无螺纹锁紧轴销设计

黄福洋

摘要：对于核环境下高温高腐蚀性的条件，一般用于锁紧或者定位的轴销不允许出现螺纹。本文通过对已有轴销的调研，整合多种轴销的优点，设计了一种适用于核环境下无螺紋锥形锁紧轴销。轴销能够轻松适应极端恶劣环境，且能够产生自锁，同时拆卸方便，不易发生卡死现象。本文所设计轴销为将来核环境下机械锁紧装置提供了参考依据。

关键词：无螺纹;锥形;锁紧轴销

0  引言

核能在生活中并不常见，但它却是无比重要也是世界各国都想拥有的一种能源，比如托卡马克装置，俗称“人造小太阳”。由于处在核环境下，装置的运行环境极度恶劣，高温、高压，有毒物质的腐蚀，所以对包裹物及其锁紧装置要求极为严格。

对于锁紧轴销而言，目前大部分设计都是通过螺纹锁紧。但由于核聚变条件下特殊的环境因素，在装置运行时，内部会产生高温，而一般用于固定或锁紧的轴销都是比较小的，在极端高温条件下，螺纹很容易被融化，从而导致两个连接部分连为一体，最后导致装置损坏。众所周知，核聚变装置都是非常昂贵的，若因为一个连接件而导致装置损坏，那将会给国家带来不可估量的损失。同时在没有螺纹的条件下还必须要有足够的强度和预紧力，装置运行时会发生震动，没有足够的强度锁紧轴销很容易断裂，没有足够的预紧力在震动时锁紧轴销很容易脱离预定位置，在核聚变装置运行时一旦出现这类情况，轻则装置损坏，重则发生爆炸导致核泄漏。同时考虑到由于装置震动而压紧轴销，使其在拆卸时较难拧出，故设计时不能采用传统的设计思路将其设计成圆柱状，需要一种便于拆卸的设计。本文所设计的锁紧轴销，是充分考虑核环境极端条件下的使用条件，对于未来极端条件下锁紧装置的设计思路提供了重要的参考依据。

1  国内外研究现状

通过调研发现，目前对于核聚变装置锁紧机构的设计比较少，而对于普通的锁紧轴销也是大多采用螺纹结构。

山东寿光巨能特钢公司的李国印设计了一种轧机机架的锁紧机构，采用分体式结构，通过一根过渡支架连接前后两端，有效的将活动轴销的压力释放，虽然这种设计提高了工作效率也节约了成本，但是还是采用了传统锁紧部件的螺纹结构。

北京汽车的梅幸国为自卸汽车设计了一种定式锁紧机构，该机构能够实现自锁，由五部分组成，即定式销扣、推力杆、销轴座、锁钩、后板锁扣，中间通过推力杆连接，通过调整推力杆，实现锁钩与板锁结合，从而达到自锁，并通过三维软件将模型画出，这种设计虽然稳定，但是只适用于汽车，所占用的空间比较大，核聚变装置内部空间有限，不能采用这种设计。

福建龙马环卫装备公司的张福燕为垃圾压缩机设计了一种锁紧结构，包括锁紧基座、驱动油缸、轴销、腰形槽和锁紧钩，并通过ADMAS和ANSYS软件对结构进行了优化，读取了危险工况下的载荷，这种设计能够提供较大的预紧力，但是需要使用液压装置，占用的空间比较大，同样不适合核聚变环境下。

广州市环境卫生机械设备厂的彭海鸿设计了几种举升锁紧机构，并通过对比几种设计的优缺点，得出各种设计使用的工况。同样的问题，这种设计用于车辆上，不太适合核聚变环境中的锁紧装置，整体尺寸过大。

通过以上几种锁紧机构的对比，得出了目前大部分的锁紧机构都是只用于普通环境中，对于核聚变环境下高温高压的情况几乎没有。这是因为核聚变环境与大部分人的生活没多大关系，而核聚变又是国家十三五规划中的大项目，也算是国家的百年大计，现在世界各国都想发展核能，但有实力的国家少之又少，一旦核能实现商用，对于国家的发展将会带来前所未有的好处。所以适用于核聚变环境的锁紧轴销设计是必须解决的。

2  锁紧轴销结构设计

如图1所示，轴销主要包括两个部分：内部的锁紧机构和外部的锥形销。内部锁紧机构主要由弹簧、连杆、半球形凸起以及锁紧部件;锥形销内部挖空，主要放置内部锁紧机构，并设计有楔型槽供锁紧机构伸缩，尾部设计有六角孔用于安装和拆卸。

如图2所示，内部锁紧装置的楔形凸起与图1中楔型槽是相互配和的，楔形凸起能够沿着楔型槽滑动。右边的两个部件类似于轴和轴套，是相互套在一起的，能够360度旋转。

如图3所示，根据GB/T 117-2000锥形销设计标准，设计锥度为1：50，设计成锥形的目的是为了拆卸时不至于锁死，圆柱形轴销在经过震动以后很容易被连接件相互挤压，导致轴销被压力锁死，而圆锥能够有效避免这类情况发生;内部为半球形凸起和连杆预留了空间，其中半球形凸起不能通过连杆预留空间，目的是只要半球形凸起缩回轴销就会解除自锁。

如图4所示，锥形销尾部有四个孔，其中两个光孔和两个螺纹孔。拆卸时用两根螺柱通过光孔抵在被连接件外部，用两根螺栓通过螺纹孔同步转动，这样就可以将锥形轴销拉出。

如图5所示，轴销装配时的剖面图，图中半球形凸起与连接件内部是相互配合的。设计成半球形是为了拆卸时方便，不至于因为受到切向力而产生过大阻力，进而卡死。

3  工作原理

3.1 装配时

插入轴销使之到达预定位置，用六角螺柱顶住内部锁紧置，锁紧装置沿着楔形槽到达预定位置，此时半球形凸起会到达预定位置，用六角螺柱顶住装置使弹簧处于压缩状态，转动90度，楔型凸起因为没有楔形槽将六角螺栓退出，锁紧装置在弹簧力的作用下锁死。

3.2 拆卸时

与装配时的步骤相反。用六角螺栓顶住内部锁紧机构，旋转使凸起对准楔形槽，在弹簧力的作用下半球形凸起会缩回锥形销内部。然后用螺栓和圆柱顶住尾部的螺纹孔和光孔，转动螺栓拉出锥形销。

整个装置的核心点在于弹簧，轴销能够锁死是因为弹簧能够提供预紧力。在设计时发现，没有螺纹结构又要有足够的预紧力很难实现，所以使用了弹簧结构。装配时半球形凸起能够与连接件配合不分离是因为弹簧提供了足够预紧力，拆卸时半球形能够退回装置内部是因为弹簧能够提供足够推力。

4  有限元分析结果

通过有限元软件，对几种不同状态下的静力学分析发现，当锁紧轴销只受正压力时，最大变形为0.040mm，等效应力为22.843Mpa;当只受左侧压力时，最大变形为0.005mm，等效应力为23.726Mpa;当只受中间压力，最大位移为0.016mm，等效应力为30.442Mpa;当只受右侧压力时，最大变形为0.096mm，等效应力为42.888Mpa。从以上结果可以得出，在各种情况下，锁紧轴销的强度均能符合要求，所以设计的轴销满足要求。

5  结论

通过对目前市面上锁紧装置的调研，没有发现适用于核聚变环境的。又根据目前所设计的核聚变装置总体结构，从实际情况出发，通过CATIA三维软件绘制效果图，然后再通过ANSYS有限元分析软件分析最大变形和等效应力，根据分析结果对结构进行优化，如此反复迭代的情况下：

①设计出了一种适用于核环境下的锥形锁紧轴销，解决了目前核环境中锁紧机构的设计难题，对于未来托卡马克装置锁紧装置设计提供了参考依据。

②设计出了一种无螺纹结构也能达到足够预紧力的锁紧装置，给未来新型锁紧装置设计提供了方向。

参考文献：

[1]李国印，张勇.连轧机机架锁紧机构优化设计使用效果显著[J].山东工业技术，2014（14）：9.

[2]彭海鸿.垃圾压缩车料斗举升锁紧机构的几种不同型式[J].机电工程技术，2014，43（06）：233-235.

[3]张福燕.基于ADAMS与ANSYS的垃圾压缩机锁紧机构协同优化设计[J].机械工程师，2017（12）：150-152.

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[5]范健文，熊维平，管菁.棘轮锁紧式举升机构的设计[J].现代制造技术与装备，2014（06）：16-17.