黃福洋

摘要：對(duì)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(duì)已有軸銷的調(diào)研，整合多種軸銷的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適用于核環(huán)境下無(wú)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(shí)拆卸方便，不易發(fā)生卡死現(xiàn)象。本文所設(shè)計(jì)軸銷為將來(lái)核環(huán)境下機(jī)械鎖緊裝置提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無(wú)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(wú)比重要也是世界各國(guó)都想擁有的一種能源，比如托卡馬克裝置，俗稱“人造小太陽(yáng)”。由于處在核環(huán)境下，裝置的運(yùn)行環(huán)境極度惡劣，高溫、高壓，有毒物質(zhì)的腐蝕，所以對(duì)包裹物及其鎖緊裝置要求極為嚴(yán)格。

對(duì)于鎖緊軸銷而言，目前大部分設(shè)計(jì)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(yùn)行時(shí)，內(nèi)部會(huì)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(gè)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?yàn)橐粋€(gè)連接件而導(dǎo)致裝置損壞，那將會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)不可估量的損失。同時(shí)在沒有螺紋的條件下還必須要有足夠的強(qiáng)度和預(yù)緊力，裝置運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生震動(dòng)，沒有足夠的強(qiáng)度鎖緊軸銷很容易斷裂，沒有足夠的預(yù)緊力在震動(dòng)時(shí)鎖緊軸銷很容易脫離預(yù)定位置，在核聚變裝置運(yùn)行時(shí)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(shí)考慮到由于裝置震動(dòng)而壓緊軸銷，使其在拆卸時(shí)較難擰出，故設(shè)計(jì)時(shí)不能采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路將其設(shè)計(jì)成圓柱狀，需要一種便于拆卸的設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)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(duì)于未來(lái)極端條件下鎖緊裝置的設(shè)計(jì)思路提供了重要的參考依據(jù)。

1 ?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于核聚變裝置鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較少，而對(duì)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(guó)印設(shè)計(jì)了一種軋機(jī)機(jī)架的鎖緊機(jī)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(dòng)軸銷的壓力釋放，雖然這種設(shè)計(jì)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(guó)為自卸汽車設(shè)計(jì)了一種定式鎖緊機(jī)構(gòu)，該機(jī)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(shí)現(xiàn)鎖鉤與板鎖結(jié)合，從而達(dá)到自鎖，并通過三維軟件將模型畫出，這種設(shè)計(jì)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(jì)。

福建龍馬環(huán)衛(wèi)裝備公司的張福燕為垃圾壓縮機(jī)設(shè)計(jì)了一種鎖緊結(jié)構(gòu)，包括鎖緊基座、驅(qū)動(dòng)油缸、軸銷、腰形槽和鎖緊鉤，并通過ADMAS和ANSYS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，讀取了危險(xiǎn)工況下的載荷，這種設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)備廠的彭海鴻設(shè)計(jì)了幾種舉升鎖緊機(jī)構(gòu)，并通過對(duì)比幾種設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，得出各種設(shè)計(jì)使用的工況。同樣的問題，這種設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的對(duì)比，得出了目前大部分的鎖緊機(jī)構(gòu)都是只用于普通環(huán)境中，對(duì)于核聚變環(huán)境下高溫高壓的情況幾乎沒有。這是因?yàn)楹司圩儹h(huán)境與大部分人的生活沒多大關(guān)系，而核聚變又是國(guó)家十三五規(guī)劃中的大項(xiàng)目，也算是國(guó)家的百年大計(jì)，現(xiàn)在世界各國(guó)都想發(fā)展核能，但有實(shí)力的國(guó)家少之又少，一旦核能實(shí)現(xiàn)商用，對(duì)于國(guó)家的發(fā)展將會(huì)帶來(lái)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(jì)是必須解決的。

2 ?鎖緊軸銷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，軸銷主要包括兩個(gè)部分：內(nèi)部的鎖緊機(jī)構(gòu)和外部的錐形銷。內(nèi)部鎖緊機(jī)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(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)有楔型槽供鎖緊機(jī)構(gòu)伸縮，尾部設(shè)計(jì)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(dòng)。右邊的兩個(gè)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)錐度為1：50，設(shè)計(jì)成錐形的目的是為了拆卸時(shí)不至于鎖死，圓柱形軸銷在經(jīng)過震動(dòng)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(huì)解除自鎖。

如圖4所示，錐形銷尾部有四個(gè)孔，其中兩個(gè)光孔和兩個(gè)螺紋孔。拆卸時(shí)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(dòng)，這樣就可以將錐形軸銷拉出。

如圖5所示，軸銷裝配時(shí)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(jì)成半球形是為了拆卸時(shí)方便，不至于因?yàn)槭艿角邢蛄Χa(chǎn)生過大阻力，進(jìn)而卡死。

3 ?工作原理

3.1 裝配時(shí)

插入軸銷使之到達(dá)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(dá)預(yù)定位置，此時(shí)半球形凸起會(huì)到達(dá)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(dòng)90度，楔型凸起因?yàn)闆]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(shí)

與裝配時(shí)的步驟相反。用六角螺栓頂住內(nèi)部鎖緊機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)使凸起對(duì)準(zhǔn)楔形槽，在彈簧力的作用下半球形凸起會(huì)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(dòng)螺栓拉出錐形銷。

整個(gè)裝置的核心點(diǎn)在于彈簧，軸銷能夠鎖死是因?yàn)閺椈赡軌蛱峁╊A(yù)緊力。在設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)，所以使用了彈簧結(jié)構(gòu)。裝配時(shí)半球形凸起能夠與連接件配合不分離是因?yàn)閺椈商峁┝俗銐蝾A(yù)緊力，拆卸時(shí)半球形能夠退回裝置內(nèi)部是因?yàn)閺椈赡軌蛱峁┳銐蛲屏Α?/p>

4 ?有限元分析結(jié)果

通過有限元軟件，對(duì)幾種不同狀態(tài)下的靜力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鎖緊軸銷只受正壓力時(shí)，最大變形為0.040mm，等效應(yīng)力為22.843Mpa;當(dāng)只受左側(cè)壓力時(shí)，最大變形為0.005mm，等效應(yīng)力為23.726Mpa;當(dāng)只受中間壓力，最大位移為0.016mm，等效應(yīng)力為30.442Mpa;當(dāng)只受右側(cè)壓力時(shí)，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(qiáng)度均能符合要求，所以設(shè)計(jì)的軸銷滿足要求。

5 ?結(jié)論

通過對(duì)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(jì)的核聚變裝置總體結(jié)構(gòu)，從實(shí)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如此反復(fù)迭代的情況下：

①設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)難題，對(duì)于未來(lái)托卡馬克裝置鎖緊裝置設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

②設(shè)計(jì)出了一種無(wú)螺紋結(jié)構(gòu)也能達(dá)到足夠預(yù)緊力的鎖緊裝置，給未來(lái)新型鎖緊裝置設(shè)計(jì)提供了方向。

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