转螺旋扣，阐述了新型同步防转螺旋扣的工作原理，分析重型防风拉杆的载荷要求，并验证确定其可行性。

1 工作原理

1.1 普通螺旋扣

普通螺旋扣主要采用一端左旋螺纹，另一端右旋螺纹的一体式螺旋套，螺旋套两端对应连接左旋螺杆和右旋螺杆，两端螺杆同时周向固定防转，旋转螺母，实现轴向缩短和伸长，实现拉紧和松开的作用，如图1所示。

1—螺旋套 2—左旋螺杆 3—右旋螺杆图1 普通螺旋扣Figure 1 General turnbuckle

1.2 新型同步防转螺旋扣

新型同步防转螺旋扣式防风拉杆使用过程中由现场工作人员手动操作。未工作时，防风拉杆两螺杆的螺纹都收回在螺旋套内，防风拉杆上端悬挂固定在起重运输机械上，下端未支撑，自由下垂状态。防风拉杆安装工作时，操作人员旋转螺旋套，旋拧出螺纹，螺旋扣伸出伸长，下端与地面基础耳板用销轴连接，最后收紧螺旋扣，即预紧防风拉杆。

新型同步防转螺旋扣，在普通螺旋扣基础上，增加防转滑套和滑杆，将一端左旋螺杆和另一端右旋螺杆连成一体式，限制左旋螺杆和右旋螺杆周向相对转动。实现固定一端螺杆相当于同时固定另一端螺杆的转动；同理旋转一端，则另一端同步转动。这样只固定一端，旋转螺旋套，左旋螺杆和右旋螺杆与螺旋套同时旋进或同时旋出，实现轴向缩短拉紧和伸长松开的作用，如图2所示。重型防风拉杆的尺寸也较大。

使用同步防转螺旋扣时，上端与其它零部件固定不转，即其中左旋螺杆端部固定，操作人员旋转螺旋套的锁紧把手，此左旋螺杆旋出螺旋套，左旋螺杆与右旋螺杆之间用防转内六角滑套和防转外六角滑杆相互连接防转，左旋螺杆与右旋螺杆之间无相对转动，防转滑套和防转滑杆之间可相互轴向滑动，固定左旋螺杆相当于同时固定两个螺杆；同时旋拧出右旋螺杆，螺旋扣伸出伸长，下端与地面基础桩耳板销轴连接。

1—左旋螺杆 2—螺旋套 3—右旋螺杆 4—防转滑套 5—防转滑杆 6—锁紧把手 7—销轴图2 新型同步防转螺旋扣Figure 2 A new type synchronous anti-rotating turnbuckle

同步螺旋扣的两螺杆时同步伸出或同步收进，有效地避免了两端螺纹旋出量不一样而导致一端伸长多一端伸长少，甚至一端脱开致使螺旋扣失效的情况。同步螺旋扣的两螺杆无相对转动，这样避免与地面基础桩耳板对孔时再次调整角度。

为了减轻操作劳动强度，螺旋扣的螺纹幅充分润滑，减少旋转摩擦阻力，但这样也会改变自锁角，工作可能出现螺纹松动失效。螺旋套上设置锁紧把手，在旋进或旋出螺旋套时，锁紧把手可作为旋转螺旋套的操作把手，螺旋套旋转到位时，锁紧把手下放到锁紧位置，这样其中一个螺杆和螺旋套之间就不能产生相对转动，同样通过防转滑套和防转滑杆连接，两个螺栓和螺母之间均锁定，不能产生相对转动，这样可同时防止螺杆与螺旋套之间松动。如图3所示，(a)为正常旋转操作状态，(b)和(c)为锁定防转状态。

2 设计分析

在同步防转螺旋扣作为重型防风拉杆在使用过程中，拉力载荷具有一定随机性，按照规范要求，设计以计算最大载荷满足使用要求即可。起重运输机在非工作风速状态下，比较容易达到防风拉杆的最大载荷，此次螺旋扣拉力按照受拉力100 t(1000 kN)进行设计。为了其工作性能情况，设计中用仿真计算软件ABAQUS对同步防转螺旋扣进行静态应力模拟分析。

按照防转螺旋扣的设计载荷对螺杆和螺旋套这两个主要受力部件进行有限元分析，根据实际工作状态及边界条件施加载荷和约束。螺杆在销轴孔内施加轴承载荷1000 kN，固定最端部的约3圈螺纹。螺旋套一端最端部3圈螺纹施加载荷1000 kN，固定另一端最端部的3圈螺纹。仿真应力分布如图4所示。

图3 螺旋扣锁定防松Figure 3 Locking turnbuckle

图4 螺旋套应力分布图Figure 4 Stress distribution of screw sleeve

为更好模拟实际工作载荷应力，对同步防转螺旋扣作为装配体受载荷作静态应力分析。根据实际工作状态及边界条件施加载荷和约束，在两端螺杆销轴孔内各施加轴承载荷1000 kN，螺旋套一端径向局部约束。螺杆和螺旋套装配体仿真应力分布如图5所示。

同步防转螺旋扣作为重型防风拉杆，左旋螺杆与右旋螺杆之间用内六角防转滑套和外六角防转滑杆相互连接防转，左旋螺杆与右旋螺杆之间无相对转动，要求防转滑套和防转滑杆之间不可有大的变形，否则左旋螺杆与右旋螺杆之间会出现一定的滞后效应，给工作人员手动操作带来一定困难，因此对同步防转螺旋扣的防转滑套和滑杆装配体也应进行整体应力应变分析。

防转滑套和滑杆之间防转，而轴向可滑动。防转滑套和防转滑杆装配体整体分析，计算螺旋扣的旋转扭矩。滑套和滑杆装配体仿真应力分布如图6所示。

图5 螺旋扣整体应力分布图Figure 5 Integral stress distribution of turnbuckle

图6 防转滑套滑杆整体应力和变形分布图Figure 6 Integral stress and deformation distribution of anti-rotating thimble and slide bar

同步防转螺旋扣的螺杆和螺旋套材料为45钢，采用III载荷组合，45钢许用应力[σ]钢=3451.22=282 MPa。防转螺旋扣的防转滑套和滑杆材料分别为铜和45钢，铜许用应力[σ]铜=1801.8=100 MPa。根据以上计算情况，最大载荷工况下的计算结果见表1。

表1 静强度计算结果Table 1 Calculated results of static strength

由表1看出，最大载荷工况下，同步防转螺旋扣的零部件计算应力满足设计要求。滑杆最大扭转变形0.01 mm，滑杆变形微小，滑套和滑杆不会出现卡死情况，不会引起同步防转螺旋扣操作困难。

3 研究设计成果

这种新型重型同步防转螺旋扣装置只需固定上端即可操作，左右螺纹同时伸长或缩短，操作安全可靠。

按照设计模型和施工图制造的同步防转螺旋扣装置，再与附属连接件组成的防风拉杆，与传统的螺旋扣形式相比外观差别不大，但利用中间防转滑套滑杆实现旋转同步，旋转把手两端同步直接下伸到地面位置，与地面基础连接，再反向旋转缩回收紧，整个过程螺旋扣的两螺杆轴孔角度不变，操作简单方便。现场应用表明，新型防风拉杆利用重型同步防转螺旋扣装置原理，使用功能达到预订目标，使用性能满足使用要求，验证确定了其可行性，并且操作简便灵活。

4 结论

(1)设计的新型重型同步防转螺旋扣装置，只需固定一端同步即可操作两端，同时伸长和缩短，简化操作，适用性广。

(2)设计过程中，用计算软件对同步防转螺旋扣仿真，避免后续修改，使用安全可靠。

(3)提高模型的通用性，设计好的模型直接用于有限元计算仿真，避免设计和计算重复建模，提高设计效率。

(4)同步防转螺旋扣装置只需在初次使用时注意调整好左右螺杆的方向，即可避免日后使用出现误差。

(5)同步防转螺旋扣装置设计目标是通过两端连接件作为起重运输机械的防风拉杆，也可在两端连接其它零部件实现类似的伸长和缩短操作，提供推拉作用力。