高精度轨道调节锁紧机构设计

1高精度轨道调节锁紧机构设计胡志仁、陈玉龙、金梁斌（中船重工第七一〇研究所，湖北宜昌443003）[摘要]：本文从轨道调节范围、轨道直线度和水平度调节机构以及调节支座的固定三个方面进行了阐述，通过图示、分析和实例说明了两种机构的优劣，并得出了在高精度、高速度和动载荷轨道设计施工中宜采用分离式调节锁紧机构，而不宜采用斜块式调节锁紧机构。[关键词]：轨道；调节机构；锁紧[Abstract]：Thearticleisepoundedfromtherangeofrailadjustion,therailstraightness,theadjustablelevelnessmechanismandthefixationofadjustablebearing.Itexplainstheadvantageanddisadvantageoftwomechanismbydiagram,analysisandexamples,andgetsthedetachedadjustablelockmechanismusedinthehighprecision,highspeedanddynamiclockraildesignconstruction,butnotadaptableforadjustableinclinedblocktypelockmechanism.[Keywords]：track；regulatemechanism；locking1.前言轨道是拖曳水池的重要设备，其精度高低是保证拖车高速稳定运行和精确定位的关键因素。轨道的精度一般由加工精度和安装精度决定，前者只要制定合理的加工工艺和选择合适的加工设备，保证加工精度不是难题；后者需要考虑轨道的调节机构和测量基准。目前国内水池一般采用斜块调节锁紧机构，辅以水准槽测量工艺，其轨道精度基本能满足拖曳运行要求，但是在轨道调节范围和精度、轨道锚固锁紧可靠性、轨道抗振性能等几个方面存在一定的问题，影响轨道的精度和稳定性。本文通过分析对比，提出一种适合水池轨道调节锁紧机构—分离式调节锁紧机构，该机构很好的解决了斜块调整锁紧机构出现的问题，实际应用效果良好。2.两种调节锁紧机构的工作原理2.1.斜块式调节锁紧机构21)轨道直线度调节通过直线度调节螺栓进行左右调节，由螺栓上的螺母进行紧固放松；2)水平度调节主要是通过水平度调节螺栓对斜块进行左右调节，利用斜块错位发生垂直方向位移调节轨道高低，由螺栓上的螺母进行紧固放松。效果图如图1所示。图1斜块式调节锁紧机构2.2.分离式调节锁紧机构1)轨道直线度调节主要是通过水平支架两侧的侧向扣座和螺母对轨道进行左右调节；2)水平度调节主要是通过轨底支撑板上下调整，通过支撑板上下螺母和扣板锁紧，保证轨道水平度。效果图如图2所示图2分离式调节锁紧机构直线调节螺栓水平调节螺栓调节斜块直线度调节机构水平度调节机构预埋基础33.调节范围分析拖曳水池轨道梁为池壁，由于蓄水压力和地基沉降影响，导致轨道在垂向（±20mm以上）和横向（±10mm以上）产生变形，影响轨道精度，因此要求轨道有较大的调节范围。斜块式调节机构受其斜面角度的限制，垂直调节量一般不超过±5mm，水平调节量不超过±10mm，显然满足不了要求。分离式调节锁紧机构采用螺杆调节，横向调节取决于支撑板腰形孔的长度，一般可达±25mm，垂向调节取决于垂直螺杆头与拖车抱轨器和导向轮的间隙，该间隙主要由轨道的高低决定，一般采用QU75钢轨，垂向调整范围可达±32mm（如图3所示）。图3分离式调节锁紧机构垂向调节范围4.横向调节—轨道直线度调节锁紧机构锁紧力的分析4.1.螺母锁紧防松要素众所周知，螺母的锁紧防松作用的好坏主要取决于两个因素：第一是螺纹的牙型，细牙优于粗牙，越是细牙螺纹，其锁紧防松作用就越好。第二是锁紧螺母拧紧时，在被锁紧的螺杆上产生的最大拉力在螺杆上相应的长度。很显然，螺杆上产生最大拉力的长度越长，锁紧防松的效果越好。因此，在机械结构设计中采用螺母防松一般用在受拉螺杆上。对于受压螺杆来说，由于这种压力不产生防松作用，还减弱螺母的拉力，螺杆上产生的压力越大，减弱的程度也越大，因此，对于受压螺杆用螺母防松是不适宜的。44.2.斜块式调节锁紧机构横向调节受力分析如图4所示：图4斜块式调节锁紧机构受力示意图1)（a）是螺杆2上不受力时，用螺母1锁紧，在螺杆2上产生拉力的大小和长度；2)（b）是没有螺母1起作用，仅螺杆2左右调节轨道时产生的压力图；3)（c）是（a）+（b）的结果，即螺杆2左右调节好轨道后，用螺母1锁紧时，螺杆2上产生力的叠加图，其受拉的长度已经减短；4)（d）是轨道受侧向干扰附加在螺杆2上的压力；5)（e）是（c）+（d）的结果。很显然，螺杆2上受拉力的长度更短了。6)图4中BC段的实际长度为35mm，若螺母1最大锁紧力为10KN，螺杆2调节轨道的压力为5KN，拖车对轨道的水平侧向干扰压力为15KN的话（40t重的拖车产生0.075g的横向动载时，在单个轮子上的侧向压力），螺母1产生的锁紧力在螺杆2上的影响范围：a)由长度BC=35mm，缩短为B’C’=35/3=11.7mm，即螺纹由14扣减少为4.7扣；b)若侧向干扰力在增加一倍以上，受拉螺杆的长度更短，螺纹仅剩1—2扣，根本起不到防松效果。54.3.分离式调节锁紧机构横向调节受力分析如图5所示，螺杆始终处于受拉状态。图5分离式调节锁紧机构受力示意图1)图5中所示螺母锁紧产生拉力的最大值贯穿在全螺杆上，其螺杆受拉区域为182mm；2)（a）是轨道不受外力情况下，用螺母锁紧时，在螺杆上产生拉力的大小和长度；3)（b）是轨道产生了一倍于螺母锁紧的侧向干扰力，在螺杆上产生拉力的大小和长度；它的出现不仅没有使螺杆产生压力，反而使拉力增加一倍。这充分说明受拉螺杆采用螺母防松效果最好。5.垂向调节--轨道水平度调节锁紧机构锁紧力的分析5.1.斜块式调节锁紧机构垂向调节受力分析1)详见图4，该机构调节高低的斜形块角度为14°，当钢轨承受垂直向下压力为F（AC）时，在上斜形块上可分解为：a)斜面正压力F（AB）=F（AC）×Cin14°；b)沿斜面向下滑力F（BC）=F（AC）×Sin14°；c)而阻止下滑的摩擦力Fm=F（AB）×f，其中f为钢的摩擦系数f=0.15；d)则沿斜面剩余的下滑力Fxh=F（BC）-Fm=F（AC）×Sin14°-F（AC）×Cin14°×f=F（AC）×（Sin14°-f×Cin14°）e)高度调节螺杆压力为剩余下滑力Fxh在水平面上的投影：6Fss=Cin14°×Fxh=F（AC）×（Sin14°-f×Cin14°）×Cin14°若取拖车单轮的下压力为150KN，则上斜形块上产生的侧向力（即水平力）Fss=14.027KN，同理可得下斜块产生的侧向力Fsx=Fss=14.027KN。2)这两个力分别作用在调高低螺栓4左和4右的末端，对螺栓均产生向外压的作用。很显然，这两个力的产生和作用不是加强，而是削弱了锁紧母3的防松作用。3)另外，钢铁的自锁角为8°31.8′，而该机构设计中把斜角设计成14°，使高低调好后不能自锁，仅是为了满足向下调低的需要及8mm调整高度的需要，而不得不牺牲斜形块的自锁作用，这就是该调节机构的主要缺点。4)高精度轨道水平度的要求为±0.1mm。这种高低调节机构，调整时可以调整到这一要求。如果不做试验，也就是说没有动态荷载的情况下，或许调好的精度可以保持；而如果经常进行试验，有动态荷载的情况下，会对斜形块产生时有时无、时大时小的水平载荷，压在两侧的调节斜块高低的螺母3的防松效果就会更差，调整的高精度显然难以保持。5.2.分离式调节锁紧机构垂向调节受力分析1)详见图5，当轨道承受垂直向下的压力时，直接作用在轨底支撑板下2个承压螺母上，只要螺母的螺纹承压力设计足够，其防松效果更好；2)只有垂直力，没有分力，轨道不会产生横向滑移；3)当瞬间车轮载荷过后，轨道会产生向上反弹力（很小），另一方面高速导向轮运行会产生上拔力。此时由垂直螺杆上方的2个扣板和压紧螺母克服。形成螺杆受拉、螺母受压，其防松效果更佳；4)垂向调节机构无论在什么状态下，都处于螺杆受拉，螺母受压状态，对轨道水平度为±0.1mm的要求能长久保持。6.调节锁紧机构的锚固分析6.1.斜块式调节锁紧机构的锚固分析1)图4中的调节支座上制有4-φ25孔。套在4个M24的地角螺杆上，用螺母压紧力所产生的摩擦力保证，这个力显然是不足的。2)当轨道产生的侧向干扰力大于螺母压紧力所产生的摩擦力时，调节支座就有可能在1mm（极限状态时）范围内移动。调节支座移动了，轨道的精度就无法保证了，轨道±0.2mm直线度的要求在动态条件下时难以保证。73)调节机构底座为平面，与混凝土顶面（平整度误差至少在±5mm）很难调整到位，增加安装难度。6.2.分离式调节锁紧机构的锚固分析1)此调节锁紧机构主要是通过特型组件I中的垂直螺杆和特性组件II中的水平支架的二次埋设实现。2)埋设简便，易控制埋设进度，与混凝土顶面平整度误差大小关系不大。3)高低调整（水平度）主要是调节轨底支撑板，与垂直螺杆埋设误差无关。调整到位后，通过上下螺母锁紧，在动态条件下能长久保持。4)直线度调整主要是调节水平支架两侧的侧向扣座和螺母，调整到位后，通过两侧螺母锁紧，在动态条件下能长久保持。7.两种调节锁紧机构性能比较通过图样，工作原理及受力状态的定性、定量分析，现归纳两种调节锁紧机构性能如下表。调节锁紧机构性能表序号性能斜块式调节锁紧机构分离式调节锁紧机构1适用范围单向高精度要求轨道双向高精度要求轨道2调节操作性灵活较灵活3稳定性较短，需重复调整，检修频繁长久，检修周期长4过载性过载引起变化大过载后无变化5防松性差好6受力分析复杂简单7振动性接触面多，引起振动因素多，控制难度大接触面少，振动源好确定，容易控制8支座安装难度大容易控制8.结论通过以上分析，在高精度、高速度、大载荷（动载）轨道设计中宜采用本文中所说的分离式调节锁紧机构，不宜采用斜块式调节锁紧机构。分离式调节锁紧机构主要用于中国航空救生研究所及兵器051基地等超音速运行火箭撬试验场，经过适应性改进，目8前已成功应用于上海交大船模拖曳水池和国家海洋气象试验基地综合试验水池，使用表明，该机构在轨道精度、轨道稳定性、后期维护等方面均优于传统的斜块式调节锁紧机构。参考文献：[1]杨兴邦.《XB高精度火箭撬试验滑轨》[J].中国工程科学，2000，10（2）：99-104；[2]徐灏主编.《机械设计手册》第二版第三卷《联接与紧固》.机械工业出版社，2001，6，ISBN7-111-02389-7[3]郭欣，李广年，劳展杰.《船模水池拖车系统设计分析》[J].船海工程，2013，42（3）