朱興元 蔡鵬飛 熊文娟

摘要：旋轉(zhuǎn)銷軸是普遍用于港口集裝箱吊裝的工具之一，其有受到交變應(yīng)力大、使用頻率高的特點，在吊裝集裝箱的過程中屬于易耗品。所以在保證安全性能的前提下，提高銷軸的耐用度就顯得尤為必要。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)銷軸；制作；工藝；改進(jìn)

中圖分類號：U671.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Manufacture-technology Improvement of Twist Lock Pin Used in Containers Hoisting

ZHU Xingyuan，CAI Pengfei，XIONG Wenjuan

(Guangzhou Shipyard International Co., Ltd. Guangzhou 510382)

Abstract：Twist lock pins (TLP), one of the common tools used for container hoisting in harbor, bearing strong varied stresses and high frequency of use, are belong to easily-consumed products. Accordingly, under meeting safety requirement, it is particularly necessary to improve the endurance of TLP.

Key words: Twist Lock Pin; Manufacture; Technology; Improvement

1 前言

旋轉(zhuǎn)銷軸是用于港口碼頭集裝箱吊運時的鎖緊裝置，近十來年我司為日本某客戶提供了數(shù)千套優(yōu)質(zhì)的銷軸成品。在取得良好的經(jīng)濟(jì)效益同時，也為廣船國際在港口機(jī)械領(lǐng)域贏得了長遠(yuǎn)的聲譽(yù)。近期該客戶再次委托我司制作64套銷軸，該銷軸用于香港國際貨柜碼頭，其制作周期緊張，質(zhì)量要求嚴(yán)格，而且客戶提供的是陳舊、模糊的設(shè)計圖，因此，我們必須克服各種困難，確保銷軸按期保質(zhì)完成，以維護(hù)雙方長期的良好合作關(guān)系。

2原設(shè)計圖紙及存在問題

由于客戶提供的圖紙模糊，而且是日文標(biāo)注，所以深化圖紙的工作尤為重要。圖1為銷軸加工深化圖。

該類型銷軸的原設(shè)計鎖緊部分螺紋為M52×2的細(xì)螺紋，從受力分析的角度講，細(xì)螺紋的受力效果要較普

圖1銷軸加工深化圖

通螺紋好，但是在實際的使用過程中發(fā)現(xiàn)細(xì)螺紋的單個螺距螺紋受力效果比普通螺紋要差，而且在實際使用過程中難免有碰撞等沖擊，所以螺紋較容易損壞。

3 解決方案及加工要點

3.1 圖紙的確認(rèn)

我們與業(yè)主積極溝通，對圖紙上不清楚的地方與業(yè)主進(jìn)行一一確認(rèn)，保證圖紙的正確性與合理性，確保后續(xù)的加工無誤，滿足業(yè)主的使用要求。

3.2 存在問題的解決方案

經(jīng)業(yè)主反映，銷軸在使用過程中，螺紋的損壞較為嚴(yán)重。經(jīng)過我們綜合考慮，認(rèn)為原設(shè)計的細(xì)螺紋是不太合理的。經(jīng)過計算后與業(yè)主協(xié)商，我們將M52×2的細(xì)螺紋改為普通螺距的螺紋M52×5。此改動不會影響吊裝的安全，相反還能延長銷軸的使用壽命。

3.2.1 安全核算

從設(shè)計方面可知，同樣直徑的螺紋，螺距越小，螺紋的應(yīng)力截面積則越大，螺紋的應(yīng)力截面積為：

S=0.7854（d-0.9 382P）2 （1）

M52×2的細(xì)螺紋，其應(yīng)力截面積S1=2 512 mm2；

M52×5的粗螺紋，其應(yīng)力截面積S2=2 238 mm2。

目前集裝箱的最大載重是30 t，所以吊裝時每根銷軸所受的拉力為：

F=30 000·G/n=73 500 N（2）

式中：G—重力加速度，G=9.8 m/s2；

n—銷軸數(shù)量，n=4。

不同螺距的銷軸的螺紋所受到的拉應(yīng)力為：

σ=F/S（3）

M52×2的細(xì)螺紋，其拉應(yīng)力為σ1=25.25 MPa；

M52×5的粗螺紋，其拉應(yīng)力為σ2=32.84 MPa。

銷軸所采用的材料是42CrMo，抗拉強(qiáng)度σb=1 080 MPa。由此可以看出，無論是細(xì)螺紋還是粗螺紋銷軸，所受到的拉應(yīng)力遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度，理論上安全系數(shù)都超過30，完全滿足《吊索具安全技術(shù)規(guī)范》的安全系數(shù)不得小于4的要求。

由此可知，銷軸螺紋螺距小范圍的變化對其安全系數(shù)的影響不大，M52×5螺紋滿足安全使用要求。

3.2.2螺紋受力情況分析

螺紋在實際加工過程中不可避免地存在螺距誤差，實際加工出來的外螺紋和內(nèi)螺紋之間的配合，是一個間隙漸變的配合面。第一扣螺紋之間的配合最嚴(yán)密，最后一扣螺紋之間的配合間隙最大，所以螺紋上受到的應(yīng)力分布是不均勻的，即第一扣螺紋受力最大，而最后一扣螺紋受力最小，如圖2所示。

由圖2可以看出，螺紋單位長度上的螺紋螺距越多，則誤差 積累越大，所以在相同的旋合長度上，螺距較大的螺紋的螺距誤差反而小，所以此時粗螺紋的接觸情況要比細(xì)螺紋的要好得多，在螺栓受外力作用時，螺紋的螺旋面上所受到的應(yīng)力更均勻。

另外，如果螺紋的螺距過小，則單個螺紋的中徑牙厚螺旋截面積則也很小。

單個螺距的中徑牙厚螺旋截面積為：

A=L· = · = ·

（4）

式中：L—單個螺距的螺旋線長度；

P—螺距（P/2即為中徑位置的牙形寬度）；

d—螺紋大徑；

d2—螺紋中徑；

α—螺旋升角。

以上公式的詳情見圖3所示：

圖3 螺紋中徑螺旋線展開圖

由公式（4）可得：

M52×2細(xì)螺紋單個螺距的中徑牙厚螺旋截面積為：A1=162.695 mm2；

M52×5粗螺紋單個螺距的中徑牙厚螺旋截面積為：A2=404.348 mm2。

由此可見，A2/A1=2.485，所以大螺距的螺紋單扣螺紋承載能力要優(yōu)于小螺距的螺紋。

在實際使用過程中，業(yè)主反映M52×2的細(xì)螺紋銷軸在使用時容易“滑牙”（即螺紋部分容易發(fā)生金屬疲勞而損壞），原因是細(xì)螺紋單個螺紋的承載能力小，更容易發(fā)生變形，螺距小的螺紋的牙面變形量也較小，在承載時，螺旋前部分螺紋的變形量無法補(bǔ)償螺距的積累誤差，從而導(dǎo)致只有前面的部分螺紋真正意義上的受力。

相反，M52×5的螺紋在相同的旋合長度上，螺距的數(shù)量只有M52×2螺紋的40%，所以在受力的時候，5 ㎜螺距的變形量可以補(bǔ)償螺距的誤差積累，從而達(dá)到載荷的均勻分布。

在使用過程中，業(yè)主反映經(jīng)過改進(jìn)后的M52×5粗螺紋銷軸沒有像細(xì)螺紋那樣容易損壞，使用壽命明顯延長了很多。

綜上可以得出結(jié)論，銷軸的螺紋由M52×2修改為M52×5，在滿足安全要求的前提下，延長了銷軸的使用周期。

3.3加工要點剖析

3.3.1加工工序

由于加工數(shù)目比較多，屬于小批量生產(chǎn)范疇。綜合考慮，需要制定加工工序及選用專用工裝夾具。加工完工后的實物見圖4。加工工序如下：

粗車→調(diào)質(zhì)→精車→ 精磨→車去工藝軸頭。

圖4銷軸成品圖

3.3.2工藝軸頭

如圖5所示，在銷軸的錐尖一側(cè)留上工藝軸頭，并在軸頭上打上中心孔，這樣一來，就可以保證銷軸在粗、精加工時基準(zhǔn)統(tǒng)一，精度有保證，而且定位也比較容易，提高了銷軸的加工效率。待銷軸整體加工完成后，再在車床上將該軸頭車去即可。

圖5 銷軸加工工藝軸頭

3.3.3圓弧位加工

在吊裝集裝箱的時候，銷軸在機(jī)械臂的作用下，從吊裝孔向下伸入，然后再旋轉(zhuǎn)90°，利用銷軸的軸肩吊起集裝箱。但是每次吊裝的位置多少有些許偏差，如果集裝箱吊碼的邊緣頂住銷軸軸肩處的過渡圓弧位時，則會對銷軸的過渡圓弧造成損壞，時間久了，圓弧位將被逐漸被磨損，銷軸的使用安全性和使用壽命將大大降低。所以經(jīng)與客戶溝通，我們將銷軸過渡圓弧位改為下沉圓弧位，避免了吊裝時銷軸與集裝箱吊碼產(chǎn)生的干涉損壞，保證了銷軸的安全，并延長了銷軸的使用壽命。

圖6為修改前后的圓弧過渡位的形狀。

圖6銷軸圓弧位改進(jìn)示意圖

4方案比較

總結(jié)以上的加工方法，較傳統(tǒng)的加工工藝，使得銷軸的加工效率有較大的提升，特別是工藝軸頭方案的采取，使得銷軸的加工基準(zhǔn)有所保障。如果按照傳統(tǒng)的加工方法，則需要做一套內(nèi)頂尖才能滿足制作精度要求（如圖7），但由于每件銷軸的加工角度都不是標(biāo)準(zhǔn)的90°，難免有角度偏差±Δ，這樣一來，每件銷軸實際上和內(nèi)頂尖之間的角度不是完全貼合的，所以在加工的時候會產(chǎn)生微小的晃動或中心偏移，這樣加工出來的外圓會有較大的圓度和圓柱度誤差，從而無法保證精度要求。相反，如果采用的是在工藝軸頭上用中心鉆打中心孔的方法來加工，則每一個中心孔的角度基本完全一致，定位誤差將大大降低，保證了銷軸的精度。

圖7傳統(tǒng)加工工藝內(nèi)頂尖示意圖

參考文獻(xiàn)

[1]徐英南,許兆豐等編. 《機(jī)械工人實用手冊》.中國勞動出版社出版.

[2]趙如福主編. 《金屬機(jī)械加工工藝人員手冊》.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社出版.

[3]王先逵主編. 《機(jī)械加工工藝手冊》.機(jī)械工業(yè)出版社出版.

作者簡介：朱興元（1983-），男，助理工程師。主要從事商務(wù)經(jīng)營工作。

蔡鵬飛（1985-），男，助理工程師。主要從事機(jī)械設(shè)計制造工作。

收稿日期：2014-04-02