CN100371614C - 一种预应力坎合连接方法 - Google Patents

Abstract

一种预应力坎合连接的方法，该方法是在预应力场的作用下，在连接界面上形成正压力和摩擦力，保证连接界面在外载荷的作用下不发生分离或错移，而形成牢固的连接。本发明所述的预应力坎合连接方法，其特征是将整体零件剖分为尺寸和重量小于原结构、且易于加工、运输和吊装的子件；加工制造子件，对其连接界面进行处理，并对子件连接体施加预紧载荷，形成预应力场。该方法操作简单，成本低；无需焊接，无焊缝热影响区，可完全消除连接界面的应力集中区，大大提高结构的强度和可靠性。采用这种连接可以将子件可靠地拼合成大型的重型件，解决关键件制造的超重超限难题。它作为一种新型预应力结构的连接工艺方法，可在重型机器关键制造方面发挥重要作用。

Description

一种预应力坎合连接方法

技术领域

本发明涉及具有预应力结构的机械零件的特殊连接方法，属于重型装备、重型机器的结构设计、加工和制造技术领域。

背景技术

我国是世界制造大国，但还不是制造强国，制约我国发展成为制造强国的原因之一就在于许多涉及重大国计民生和国防安全的重大装备仍依赖进口，特别是重型装备的核心关键零部件，国产化率很低。

重型装备中的关键件其制造难度主要在于尺寸过大，重量过重，即所谓的超重和超限问题所引起。有的重型金属件，重量可达数百吨，体积可达数十立方米的金属件，其加工制造的难度也就决定了重型机器装备制造的可行性和困难程度。如大型水轮机的转轮和叶片，重型轧钢机和液压机的机架，重型高压反应容器，核压力壳以及超超临界火电重型管件等。许多项目实施的经验证明，我国经济增长速度和国防建设的巩固无不与这些重型机器金属零件的高效率制造技术的发展水平有关。

为了完成重型装备中的重型件的制造、加工，目前工程上普遍采用三种技术策略来解决制造的困难。

采用大型冶炼、铸造和锻造设备以及提高吊装和运输能力，完成重型零件整体制造。如本世纪我国第二重机厂为上海宝钢制造的重型轧机牌坊，净重450t，铸件550t，需钢水700t。由于缺少经验，铸造后因为严重的质量问题半年出不了厂，严重影响重型厚板轧机制造。采用超大型加工设备，整体制造重型零件，投资巨大，周期长。

将重型件剖分成较小件，焊接而形成大件。如1958年我国开始制造的第一台1.2万吨水压机，当时由于没有重型轧制和锻造设备，其4根直径约1m，长约20米的立柱是由较短的圆柱体锻件电渣焊而成。质量控制要求非常严格，焊缝及热影响区问题较多，消除应力的处理工序复杂，导致成本高、周期长。

将重型件剖分成较小件机械连接而成大件。机械连接处引发应力集中，降低了许用应力。在机械连接中，用得最普遍的是平面机械连接，形式多种多样(如图1a、b、c、d、e所示)。用以上三种方法解决大件的加工，存在的问题是很明显的，如：继续提高冶、铸、锻的能力受投资、时间的诸多因素限制；大型(大断面)件的焊接技术上限制很多，机械连接的可靠性，疲劳寿命的问题也很多。

机械连接沿用数百年，它连接的原理是将两要素分开，抗分离由螺栓来保证，承剪由抗剪件(键，凸台，销，十字键)来保证(精配螺栓既产生正压力，又有销钉的抗剪能力，一般仅在非重型的轻型连接上应用)。但实际上，只要设法增大摩擦级数，正压力在连接面上就能产生两个力学效果：防止分开，同时防止错动(依靠摩擦力)。所以通过足够大的正压力及摩擦系数就能将两个要素自然的统一在一起。

发明内容

本发明的目的是提供一种预应力坎合连接方法，旨为解决重型装备中重型件的难于整体加工、运输和吊装的问题。这是一种特殊的连接方法，在预应力重型结构预应力场的作用下，通过连接界面的正压力和摩擦力的联合作用，达到连接界面的牢固连接。

本发明的技术方案如下：

一种预应力坎合连接的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

a、坎合面的确定：

在确定整体机械结构和零件结构的条件下，首先根据其受力情况对未剖分的整体结构进行应力应变分析；在需要剖分的零件上选择预紧状态时那些以压应力为主、数值较大且在工作载荷时压应力波动小的剖面作为坎合面，在坎合面上将零件剖分为若干个尺寸和重量小于该零件且易于加工、运输和吊装的子件；

b、预紧载荷的确定：

先预设坎合面的摩擦系数，再调整施加到子件连接体上的预紧载荷值，通过数字分析方法计算坎合面上的σ和τ，判断其是否满足无分离无错位判据：

μ∫σdf＞∫σdf和σ＞0      (I)

其中：f为坎合面面积

μ为坎合面摩擦系数

σ为正应力

τ为剪应力

当无分离无错移判据满足时，则该值的大小及分布为确定的预紧载荷，否则需重新调整预紧载荷值进行计算，直到满足无分离无错位判据，形成牢固的无分离错移连接；所述的子件连接体为多个被剖分的子件经坎合面而互相连接在一起的整体结构；

c、坎合面处理：

对坎合面进行粘着化处理、粗糙化处理或进行粘着化和粗糙化的复合处理，使坎合面的摩擦系数达到步骤b中所预设的值；

d、预紧连接：用b中确定的预紧载荷将c步骤中经过表面处理的子件进行预紧，形成一个整体的机器零件。

本发明所述预紧方式可采用预应力钢丝缠绕层缠绕、预紧螺栓预紧或过盈装配的方法。

本发明所述的粘着化处理是在坎合面夹加粘着性好的金属板或非金属板，其厚度0.1～10mm，并对金属板或非金属板进行旨在提高粘着特性的表面毛化处理；或在坎合面上进行等离子喷涂、热喷涂、电弧喷涂或电镀粘着特性好的金属层，其厚度为0.1～1mm。

本发明中所述的粗糙化处理包括：

1)、喷丸、喷砂；

2)激光毛化法，用激光对坎合表面进行烧蚀气化，形成深度为0.01～0.5mm，直径为0.05-0.2mm的毛化点；

3)切削法，用刀具在坎合表面刻划出深度为0.1-0.5mm，宽度为0.1-0.5mm的花纹；

4)辊花法，用辊刀在坎合表面辊压出出深度为0.1-0.5mm，宽度为0.1-0.5mm的花纹；

5)用磨具打磨坎合表面。

本发明与现有技术相比，具有如下优点及突出性效果：①将重型件剖分为若干个尺寸和重量远小于原结构且易于加工、运输和吊装的子件(优化设计过程)，分别加工制造子件；②子件的连接不采取焊接等冶金连接，也不采取传统的机械连接，而是运用在合适预应力下产生的足够大的摩擦力来进行连接，可保证子件间具有良好的抗分离和抗错移特性；③完全消除连接界面的应力集中区，可大大提高结构的强度和可靠性；④无需焊接，无焊缝热影响区，无需消除应力的热处理工序；⑤该方法工序和操作简单，加工成本低，采用这种连接可以将子件可靠地拼合成大型的重型件，解决关键件制造的超重超限难题。它作为一种新型预应力结构的连接工艺方法，可在重型机器关键制造方面发挥重要作用。

附图说明

图1(a、b、c、d、e)为传统机械连接方式示意图。

图2a为半圆梁受力分析图，图2b为半圆梁剖分示意图。

图3a为高压反应器剖分示意图。

图3b为高压反应器钢丝层预紧的情况。

图4a为坎合面连接示意图。

图4b为图4a中坎合面连接的局部放大结构示意图。

图5a为3.5万吨液压机半圆梁机架(无坎合设计)示意图。

图5b为3.5万吨液压机坎合连接的半圆梁设计(拱形梁结构)示意图。

图6为200吨坎合连接的实验机示意图。

具体实施方式

预应力坎合连接机理：

本发明提出一种新的连接方式——预应力坎合连接，坎合连接是一种适于预应力结构中大断面，特大断面的无组织变化、无拉应力集中、无热影响区、无缺陷和无变形，适于任何材料的连接方式，尤其适于大型的重型件。对于预应力坎合连接，其连接要素为：坎合面不被分离，即要求足够的垂直于坎合面的正压力作用在坎合面上；坎合面不发生相互错动或错移，要求坎合面具有足够的抗剪切力的能力。

坎合连接的本质是坎合面双方，在微观尺度的范围内，由于表面的特性和形态的凹、凸不平互相坎合而形成的阻力——静摩擦力，保证接触表面在各种载荷下均不会发生错位，牢固地连接在一起。从工程实践的角度分析，影响摩擦力的因素最后可归纳为两方面：材料接触表面粗糙度对摩擦系数的影响，表面粗糙度越大摩擦系数越大，从而摩擦力越大；材料接触表面的黏着特性也影响摩擦系数。连接界面如果发生较大的粘着效应，就可在接触面上产生很大的摩擦力。

组装面与坎合面的区别

机器零件组装成部件进而装配成机器，这种组装与装配的界面并不是本发明所指的坎合面。坎合面是指：为减小和降低重型、重大零件的加工、制造和运输难度，而特别对原为整体的结构剖分为子件所设计的剖分界面。通过施加特别的预紧载荷及实施特殊的表面处理，在子件相互连接的界面上引起和形成达到设计要求的正压力和摩擦力，从而保证子件相互间良好的抗分离和抗错移性，达到相互连接，最终获得完整的整体的重型结构件。

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的说明：

坎合面的确定

在确定整体机械结构和零件结构的条件下，首先根据其受力情况，通过数字方法和弹性力学方法对未剖分的整体结构进行应力应变分析；在需要剖分的零件上选择预紧状态时那些以压应力为主、数值较大且在工作载荷时压应力波动小的剖面作为坎合面，在坎合面上将零件剖分为若干个尺寸和重量小于该零件且易于加工、运输和吊装的子件；

图2a为半圆梁受力分析图，图2b为半圆梁剖分示意图。如一个重型梁，其重量可达240t左右，图2-a所示。其圆周面承受法向载荷q，底面承受垂直载荷p。结构分析表明，沿圆周一定范围内(图2-a中，打斜线的区域)沿着其切线方向存在很大的压应力；底面中央附近，高度达梁高的1/3(图2-a中打点的区域)范围内，存在拉应力。如将梁剖分为半圆形垫块和拱型结构两部分(图2-b)，此种剖分几乎完全消除了半圆形垫块上的拉应力，拱型结构上的受力更趋合理。如进一步将拱型结构剖分为三个相等的子件，即形成A1，A2，A3和半圆形垫块A4，即四个子件和两个坎合平面(k1，k2)，一个坎合曲面(A4与A1，A2，A3之间的接触面)。每一个结构重量均在60-75吨左右，大大减小了冷、热加工的难度。

又如一个非圆形(具有垂直于水平对称轴)高压反应器，如图3-a所示，用k1，k2…k8七个坎合面将其剖分为A1，A2…A8共8个子件。采用外法线载荷q将其预紧(压缩)而形成一个整体。q为非均布，在曲率很大处q值大，曲率小处q值小。采用带有一定张力的钢丝进行缠绕形成钢丝层1可以产生所要求的q值，对简单的坎合结构当然亦可采用预紧螺栓或压配、热装来形成q值。图3-b为钢丝层预紧的情况。

预紧载荷的确定

与预应力技术结合起来，可保证坎合界面上所要求的正压力，如图4所示，坎合界面或子件界面是指粘着层与子件2的接触表面和子件3的接触表面。预紧载荷q作用在坎合连接双方——子件2和子件3上，预紧载荷在子件中形成的应力场称为预应力场。预应力场在连接界面上的应力为正应力σ和剪力τ，这些应力也作用在黏着层上。当连接体承受工作载荷后将发生变化，τ与σ都会发生变化，但如果始终存在

μ∫σdσdf＞∫τdτdf和σ＞0       (I)无分离无错位判据

其中：f为坎合面面积

μ为坎合面摩擦系数

σ为正应力

τ为剪应力

则可保证坎合连接的可靠性和牢固性。(I)式为无分离无错移判据，坎合界面的材料性质、表面性质和预应力场决定了坎合连接的牢固程度。

预紧载荷是保证坎合结构的结构完整性，并使结构能够承受工作载荷的载荷。图2和图3中的q值即为预紧载荷，它的正确确定，成为坎合设计的重要步骤之一。q值一般通过数字分析方法确定：先预设坎合面的摩擦系数，再调整施加到子件连接体(多个子件经坎合面而互相连接在一起的结构——子件连接体，当对它施加合适的预紧载荷后就形成重型结构件或称重型件或重型机器零件)上的预紧载荷q值，通过数字分析方法计算坎合面上的σ和τ，判断其是否满足无分离无错位判据，当无分离错移判据满足时，则该q值的大小及分布为确定的预紧载荷，否则需重新调整预紧载荷值进行计算，直到满足无分离无错位判据，形成牢固的无分离错移连接；

坎合面处理

坎合面处理的目标是使坎合面上的摩擦系数达到甚至超过上一步骤中所预设的摩擦系数值。根据所需摩擦系数之值确定坎合面的表面处理要求。表面处理最基本的方法，也是本发明的重点之一为坎合表面的粘着化处理。从工程应用的角度，增加坎合面(特别是面积很大的坎合面)上摩擦系数的实用化方法是进行粘着化处理——夹加一层粘性大，强度高的材料，如钛合金板，形成粘着层(如图4中k层所示)，糙化处理或进行粘着化和粗糙化的复合处理。增加摩擦系数的具体技术措施链如下：

(一)增加坎合面的粘着特性：

(i)、在坎合面夹加钛或钛合金板，厚度0.1～10mm

(ii)在坎合面夹加铝或铝合金板，厚度0.1～10mm

(iii)在坎合面夹加其它粘着性比较好的金属板和非金属板

(iv)在上述各种夹加的金属板和非金属板表面进行旨在增加粗糙度的各种机械的，化学的，电化学的，或各种综合性的处理；

(v)在坎合面上进行等离子喷涂，热喷涂，电弧喷涂等或电镀粘着特性好的金属层，(如钛，铝，镁等合金)其厚度为0.1～1mm

(vi)、在坎合面黏着层和坎合面上喷涂非金属粘结剂

(二)增加坎合面的粗糙度

(i)、喷丸，喷砂(钢丸为Φ1mm×2mm的柱体或Φ0.5～Φ1mm的砂粒)。

(ii)、激光毛化法，用激光对坎合表面进行烧蚀气化，形成毛化点(0.01～0.5mm深，Φ0.05～0.2mm)，以增加摩擦系数

(iii)、切削法，用刀具在连接表面刻划出增加摩擦系数的花纹(0.1～0.5mm深，0.1～0.5mm宽)

(iv)、辊花法，用辊刀在连接表面辊压出花纹(尺寸同切削法)

(v)、用磨具打磨坎合表面

(三)、复合措施

进行粘着化和粗糙化的复合处理。

实施例1：3.5万吨模锻液压机机架的设计

该压机为世界上压制力最大的单缸超高压压机。单个工作缸，产生350MN的压制力，适于各种高温合金、钛合金等涡轮盘以及各类盘形零件和模锻。该机采用预应力缠绕结构，在没有采用坎合方法的常规设计中，机架的上、下半圆梁各重240t(如图5-a所示)；运用坎合原理和方法后，按数字和力学分析结果可得出图5b中所示的3个适合剖分的坎合面，由坎合面可将半圆梁分成四块，用预紧钢丝层5预紧而形成一个整体。其中K1，K2，K3，K4为平面坎合面(如图5-b所示)，A1和A2为圆柱形坎合面，每一半圆梁被分为4块，每块重为60吨。这样降低了在冶炼、铸造、锻造上的难度，使重型件可制造性大大提高。

实施例2：200t坎合机架实验

为验证预应力坎合原理及技术实现的可行性，设计了承载能力为200t的预应力钢丝缠绕坎合实验机架。

实验机架如图6所示：将拱型梁剖分成三个坎合子件。上下梁总计有4个坎合面，即A₁，A₂，A₃，A₄，6个坎合结构。立柱为中空结构、拱型梁截面为实心矩形(尺寸见图6)。加载器为Φ190mm的油缸，工作内压为120MPa，故最大加载吨位为： $P=1200\×\frac{\mathrm{\π}}{4}\·{19}^2=340t$ 内压为70MPa时，产生198t加载力，90MPa时为255t。加载油缸外径略小于Φ280mm，正好可置入机架内。调整垫块的位置(左右或前后偏移、实现中心加载和偏心加载)。实验分为预紧实验和工作载荷实验，预紧实验为用钢丝缠绕在机架外轮廓上，钢丝层的张力将梁、柱箍紧形成整体机架，此时为预紧状态，考察A坎合面的错移情况。加载器通过垫板加中心和偏心工作载荷，再考察A坎合面错移情况。

实验结果：

第一次实验：将坎合面双方车成同心圆图案，其深度与宽度均为0.5mm，在不加任何黏着层的情况下进行坎合连接。预紧力为215.7吨，预紧后所有坎合面均无错移或分离。然后加中心载荷，当加载器内压升至70MPa(198t)时，在A₁坎合面(图5)，表面油漆形成的固态漆面上，产生沿坎合面的贯通裂纹。其它A₂、A₃、A₄三坎合面上裂纹不明显，，共加载3次。当中心载荷增加到90MPa(255t)和120MPa(340t)后，A类漆面裂纹同前，B₁、B₂、B₃和B₄的漆面也产生贯通裂纹。偏心载荷由偏移加载垫板20mm实现。偏心载荷直接加到340t，裂纹发展情况同中心载荷。

第二次实验：将两坎合面车成同心圆图案，其深度与宽度均为0.5mm，再垫加0.5mm的钛板(牌号为PA2)。预紧力为183.2t，略小于第一次实验的预紧力，预紧载荷下所有坎合面均无错移或分离。加中心载荷和偏心载荷，其加载条件同第一次实验。加载90MPa(相当于225t)和120MPa(相当于340t)，A₁、A₂、A₃和A₄表面漆面完好，无任何漆裂。在坎合面上刻有划痕，但未见划痕错移，但B₁、B₂、B₃和B₄的漆面产生了贯通裂纹。

实验结论：

1)在预紧状态下，A₁、A₂、A₃和A₄坎合面均坎合连接完整，无任何错移。在第一次预紧缠绕时，仅有增加摩擦的同心圆图案而无钛板，第二次预紧缠绕时，在已有的界面上又夹加具有良好黏着特性的钛板。有无钛板，对缠绕预紧影响很小，本次实验看不出差别。

2)第一次预紧后的工作载荷，实验表明，当载荷为198t时(加载器内压为70MPa)，A₁坎合面漆面产生贯通裂纹，说明坎合面上有错移或局部分离或压应力较大变化。继续加载后裂纹仍清晰可见。而第二次加载实验，同样加载条件，且预紧力比第一次还小，载荷加至340t时仍未见A类坎合面发生漆面裂纹。此对比实验充分说明钛板对提高坎合连接可靠性的重要意义。

3)预应力钢丝缠绕产生的预紧力可以保证坎合面(垫有钛板，刻有同心圆图案)可靠地坎合连接所需的预压应力。

4)第一次和第二次工作载荷实验表明，当工作载荷达到255t和340t，远远超过实验机架的预紧力(198t和183.2t)时，B类界面由于压应力的丧失而分离是正常的。

Claims (5)

1.一种预应力坎合连接的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

a、坎合面的确定：

在确定整体机械结构和零件结构的条件下，首先根据其受力情况对未剖分的整体结构进行应力应变分析；在需要剖分的零件上选择预紧状态时那些以压应力为主、数值较大且在工作载荷时压应力波动小的剖面作为坎合面，在坎合面上将零件剖分为若干个尺寸和重量小于该零件且易于加工、运输和吊装的子件；

b、预紧载荷的确定：

先预设坎合面的摩擦系数，再调整施加到子件连接体上的预紧载荷值，通过数字分析方法计算坎合面上的σ和τ，判断其是否满足无分离无错位判据：

μ∫σdf＞∫τdf和σ＞0    (1)

其中：f为坎合面面积

μ为坎合面摩擦系数

σ为正应力

τ为剪应力

当无分离无错移判据满足时，则该值的大小及分布为确定的预紧载荷，否则需重新调整预紧载荷值进行计算，直到满足无分离无错位判据，形成牢固的无分离错移连接；所述的子件连接体为多个被剖分的子件经坎合面而互相连接在一起的整体结构；

c、坎合面处理：

对坎合面进行粘着化处理、粗糙化处理或进行粘着化和粗糙化的复合处理，使坎合面的摩擦系数达到甚至超过步骤b中所预设的值；

d、预紧连接：用b中确定的预紧载荷将c步骤中经过表面处理的子件进行预紧，形成一个整体的机器零件。

2.按照权利要求1所述的预应力坎合连接的方法，其特征在于：步骤d中所述的预紧采用预应力钢丝缠绕层缠绕、预紧螺栓预紧或过盈装配的方法。

3.按照权利要求1所述的预应力坎合连接的方法，其特征在于：步骤c中所述的粘着化处理是在坎合面夹加粘着性好的金属板或非金属板，其厚度0.1～10mm，并对金属板或非金属板进行旨在提高粘着特性的表面毛化处理；或在坎合面上进行等离子喷涂、热喷涂、电弧喷涂或电镀粘着特性好的金属层，其厚度为0.1～1mm。

4.按照权利要求3所述的预应力坎合连接的方法，其特征在于：所述的金属板或金属层采用钛、钛合金、铝或铝合金材料。

5.按照权利要求1所述的预应力坎合连接的方法，其特征在于：步骤c中所述的粗糙化处理包括：

1)、喷丸、喷砂；

2)激光毛化法，用激光对坎合表面进行烧蚀气化，形成深度为0.01～0.5mm，直径为0.05-0.2mm的毛化点；

3)切削法，用刀具在坎合表面刻划出深度为0.1-0.5mm，宽度为0.1-0.5mm的花纹；

4)辊花法，用辊刀在坎合表面辊压出深度为0.1-0.5mm，宽度为0.1-0.5mm的花纹；

5)用磨具打磨坎合表面。

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