一種預應力坎合連接方法
2023-12-11 13:26:27
專利名稱：一種預應力坎合連接方法
技術領域：
本發明涉及具有預應力結構的機械零件的特殊連接方法，屬於重型裝備、重型機器的結構設計、加工和製造技術領域。
背景技術：
我國是世界製造大國，但還不是製造強國，制約我國發展成為製造強國的原因之一就在於許多涉及重大國計民生和國防安全的重大裝備仍依賴進口，特別是重型裝備的核心關鍵零部件，國產化率很低。
重型裝備中的關鍵件其製造難度主要在於尺寸過大，重量過重，即所謂的超重和超限問題所引起。有的重型金屬件，重量可達數百噸，體積可達數十立方米的金屬件，其加工製造的難度也就決定了重型機器裝備製造的可行性和困難程度。如大型水輪機的轉輪和葉片，重型軋鋼機和液壓機的機架，重型高壓反應容器，核壓力殼以及超超臨界火電重型管件等。許多項目實施的經驗證明，我國經濟增長速度和國防建設的鞏固無不與這些重型機器金屬零件的高效率製造技術的發展水平有關。
為了完成重型裝備中的重型件的製造、加工，目前工程上普遍採用三種技術策略來解決製造的困難。
採用大型冶煉、鑄造和鍛造設備以及提高吊裝和運輸能力，完成重型零件整體製造。如本世紀我國第二重機廠為上海寶鋼製造的重型軋機牌坊，淨重450t，鑄件550t，需鋼水700t。由於缺少經驗，鑄造後因為嚴重的質量問題半年出不了廠，嚴重影響重型厚板軋機製造。採用超大型加工設備，整體製造重型零件，投資巨大，周期長。
將重型件剖分成較小件，焊接而形成大件。如1958年我國開始製造的第一臺1.2萬噸水壓機，當時由於沒有重型軋制和鍛造設備，其4根直徑約1m，長約20米的立柱是由較短的圓柱體鍛件電渣焊而成。質量控制要求非常嚴格，焊縫及熱影響區問題較多，消除應力的處理工序複雜，導致成本高、周期長。
將重型件剖分成較小件機械連接而成大件。機械連接處引發應力集中，降低了許用應力。在機械連接中，用得最普遍的是平面機械連接，形式多種多樣(如圖1a、b、c、d、e所示)。用以上三種方法解決大件的加工，存在的問題是很明顯的，如繼續提高冶、鑄、鍛的能力受投資、時間的諸多因素限制；大型(大斷面)件的焊接技術上限制很多，機械連接的可靠性，疲勞壽命的問題也很多。
機械連接沿用數百年，它連接的原理是將兩要素分開，抗分離由螺栓來保證，承剪由抗剪件(鍵，凸臺，銷，十字鍵)來保證(精配螺栓既產生正壓力，又有銷釘的抗剪能力，一般僅在非重型的輕型連接上應用)。但實際上，只要設法增大摩擦級數，正壓力在連接面上就能產生兩個力學效果防止分開，同時防止錯動(依靠摩擦力)。所以通過足夠大的正壓力及摩擦係數就能將兩個要素自然的統一在一起。
發明內容
本發明的目的是提供一種預應力坎合連接方法，旨為解決重型裝備中重型件的難於整體加工、運輸和吊裝的問題。這是一種特殊的連接方法，在預應力重型結構預應力場的作用下，通過連接界面的正壓力和摩擦力的聯合作用，達到連接界面的牢固連接。
本發明的技術方案如下一種預應力坎合連接的方法，其特徵在於該方法按如下步驟進行a、坎合面的確定在確定整體機械結構和零件結構的條件下，首先根據其受力情況對未剖分的整體結構進行應力應變分析；在需要剖分的零件上選擇預緊狀態時那些以壓應力為主、數值較大且在工作載荷時壓應力波動小的剖面作為坎合面，在坎合面上將零件剖分為若干個尺寸和重量小於該零件且易於加工、運輸和吊裝的子件；b、預緊載荷的確定先預設坎合面的摩擦係數，再調整施加到子件連接體上的預緊載荷值，通過數字分析方法計算坎合面上的σ和τ，判斷其是否滿足無分離無錯位判據μ∫σdσdf＞∫τdτdf和σ＞0(I)其中f為坎合面面積μ為坎合面摩擦係數σ為正應力τ為剪應力當無分離錯移判據滿足時，則該值的大小及分布為確定的預緊載荷，否則需重新調整預緊載荷值進行計算，直到滿足無分離無錯位判據，形成牢固的無分離錯移連接；所述的子件連接體為多個被剖分的子件經坎合面而互相連接在一起的整體結構；c、坎合面處理對坎合面進行粘著化處理、粗糙化處理或進行粘著化和粗糙化的複合處理，使坎合面的摩擦係數達到步驟b中所預設的值；d、預緊連接用b中確定的預緊載荷將c步驟中經過表面處理的子件進行預緊，形成一個整體的機器零件。
本發明所述預緊方式可採用預應力鋼絲纏繞層纏繞、預緊螺栓預緊或過盈裝配的方法。
本發明所述的粘著化處理是在坎合面夾加粘著性好的金屬板或非金屬板，其厚度0.1～10mm，並對金屬板或非金屬板進行旨在提高粘著特性的表面毛化處理；或在坎合面上進行等離子噴塗、熱噴塗、電弧噴塗或電鍍粘著特性好的金屬層，其厚度為0.1～1mm。
本發明中所述的粗糙化處理包括1)、噴丸、噴砂；2)雷射毛化法，用雷射對坎合表面進行燒蝕氣化，形成深度為0.01～0.5mm，直徑為0.05-0.2mm的毛化點；3)切削法，用刀具在坎合表面刻劃出深度為0.1-0.5mm，寬度為0.1-0.5mm的花紋；4)輥花法，用輥刀在坎合表面輥壓出出深度為0.1-0.5mm，寬度為0.1-0.5mm的花紋；5)用磨具打磨坎合表面。
本發明與現有技術相比，具有如下優點及突出性效果①將重型件剖分為若干個尺寸和重量遠小於原結構且易於加工、運輸和吊裝的子件(優化設計過程)，分別加工製造子件；②子件的連接不採取焊接等冶金連接，也不採取傳統的機械連接，而是運用在合適預應力下產生的足夠大的摩擦力來進行連接，可保證子件間具有良好的抗分離和抗錯移特性；③完全消除連接界面的應力集中區，可大大提高結構的強度和可靠性；④無需焊接，無焊縫熱影響區，無需消除應力的熱處理工序；⑤該方法工序和操作簡單，加工成本低，採用這種連接可以將子件可靠地拼合成大型的重型件，解決關鍵件製造的超重超限難題。它作為一種新型預應力結構的連接工藝方法，可在重型機器關鍵製造方面發揮重要作用。
圖1(a、b、c、d、e)為傳統機械連接方式示意圖。
圖2a為半圓梁受力分析圖，圖2b為半圓梁剖分示意圖。
圖3a為高壓反應器剖分示意圖。
圖3b為高壓反應器鋼絲層預緊的情況。
圖4a為坎合面連接示意圖。
圖4b為圖4a中坎合面連接的局部放大結構示意圖。
圖5a為3.5萬噸液壓機半圓梁機架(無坎合設計)示意圖。
圖5b為3.5萬噸液壓機坎合連接的半圓梁設計(拱形梁結構)示意圖。
圖6為200噸坎合連接的實驗機示意圖。
具體實施例方式
預應力坎合連接機理本發明提出一種新的連接方式——預應力坎合連接，坎合連接是一種適於預應力結構中大斷面，特大斷面的無組織變化、無拉應力集中、無熱影響區、無缺陷和無變形，適於任何材料的連接方式，尤其適於大型的重型件。對於預應力坎合連接，其連接要素為坎合面不被分離，即要求足夠的垂直於坎合面的正壓力作用在坎合面上；坎合面不發生相互錯動或錯移，要求坎合面具有足夠的抗剪切力的能力。
坎合連接的本質是坎合面雙方，在微觀尺度的範圍內，由於表面的特性和形態的凹、凸不平互相坎合而形成的阻力——靜摩擦力，保證接觸表面在各種載荷下均不會發生錯功，牢固地連接在一起。從工程實踐的角度分析，影響摩擦力的因素最後可歸納為兩方面材料接觸表面粗糙度對摩擦係數的影響，表面粗糙度越大摩擦係數越大，從而摩擦力越大；材料接觸表面的黏著特性也影響摩擦係數。連接界面如果發生較大的粘著效應，就可在接觸面上產生很大的摩擦力。
組裝面與坎合面的區別機器零件組裝成部件進而裝配成機器，這種組裝與裝配的界面並不是本發明所指的坎合面。坎合面是指為減小和降低重型、重大零件的加工、製造和運輸難度，而特別對原為整體的結構剖分為子件所設計的剖分界面。通過施加特別的預緊載荷及實施特殊的表面處理，在子件相互連接的界面上引起和形成達到設計要求的正壓力和摩擦力，從而保證子件相互間良好的抗分離和抗錯移性，達到相互連接，最終獲得完整的整體的重型結構件。
下面結合附圖對本發明的具體實施作進一步的說明坎合面的確定在確定整體機械結構和零件結構的條件下，首先根據其受力情況，通過數字方法和彈性力學方法對未剖分的整體結構進行應力應變分析；在需要剖分的零件上選擇預緊狀態時那些以壓應力為主、數值較大且在工作載荷時壓應力波動小的剖面作為坎合面，在坎合面上將零件剖分為若干個尺寸和重量小於該零件且易於加工、運輸和吊裝的子件；圖2a為半圓梁受力分析圖，圖2b為半圓梁剖分示意圖。如一個重型梁，其重量可達240t左右，圖2-a所示。其圓周面承受法向載荷q，底面承受垂直載荷p。結構分析表明，沿圓周一定範圍內(圖2-a中，打斜線的區域)沿著其切線方向存在很大的壓應力；底面中央附近，高度達梁高的1/3(圖2-a中打點的區域)範圍內，存在拉應力。如將梁剖分為半圓形墊塊和拱型結構兩部分(圖2-b)，此種剖分幾乎完全消除了半圓形墊塊上的拉應力，拱型結構上的受力更趨合理。如進一步將拱型結構剖分為三個相等的子件，即形成A1，A2，A3和半圓形墊塊A4，即四個子件和兩個坎合平面(k1，k2)，一個坎合曲面(A4與A1，A2，A3之間的接觸面)。每一個結構重量均在60-75噸左右，大大減小了冷、熱加工的難度。
又如一個非圓形(具有垂直於水平對稱軸)高壓反應器，如圖3-a所示，用k1，k2…k8七個坎合面將其剖分為A1，A2…A8共8個子件。採用外法線載荷q將其預緊(壓縮)而形成一個整體。q為非均布，在曲率很大處q值大，曲率小處q值小。採用帶有一定張力的鋼絲進行纏繞形成鋼絲層1可以產生所要求的q值，對簡單的坎合結構當然亦可採用預緊螺栓或壓配、熱裝來形成q值。圖3-b為鋼絲層預緊的情況。
預緊載荷的確定與預應力技術結合起來，可保證坎合界面上所要求的正壓力，如圖4所示，坎合界面或子件界面是指粘著層與子件2的接觸表面和子件2的接觸表表面。預緊載荷q作用在坎合連接雙方——子件2和子件3上，預緊載荷在子件中形成的應力場稱為預應力場。預應力場在連接界面上的應力為正應力σ和剪力τ，這些應力也作用在黏著層上。當連接體承受工作載荷後將發生變化，τ與σ都會發生變化，但如果始終存在μ∫σdσdf＞∫τdτdf和σ＞0(I)無分離無錯位判據其中f為坎合面面積μ為坎合面摩擦係數σ為正應力τ為剪應力則可保證坎合連接的可靠性和牢固性。(I)式為無分離無錯移判據，坎合界面的材料性質、表面性質和預應力場決定了坎合連接的牢固程度。
預緊載荷是保證坎合結構的結構完整性，並使結構能夠承受工作載荷的載荷。圖2和圖3中的q值即為預緊載荷，它的正確確定，成為坎合設計的重要步驟之一。q值一般通過數字分析方法確定先預設坎合面的摩擦係數，再調整施加到子件連接體(多個子件經坎合面而互相連接在一起的結構——子件連接體，當對它施加合適的預緊載荷後就形成重型結構件或稱重型件或重型機器零件)上的預緊載荷q值，通過數字分析方法計算坎合面上的σ和τ，判斷其是否滿足無分離無錯位判據，當無分離錯移判據滿足時，則該q值的大小及分布為確定的預緊載荷，否則需重新調整預緊載荷值進行計算，直到滿足無分離無錯位判據，形成牢固的無分離錯移連接；坎合面處理坎合面處理的目標是使坎合面上的摩擦係數達到甚至超過上一步驟中所預設的摩擦係數值。根據所需摩擦係數之值確定坎合面的表面處理要求。表面處理最基本的方法，也是本發明的重點之一為坎合表面的粘著化處理。從工程應用的角度，增加坎合面(特別是面積很大的坎合面)上摩擦係數的實用化方法是進行粘著化處理——夾加一層粘性大，強度高的材料，如鈦合金板，形成粘著層(如圖4中k層所示)，糙化處理或進行粘著化和粗糙化的複合處理。增加摩擦係數的具體技術措施鏈如下(一)增加坎合面的粘著特性(i)、在坎合面夾加鈦或鈦合金板，厚度0.1～10mm(ii)在坎合面夾加鋁或鋁合金板，厚度0.1～10mm(iii)在坎合面夾加其它粘著性比較好的金屬板和非金屬板(iv)在上述各種夾加的金屬板和非金屬板表面進行旨在增加粗糙度的各種機械的，化學的，電化學的，或各種綜合性的處理；(v)在坎合面上進行等離子噴塗，熱噴塗，電弧噴塗等或電鍍粘著特性好的金屬層，
(如鈦，鋁，鎂等合金)其厚度為0.1～1mm(vi)、在坎合面黏著層和坎合面上噴塗非金屬粘結劑(二)增加坎合面的粗糙度(i)、噴丸，噴砂(鋼丸為Φ1mm×2mm的柱體或Φ0.5～Φ1mm的砂粒)。
(ii)、雷射毛化法，用雷射對坎合表面進行燒蝕氣化，形成毛化點(0.01～0.5mm深，Φ0.05～0.2mm)，以增加摩擦係數(iii)、切削法，用刀具在連接表面刻劃出增加摩擦係數的花紋(0.1～0.5mm深，0.1～0.5mm寬)(iv)、輥花法，用輥刀在連接表面輥壓出花紋(尺寸同切削法)(v)、用磨具打磨坎合表面(三)、複合措施進行粘著化和粗糙化的複合處理。
實施例13.5萬噸模鍛液壓機機架的設計該壓機為世界上壓制力最大的單缸超高壓壓機。單個工作缸，產生350MN的壓制力，適於各種高溫合金、鈦合金等渦輪盤以及各類盤形零件和模鍛。該機採用預應力纏繞結構，在沒有採用坎合方法的常規設計中，機架的上、下半圓梁各重240t(如圖5-a所示)；運用坎合原理和方法後，按數字和力學分析結果可得出圖5b中所示的3個適合剖分的坎合面，由坎合面可將半圓梁分成四塊，用預緊鋼絲層5預緊而形成一個整體。其中K1，K2，K3，K4為平面坎合面(如圖5-b所示)，A1和A2為圓柱形坎合面，每一半圓梁被分為4塊，每塊重為60噸。這樣降低了在冶煉、鑄造、鍛造上的難度，使重型件可製造性大大提高。
實施例2200t坎合機架實驗為驗證預應力坎合原理及技術實現的可行性，設計了承載能力為200t的預應力鋼絲纏繞坎合實驗機架。
實驗機架如圖6所示將拱型梁剖分成三個坎合子件。上下梁總計有4個坎合面，即A1，A2，A3，A4，6個坎合結構。立柱為中空結構、拱型梁截面為實心矩形(尺寸見圖6)。加載器為Φ190mm的油缸，工作內壓為120MPa，故最大加載噸位為P=12004192=340t]]>內壓為70MPa時，產生198t加載力，90MPa時為255t。加載油缸外徑略小於Φ280mm，正好可置入機架內。調整墊塊的位置(左右或前後偏移、實現中心加載和偏心加載)。
實驗分為預緊實驗和工作載荷實驗，預緊實驗為用鋼絲纏繞在機架外輪廓上，鋼絲層的張力將梁、柱箍緊形成整體機架，此時為預緊狀態，考察A坎合面的錯移情況。加載器通過墊板加中心和偏心工作載荷，再考察A坎合面錯移情況。
實驗結果第一次實驗將坎合面雙方車成同心圓圖案，其深度與寬度均為0.5mm，在不加任何黏著層的情況下進行坎合連接。預緊力為215.7噸，預緊後所有坎合面均無錯移或分離。然後加中心載荷，當加載器內壓升至70MPa(198t)時，在A1坎合面(圖5)，表面油漆形成的固態漆面上，產生沿坎合面的貫通裂紋。其它A2、A3、A4三坎合面上裂紋不明顯，，共加載3次。當中心載荷增加到90MPa(255t)和120MPa(340t)後，A類漆面裂紋同前，B1、B2、B3和B4的漆面也產生貫通裂紋。偏心載荷由偏移加載墊板20mm實現。偏心載荷直接加到340t，裂紋發展情況同中心載荷。
第二次實驗將兩坎合面車成同心圓圖案，其深度與寬度均為0.5mm，再墊加0.5mm的鈦板(牌號為PA2)。預緊力為183.2t，略小於第一次實驗的預緊力，預緊載荷下所有坎合面均無錯移或分離。加中心載荷和偏心載荷，其加載條件同第一次實驗。加載90MPa(相當於225t)和120MPa(相當於340t)，A1、A2、A3和A4表面漆面完好，無任何漆裂。在坎合面上刻有劃痕，但未見劃痕錯移，但B1、B2、B3和B4的漆面產生了貫通裂紋。
實驗結論1)在預緊狀態下，A1、A2、A3和A4坎合面均坎合連接完整，無任何錯移。在第一次預緊纏繞時，僅有增加摩擦的同心圓圖案而無鈦板，第二次預緊纏繞時，在已有的界面上又夾加具有良好黏著特性的鈦板。有無鈦板，對纏繞預緊影響很小，本次實驗看不出差別。
2)第一次預緊後的工作載荷，實驗表明，當載荷為198t時(加載器內壓為70MPa)，A1坎合面漆面產生貫通裂紋，說明坎合面上有錯移或局部分離或壓應力較大變化。繼續加載後裂紋仍清晰可見。而第二次加載實驗，同樣加載條件，且預緊力比第一次還小，載荷加至340t時仍未見A類坎合面發生漆面裂紋。此對比實驗充分說明鈦板對提高坎合連接可靠性的重要意義。
3)預應力鋼絲纏繞產生的預緊力可以保證坎合面(墊有鈦板，刻有同心圓圖案)可靠地坎合連接所需的預壓應力。
4)第一次和第二次工作載荷實驗表明，當工作載荷達到255t和340t，遠遠超過實驗機架的預緊力(198t和183.2t)時，B類界面由於壓應力的喪失而分離是正常的。
權利要求
1.一種預應力坎合連接的方法，其特徵在於該方法按如下步驟進行a、坎合面的確定在確定整體機械結構和零件結構的條件下，首先根據其受力情況對未剖分的整體結構進行應力應變分析；在需要剖分的零件上選擇預緊狀態時那些以壓應力為主、數值較大且在工作載荷時壓應力波動小的剖面作為坎合面，在坎合面上將零件剖分為若干個尺寸和重量小於該零件且易於加工、運輸和吊裝的子件；b、預緊載荷的確定先預設坎合面的摩擦係數，再調整施加到子件連接體上的預緊載荷值，通過數字分析方法計算坎合面上的σ和τ，判斷其是否滿足無分離無錯位判據μ∫σdσdf＞∫τdτdf和σ＞0(I)其中f為坎合面面積μ為坎合面摩擦係數σ為正應力τ為剪應力當無分離錯移判據滿足時，則該值的大小及分布為確定的預緊載荷，否則需重新調整預緊載荷值進行計算，直到滿足無分離無錯位判據，形成牢固的無分離錯移連接；所述的子件連接體為多個被剖分的子件經坎合面而互相連接在一起的整體結構；c、坎合面處理對坎合面進行粘著化處理、粗糙化處理或進行粘著化和粗糙化的複合處理，使坎合面的摩擦係數達到甚至超過步驟b中所預設的值；d、預緊連接用b中確定的預緊載荷將c步驟中經過表面處理的子件進行預緊，形成一個整體的機器零件。
2.按照權利要求1所述的預應力坎合連接的方法，其特徵在於步驟d中所述的預緊採用預應力鋼絲纏繞層纏繞、預緊螺栓預緊或過盈裝配的方法。
3.按照權利要求1所述的預應力坎合連接的方法，其特徵在於步驟c中所述的粘著化處理是在坎合面夾加粘著性好的金屬板或非金屬板，其厚度0.1～10mm，並對金屬板或非金屬板進行旨在提高粘著特性的表面毛化處理；或在坎合面上進行等離子噴塗、熱噴塗、電弧噴塗或電鍍粘著特性好的金屬層，其厚度為0.1～1mm。
4.按照權利要求3所述的預應力坎合連接的方法，其特徵在於所述的金屬板或金屬層採用鈦、鈦合金、鋁或鋁合金材料。
5.按照權利要求1所述的預應力坎合連接的方法，其特徵在於步驟c中所述的粗糙化處理包括1)、噴丸、噴砂；2)雷射毛化法，用雷射對坎合表面進行燒蝕氣化，形成深度為0.01～0.5mm，直徑為0.05-0.2mm的毛化點；3)切削法，用刀具在坎合表面刻劃出深度為0.1-0.5mm，寬度為0.1-0.5mm的花紋；4)輥花法，用輥刀在坎合表面輥壓出深度為0.1-0.5mm，寬度為0.1-0.5mm的花紋；5)用磨具打磨坎合表面。
全文摘要
一種預應力坎合連接的方法，該方法是在預應力場的作用下，在連接界面上形成正壓力和摩擦力，保證連接界面在外載荷的作用下不發生分離或錯移，而形成牢固的連接。本發明所述的預應力坎合連接方法，其特徵是將整體零件剖分為尺寸和重量小於原結構、且易於加工、運輸和吊裝的子件；加工製造子件，對其連接界面進行處理，並對子件連接體施加預緊載荷，形成預應力場。該方法操作簡單，成本低；無需焊接，無焊縫熱影響區，可完全消除連接界面的應力集中區，大大提高結構的強度和可靠性。採用這種連接可以將子件可靠地拼合成大型的重型件，解決關鍵件製造的超重超限難題。它作為一種新型預應力結構的連接工藝方法，可在重型機器關鍵製造方面發揮重要作用。
文檔編號F16B11/00GK1769723SQ20051009858
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月6日 優先權日2005年9月6日
發明者顏永年, 林峰, 吳任東, 彭俊斌, 盧清萍, 張人佶, 袁達, 熊卓, 王小紅 申請人:清華大學