彭敏林 羅莉莉 趙 健

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海200063)

目前，沿海地區(qū)的起重運(yùn)輸機(jī)械抗風(fēng)防滑系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)速不小于55 ms，為滿足大型起重運(yùn)輸防風(fēng)要求，須配置重載型防風(fēng)錨定和防風(fēng)錨固，常規(guī)的小載荷防風(fēng)拉索難以滿足使用要求，多數(shù)改用重型防風(fēng)拉桿。防風(fēng)拉桿重型化后，也給現(xiàn)場操作人員帶來一定的困難，因此需要滿足強(qiáng)風(fēng)重載要求且操作簡便靈活的防風(fēng)拉桿的設(shè)計。

普通螺旋扣縮短拉緊或伸長松開時，需要轉(zhuǎn)動螺旋套，如果僅周向固定其中一個螺桿，則另一端螺桿會與螺旋套轉(zhuǎn)動，而不會轉(zhuǎn)動螺紋。普通螺旋扣需兩端同時固定，這樣給使用操作帶來不便，特別是重型防風(fēng)拉桿需要兩個人配合操作，因此提出，僅需一個人即能操作螺旋扣兩端同步同時拉緊或伸長。

針對上述情況，研究設(shè)計了一種新型的只需一端固定即可完成兩端同時拉緊或伸長的同步防轉(zhuǎn)螺旋扣，闡述了新型同步防轉(zhuǎn)螺旋扣的工作原理，分析重型防風(fēng)拉桿的載荷要求，并驗證確定其可行性。

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紋，另一端右旋螺紋的一體式螺旋套，螺旋套兩端對應(yīng)連接左旋螺桿和右旋螺桿，兩端螺桿同時周向固定防轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)螺母，實現(xiàn)軸向縮短和伸長，實現(xiàn)拉緊和松開的作用，如圖1所示。

1—螺旋套 2—左旋螺桿 3—右旋螺桿圖1 普通螺旋扣Figure 1 General turnbuckle

1.2 新型同步防轉(zhuǎn)螺旋扣

新型同步防轉(zhuǎn)螺旋扣式防風(fēng)拉桿使用過程中由現(xiàn)場工作人員手動操作。未工作時，防風(fēng)拉桿兩螺桿的螺紋都收回在螺旋套內(nèi)，防風(fēng)拉桿上端懸掛固定在起重運(yùn)輸機(jī)械上，下端未支撐，自由下垂?fàn)顟B(tài)。防風(fēng)拉桿安裝工作時，操作人員旋轉(zhuǎn)螺旋套，旋擰出螺紋，螺旋扣伸出伸長，下端與地面基礎(chǔ)耳板用銷軸連接，最后收緊螺旋扣，即預(yù)緊防風(fēng)拉桿。

新型同步防轉(zhuǎn)螺旋扣，在普通螺旋扣基礎(chǔ)上，增加防轉(zhuǎn)滑套和滑桿，將一端左旋螺桿和另一端右旋螺桿連成一體式，限制左旋螺桿和右旋螺桿周向相對轉(zhuǎn)動。實現(xiàn)固定一端螺桿相當(dāng)于同時固定另一端螺桿的轉(zhuǎn)動；同理旋轉(zhuǎn)一端，則另一端同步轉(zhuǎn)動。這樣只固定一端，旋轉(zhuǎn)螺旋套，左旋螺桿和右旋螺桿與螺旋套同時旋進(jìn)或同時旋出，實現(xiàn)軸向縮短拉緊和伸長松開的作用，如圖2所示。重型防風(fēng)拉桿的尺寸也較大。

使用同步防轉(zhuǎn)螺旋扣時，上端與其它零部件固定不轉(zhuǎn)，即其中左旋螺桿端部固定，操作人員旋轉(zhuǎn)螺旋套的鎖緊把手，此左旋螺桿旋出螺旋套，左旋螺桿與右旋螺桿之間用防轉(zhuǎn)內(nèi)六角滑套和防轉(zhuǎn)外六角滑桿相互連接防轉(zhuǎn)，左旋螺桿與右旋螺桿之間無相對轉(zhuǎn)動，防轉(zhuǎn)滑套和防轉(zhuǎn)滑桿之間可相互軸向滑動，固定左旋螺桿相當(dāng)于同時固定兩個螺桿；同時旋擰出右旋螺桿，螺旋扣伸出伸長，下端與地面基礎(chǔ)樁耳板銷軸連接。

1—左旋螺桿 2—螺旋套 3—右旋螺桿 4—防轉(zhuǎn)滑套 5—防轉(zhuǎn)滑桿 6—鎖緊把手 7—銷軸圖2 新型同步防轉(zhuǎn)螺旋扣Figure 2 A new type synchronous anti-rotating turnbuckle

同步螺旋扣的兩螺桿時同步伸出或同步收進(jìn)，有效地避免了兩端螺紋旋出量不一樣而導(dǎo)致一端伸長多一端伸長少，甚至一端脫開致使螺旋扣失效的情況。同步螺旋扣的兩螺桿無相對轉(zhuǎn)動，這樣避免與地面基礎(chǔ)樁耳板對孔時再次調(diào)整角度。

為了減輕操作勞動強(qiáng)度，螺旋扣的螺紋幅充分潤滑，減少旋轉(zhuǎn)摩擦阻力，但這樣也會改變自鎖角，工作可能出現(xiàn)螺紋松動失效。螺旋套上設(shè)置鎖緊把手，在旋進(jìn)或旋出螺旋套時，鎖緊把手可作為旋轉(zhuǎn)螺旋套的操作把手，螺旋套旋轉(zhuǎn)到位時，鎖緊把手下放到鎖緊位置，這樣其中一個螺桿和螺旋套之間就不能產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，同樣通過防轉(zhuǎn)滑套和防轉(zhuǎn)滑桿連接，兩個螺栓和螺母之間均鎖定，不能產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，這樣可同時防止螺桿與螺旋套之間松動。如圖3所示，(a)為正常旋轉(zhuǎn)操作狀態(tài)，(b)和(c)為鎖定防轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2 設(shè)計分析

在同步防轉(zhuǎn)螺旋扣作為重型防風(fēng)拉桿在使用過程中，拉力載荷具有一定隨機(jī)性，按照規(guī)范要求，設(shè)計以計算最大載荷滿足使用要求即可。起重運(yùn)輸機(jī)在非工作風(fēng)速狀態(tài)下，比較容易達(dá)到防風(fēng)拉桿的最大載荷，此次螺旋扣拉力按照受拉力100 t(1000 kN)進(jìn)行設(shè)計。為了其工作性能情況，設(shè)計中用仿真計算軟件ABAQUS對同步防轉(zhuǎn)螺旋扣進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力模擬分析。

按照防轉(zhuǎn)螺旋扣的設(shè)計載荷對螺桿和螺旋套這兩個主要受力部件進(jìn)行有限元分析，根據(jù)實際工作狀態(tài)及邊界條件施加載荷和約束。螺桿在銷軸孔內(nèi)施加軸承載荷1000 kN，固定最端部的約3圈螺紋。螺旋套一端最端部3圈螺紋施加載荷1000 kN，固定另一端最端部的3圈螺紋。仿真應(yīng)力分布如圖4所示。

圖3 螺旋扣鎖定防松Figure 3 Locking turnbuckle

圖4 螺旋套應(yīng)力分布圖Figure 4 Stress distribution of screw sleeve

為更好模擬實際工作載荷應(yīng)力，對同步防轉(zhuǎn)螺旋扣作為裝配體受載荷作靜態(tài)應(yīng)力分析。根據(jù)實際工作狀態(tài)及邊界條件施加載荷和約束，在兩端螺桿銷軸孔內(nèi)各施加軸承載荷1000 kN，螺旋套一端徑向局部約束。螺桿和螺旋套裝配體仿真應(yīng)力分布如圖5所示。

同步防轉(zhuǎn)螺旋扣作為重型防風(fēng)拉桿，左旋螺桿與右旋螺桿之間用內(nèi)六角防轉(zhuǎn)滑套和外六角防轉(zhuǎn)滑桿相互連接防轉(zhuǎn)，左旋螺桿與右旋螺桿之間無相對轉(zhuǎn)動，要求防轉(zhuǎn)滑套和防轉(zhuǎn)滑桿之間不可有大的變形，否則左旋螺桿與右旋螺桿之間會出現(xiàn)一定的滯后效應(yīng)，給工作人員手動操作帶來一定困難，因此對同步防轉(zhuǎn)螺旋扣的防轉(zhuǎn)滑套和滑桿裝配體也應(yīng)進(jìn)行整體應(yīng)力應(yīng)變分析。

防轉(zhuǎn)滑套和滑桿之間防轉(zhuǎn)，而軸向可滑動。防轉(zhuǎn)滑套和防轉(zhuǎn)滑桿裝配體整體分析，計算螺旋扣的旋轉(zhuǎn)扭矩?；缀突瑮U裝配體仿真應(yīng)力分布如圖6所示。

圖5 螺旋扣整體應(yīng)力分布圖Figure 5 Integral stress distribution of turnbuckle

圖6 防轉(zhuǎn)滑套滑桿整體應(yīng)力和變形分布圖Figure 6 Integral stress and deformation distribution of anti-rotating thimble and slide bar

同步防轉(zhuǎn)螺旋扣的螺桿和螺旋套材料為45鋼，采用III載荷組合，45鋼許用應(yīng)力[σ]鋼=3451.22=282 MPa。防轉(zhuǎn)螺旋扣的防轉(zhuǎn)滑套和滑桿材料分別為銅和45鋼，銅許用應(yīng)力[σ]銅=1801.8=100 MPa。根據(jù)以上計算情況，最大載荷工況下的計算結(jié)果見表1。

表1 靜強(qiáng)度計算結(jié)果Table 1 Calculated results of static strength

由表1看出，最大載荷工況下，同步防轉(zhuǎn)螺旋扣的零部件計算應(yīng)力滿足設(shè)計要求?；瑮U最大扭轉(zhuǎn)變形0.01 mm，滑桿變形微小，滑套和滑桿不會出現(xiàn)卡死情況，不會引起同步防轉(zhuǎn)螺旋扣操作困難。

3 研究設(shè)計成果

這種新型重型同步防轉(zhuǎn)螺旋扣裝置只需固定上端即可操作，左右螺紋同時伸長或縮短，操作安全可靠。

按照設(shè)計模型和施工圖制造的同步防轉(zhuǎn)螺旋扣裝置，再與附屬連接件組成的防風(fēng)拉桿，與傳統(tǒng)的螺旋扣形式相比外觀差別不大，但利用中間防轉(zhuǎn)滑套滑桿實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)同步，旋轉(zhuǎn)把手兩端同步直接下伸到地面位置，與地面基礎(chǔ)連接，再反向旋轉(zhuǎn)縮回收緊，整個過程螺旋扣的兩螺桿軸孔角度不變，操作簡單方便?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，新型防風(fēng)拉桿利用重型同步防轉(zhuǎn)螺旋扣裝置原理，使用功能達(dá)到預(yù)訂目標(biāo)，使用性能滿足使用要求，驗證確定了其可行性，并且操作簡便靈活。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計的新型重型同步防轉(zhuǎn)螺旋扣裝置，只需固定一端同步即可操作兩端，同時伸長和縮短，簡化操作，適用性廣。

(2)設(shè)計過程中，用計算軟件對同步防轉(zhuǎn)螺旋扣仿真，避免后續(xù)修改，使用安全可靠。

(3)提高模型的通用性，設(shè)計好的模型直接用于有限元計算仿真，避免設(shè)計和計算重復(fù)建模，提高設(shè)計效率。

(4)同步防轉(zhuǎn)螺旋扣裝置只需在初次使用時注意調(diào)整好左右螺桿的方向，即可避免日后使用出現(xiàn)誤差。

(5)同步防轉(zhuǎn)螺旋扣裝置設(shè)計目標(biāo)是通過兩端連接件作為起重運(yùn)輸機(jī)械的防風(fēng)拉桿，也可在兩端連接其它零部件實現(xiàn)類似的伸長和縮短操作，提供推拉作用力。