一种快速螺纹联接的结构设计

一种快速螺纹联接的结构设计

李红梅钱建国张晔

李红梅钱建国张晔

南京长江电子信息产业集团有限公司江苏南京210038

摘要：螺纹联接是一种可拆卸的静联接方式，广泛应用于雷达天线的各骨架间的联接。传统的天线骨架间的联接方式所需零件数量多、所需操作空间大、耗费时间长，不能满足现代雷达不断提高的机动性要求。本文介绍了一种适合天线骨架的快速螺纹联接的结构设计，涉及螺纹联接强度计算、钢和铝合金的联接设计和防松设计三个方面。此螺纹联接方式已在某雷达产品实际运用，取得很好的效果。

关键词：螺纹联接；快速；结构设计

StructuralDesignofAFastThreadedConnection

LiHongmei,QianJianguo,ZhangYe

﹙NanjingChangjiangElectronicsGroupCo.,Ltd.，Nanjing210038﹚

Abstract:Threadedconnectionisadetachablestaticconnection.,whichiswidelyusedintheconnectionbetweentheskeletonsofradarantenna.Thetraditionalconnectionmodebetweentheantennaskeletonneedsmanyparts,largeoperationspaceandlongtimeconsuming,whichcannotmeettheincreasingmobilityrequirementsofmodernradar.Thepaperintroducesthestructuredesignofafastthreadedconnectionsuitablefortheantennaskeleton,whichinvolvesthestrengthcalculationofthethreadedconnection,theconnectiondesignofsteelandaluminum,theantilooseningdesign.Thethreadedconnectionmethodhasbeenusedinaradarproductandachievedgoodresults.

Keywords:threadedconnection,fast,structuraldesign

1引言

大型雷达天线骨架通常分为几部分，工作状态各块骨架必须联接成一个整体，运输状态再分解成单块以保证公路、铁路运输长、宽、高尺寸的不超限。螺纹联接是一种可拆卸的静联接方式，广泛应用于雷达天线各骨架间的联接，能很好地满足雷达天线多次重复架设和撤收的使用要求。传统的天线骨架间采用的是螺纹联接中的螺栓组联接方式，所需零件数量多、所需操作空间大、耗费时间长，不能满足现代雷达不断提高的机动性要求。本文介绍了一种适合天线骨架的快速螺纹联接的结构设计，涉及螺纹联接强度计算、钢和铝合金的联接设计、防松设计三方面。

2螺栓组联接的特点

天线骨架采用的螺栓组联接方式，接合面的几何形状和螺栓的布置形式通常有以下几种，单个螺栓组联接至少由2个螺栓联接组成，如图1所示，联接螺栓的操作空间被中间的金属管分割为几部分。螺栓联接采用标准的紧固件零散、数量多，包含螺栓、螺母、平垫圈和弹簧垫圈。螺栓联接拧紧时，在一端固定螺栓头防止其转动，在另一端用活络扳手转动螺母以施加预紧力，增强联结的可靠性和紧密性，防止被联接件受载后的分离。因天线骨架的螺栓联接都是在室外半空操作的，固定螺栓头和转动螺母需要2个人配合完成。骨架本身是纵横交错金属管形成的空间桁架结构，操作空间小，螺母的转动无法连续进行，增加了拧紧螺栓的时间。现代雷达需不断提高机动性，明确要求减少架设和撤收人员数量和耗费时间。螺栓组联接的方式会对提高雷达的机动性产生一定的制约。

图1天线骨架螺栓组联接接合面常用形状

3快速螺纹联接的结构设计

运用于天线骨架的快速螺纹联接将螺栓组联接的多个小操作空间整合成一个较大空间，位置在图1中金属管处。在室外半空拧紧螺纹时，不需携带任何零散的零件，只需一个勾头扳手即可连续转动螺母，完成预紧。具体结构如图2所示。

图2快速螺纹联接结构示意图

3.1螺纹联接强度

天线骨架上的联接点有数十个，各个联接点所受的载荷互不相同，为了减少螺纹联接结构件的品种，会将所受载荷大致接近的共用一个品种。确定螺纹直径时还要兼顾天线结构的整体美观性，大小须与被联接的金属管相匹配。最终此天线骨架的联接选择了2种螺纹，其所能提供的联接强度远大于所需要的螺纹联接强度。

⑴

式中：d1—螺栓危险剖面的直径，mm；

Q—螺栓所受的总拉力，N；

[σ]—螺栓材料的许用拉应力，MPa。

螺纹联接为承受预紧力和工作拉力的紧螺栓联接，当工作拉力为50000N、残余预紧力为30000N时，得到螺栓的总拉力Q为80000N。螺栓采用调质处理的40Cr合金钢制造，对应8.8级标准螺栓的强度，许用拉应力[σ]为425MPa。根据公式⑴得出满足联接强度的螺纹直径不小于18mm。

考虑到与被联接的铝管尺寸匹配，此处的螺纹直径最终确定为39mm，满足螺纹联接强度的要求。

3.2钢和铝合金的联接

由于对雷达机动性要求的不断提高，相应地要求雷达室外设备重量尽可能地轻，因此天线骨架在满足规定载荷刚强度要求的条件下会尽量使用低密度的有色金属。铝合金作为比刚度、比强度都较高的有色金属，广泛运用于天线骨架中，然而铝合金绝对强度不高、并且耐磨性非常差，不适合制造螺纹联接的零件。铝合金的天线骨架中，螺纹联接的零件采用钢制造，再与铝骨架形成不可拆卸的固定联接。

焊接的联接方式具有构造简单、加工方便、可靠性高的特点，也是天线骨架最常用的固定联接方式。钢和铝合金之间的焊接是黑色金属和有色金属的焊接，目前适用的焊接方法是爆炸焊接。但爆炸焊接采用炸药作为能量来源，危险系数相当高；并且大部分用于平面间的焊接，此螺纹联接结构中钢和铝合金的联接不能使用爆炸焊的方式。根据快速螺纹联接结构的具体特点和尺寸大小，最终选择过盈配合和普通的螺栓联接相结合作为此结构中的钢和铝合金的联接方式。这种方式也可用于不能焊接的黑色金属之间的联接。

由3.1可知，骨架间的联接满足联接强度的螺纹直径不小于18mm，然而铝管内部空间只能放置M16的标准螺栓。虽然提高螺栓的强度等级，采用10.9级的标准螺栓也可以满足联接强度的要求，但联接部位集中在中心，联接的稳定性较差。因此，还是采用8.8级的标准螺栓，将钢制螺栓接头无螺纹部分的外径和铝合金管内腔的配合设计为过盈配合，来承担剩余的载荷18167N。

过盈配合联接要选择合适的最小、最大过盈量以保证联接结合强度和联接件强度，结合公式⑵、⑶、⑷计算得到最小和最大过盈量分别为20μm和49μm，由此选择相应的配合公差H6/s6。

3.3防松设计

螺纹联接的防松主要是防止螺旋副在冲击、振动或变载荷作用下发生相对转动，被联接件出现相对位移甚至分离。常用的防松方式有摩擦防松和机械防松，摩擦防松没有机械防松可靠，但简单、方便，因天线所受风载荷的变化频率不是很大，所以在天线骨架的螺栓联接中运用很多。

快速螺纹联接结构中，骨架拆卸时螺母需如图2箭头所示，沿螺纹轴线方向移动一定的距离，才能使骨架分离，导致轴向空间非常紧张。因此将与螺栓同轴安装的弹簧垫圈的摩擦防松转化为与螺栓垂直方向安装防松螺钉，可适当减小轴向尺寸。

a）螺栓接头与铝管的联接处有两种防松方式，轴向的标准螺栓联接采用弹簧垫圈防松，径向的过盈配合联接采用圆周方向均布的3组十字槽盘头螺钉及相应规格平垫圈和弹簧垫圈。此处的标准紧固件只需装配一次，可带螺纹胶安装起辅助的防松作用。

b）快速螺纹联接处的螺栓接头和螺母接头的防松采用圆周方向均布的3组十字槽盘头螺钉及相应规格平垫圈和弹簧垫圈。在天线骨架的架设和撤收过程中，螺钉、平垫圈和弹簧垫圈并不与骨架脱离，只需拧紧或旋松螺钉，因此不需携带任何零散的紧固件。

结论

本文针对大型雷达不断提高的机动性要求，介绍了一种快速螺纹联接结构的设计，涉及螺纹联接的强度、钢和铝的联接设计和防松设计三个方面。此结构操作方便、大大减少了架设人员数量和天线骨架的联接时间，均可最少减少到螺栓组联接方式的1/2。此结构已在产品中实际使用，并获得很好的效果。

参考文献

[1]叶尚辉，李在贵.天线结构设计〔M〕.西安：西北电讯工程学院出版社，1986.

[2]濮良贵，纪名刚.机械设计〔M〕.北京：高等教育出版社，2004.

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[4]傅德明机械工程.弹簧垫圈的功能与防松〔J〕，1990，﹙4﹚：30-32.

[5]莫易敏.制造技术与机床.弹簧垫圈在高强度螺栓连接中的防松性能分析〔J〕，2014，﹙9﹚：73-76.

作者简介

李红梅(1972-)，女，高级工程师，工程硕士，主要从事雷达天线和传动的结构设计方面的研究。