集装箱吊装旋转销轴制作工艺改进

朱兴元 蔡鹏飞 熊文娟

摘要：旋转销轴是普遍用于港口集装箱吊装的工具之一，其有受到交变应力大、使用频率高的特点，在吊装集装箱的过程中属于易耗品。所以在保证安全性能的前提下，提高销轴的耐用度就显得尤为必要。

关键词：旋转销轴；制作；工艺；改进

中图分类号：U671.91文献标识码：A

Manufacture-technology Improvement of Twist Lock Pin Used in Containers Hoisting

ZHU Xingyuan，CAI Pengfei，XIONG Wenjuan

(Guangzhou Shipyard International Co., Ltd. Guangzhou 510382)

Abstract：Twist lock pins (TLP), one of the common tools used for container hoisting in harbor, bearing strong varied stresses and high frequency of use, are belong to easily-consumed products. Accordingly, under meeting safety requirement, it is particularly necessary to improve the endurance of TLP.

Key words: Twist Lock Pin; Manufacture; Technology; Improvement

1 前言

旋转销轴是用于港口码头集装箱吊运时的锁紧装置，近十来年我司为日本某客户提供了数千套优质的销轴成品。在取得良好的经济效益同时，也为广船国际在港口机械领域赢得了长远的声誉。近期该客户再次委托我司制作64套销轴，该销轴用于香港国际货柜码头，其制作周期紧张，质量要求严格，而且客户提供的是陈旧、模糊的设计图，因此，我们必须克服各种困难，确保销轴按期保质完成，以维护双方长期的良好合作关系。

2原设计图纸及存在问题

由于客户提供的图纸模糊，而且是日文标注，所以深化图纸的工作尤为重要。图1为销轴加工深化图。

该类型销轴的原设计锁紧部分螺纹为M52×2的细螺纹，从受力分析的角度讲，细螺纹的受力效果要较普

图1销轴加工深化图

通螺纹好，但是在实际的使用过程中发现细螺纹的单个螺距螺纹受力效果比普通螺纹要差，而且在实际使用过程中难免有碰撞等冲击，所以螺纹较容易损坏。

3 解决方案及加工要点

3.1 图纸的确认

我们与业主积极沟通，对图纸上不清楚的地方与业主进行一一确认，保证图纸的正确性与合理性，确保后续的加工无误，满足业主的使用要求。

3.2 存在问题的解决方案

经业主反映，销轴在使用过程中，螺纹的损坏较为严重。经过我们综合考虑，认为原设计的细螺纹是不太合理的。经过计算后与业主协商，我们将M52×2的细螺纹改为普通螺距的螺纹M52×5。此改动不会影响吊装的安全，相反还能延长销轴的使用寿命。

3.2.1 安全核算

从设计方面可知，同样直径的螺纹，螺距越小，螺纹的应力截面积则越大，螺纹的应力截面积为：

S=0.7854（d-0.9 382P）2 （1）

M52×2的细螺纹，其应力截面积S1=2 512 mm2；

M52×5的粗螺纹，其应力截面积S2=2 238 mm2。

目前集装箱的最大载重是30 t，所以吊装时每根销轴所受的拉力为：

F=30 000·G/n=73 500 N（2）

式中：G—重力加速度，G=9.8 m/s2；

n—销轴数量，n=4。

不同螺距的销轴的螺纹所受到的拉应力为：

σ=F/S（3）

M52×2的细螺纹，其拉应力为σ1=25.25 MPa；

M52×5的粗螺纹，其拉应力为σ2=32.84 MPa。

销轴所采用的材料是42CrMo，抗拉强度σb=1 080 MPa。由此可以看出，无论是细螺纹还是粗螺纹销轴，所受到的拉应力远低于抗拉强度，理论上安全系数都超过30，完全满足《吊索具安全技术规范》的安全系数不得小于4的要求。

由此可知，销轴螺纹螺距小范围的变化对其安全系数的影响不大，M52×5螺纹满足安全使用要求。

3.2.2螺纹受力情况分析

螺纹在实际加工过程中不可避免地存在螺距误差，实际加工出来的外螺纹和内螺纹之间的配合，是一个间隙渐变的配合面。第一扣螺纹之间的配合最严密，最后一扣螺纹之间的配合间隙最大，所以螺纹上受到的应力分布是不均匀的，即第一扣螺纹受力最大，而最后一扣螺纹受力最小，如图2所示。

由图2可以看出，螺纹单位长度上的螺纹螺距越多，则误差 积累越大，所以在相同的旋合长度上，螺距较大的螺纹的螺距误差反而小，所以此时粗螺纹的接触情况要比细螺纹的要好得多，在螺栓受外力作用时，螺纹的螺旋面上所受到的应力更均匀。

另外，如果螺纹的螺距过小，则单个螺纹的中径牙厚螺旋截面积则也很小。

单个螺距的中径牙厚螺旋截面积为：

A=L· = · = ·

（4）

式中：L—单个螺距的螺旋线长度；

P—螺距（P/2即为中径位置的牙形宽度）；

d—螺纹大径；

d2—螺纹中径；

α—螺旋升角。

以上公式的详情见图3所示：

图3 螺纹中径螺旋线展开图

由公式（4）可得：

M52×2细螺纹单个螺距的中径牙厚螺旋截面积为：A1=162.695 mm2；

M52×5粗螺纹单个螺距的中径牙厚螺旋截面积为：A2=404.348 mm2。

由此可见，A2/A1=2.485，所以大螺距的螺纹单扣螺纹承载能力要优于小螺距的螺纹。

在实际使用过程中，业主反映M52×2的细螺纹销轴在使用时容易“滑牙”（即螺纹部分容易发生金属疲劳而损坏），原因是细螺纹单个螺纹的承载能力小，更容易发生变形，螺距小的螺纹的牙面变形量也较小，在承载时，螺旋前部分螺纹的变形量无法补偿螺距的积累误差，从而导致只有前面的部分螺纹真正意义上的受力。

相反，M52×5的螺纹在相同的旋合长度上，螺距的数量只有M52×2螺纹的40%，所以在受力的时候，5 ㎜螺距的变形量可以补偿螺距的误差积累，从而达到载荷的均匀分布。

在使用过程中，业主反映经过改进后的M52×5粗螺纹销轴没有像细螺纹那样容易损坏，使用寿命明显延长了很多。

综上可以得出结论，销轴的螺纹由M52×2修改为M52×5，在满足安全要求的前提下，延长了销轴的使用周期。

3.3加工要点剖析

3.3.1加工工序

由于加工数目比较多，属于小批量生产范畴。综合考虑，需要制定加工工序及选用专用工装夹具。加工完工后的实物见图4。加工工序如下：

粗车→调质→精车→ 精磨→车去工艺轴头。

图4销轴成品图

3.3.2工艺轴头

如图5所示，在销轴的锥尖一侧留上工艺轴头，并在轴头上打上中心孔，这样一来，就可以保证销轴在粗、精加工时基准统一，精度有保证，而且定位也比较容易，提高了销轴的加工效率。待销轴整体加工完成后，再在车床上将该轴头车去即可。

图5 销轴加工工艺轴头

3.3.3圆弧位加工

在吊装集装箱的时候，销轴在机械臂的作用下，从吊装孔向下伸入，然后再旋转90°，利用销轴的轴肩吊起集装箱。但是每次吊装的位置多少有些许偏差，如果集装箱吊码的边缘顶住销轴轴肩处的过渡圆弧位时，则会对销轴的过渡圆弧造成损坏，时间久了，圆弧位将被逐渐被磨损，销轴的使用安全性和使用寿命将大大降低。所以经与客户沟通，我们将销轴过渡圆弧位改为下沉圆弧位，避免了吊装时销轴与集装箱吊码产生的干涉损坏，保证了销轴的安全，并延长了销轴的使用寿命。

图6为修改前后的圆弧过渡位的形状。

图6销轴圆弧位改进示意图

4方案比较

总结以上的加工方法，较传统的加工工艺，使得销轴的加工效率有较大的提升，特别是工艺轴头方案的采取，使得销轴的加工基准有所保障。如果按照传统的加工方法，则需要做一套内顶尖才能满足制作精度要求（如图7），但由于每件销轴的加工角度都不是标准的90°，难免有角度偏差±Δ，这样一来，每件销轴实际上和内顶尖之间的角度不是完全贴合的，所以在加工的时候会产生微小的晃动或中心偏移，这样加工出来的外圆会有较大的圆度和圆柱度误差，从而无法保证精度要求。相反，如果采用的是在工艺轴头上用中心钻打中心孔的方法来加工，则每一个中心孔的角度基本完全一致，定位误差将大大降低，保证了销轴的精度。

图7传统加工工艺内顶尖示意图

参考文献

[1]徐英南,许兆丰等编. 《机械工人实用手册》.中国劳动出版社出版.

[2]赵如福主编. 《金属机械加工工艺人员手册》.上海科学技术出版社出版.

[3]王先逵主编. 《机械加工工艺手册》.机械工业出版社出版.

作者简介：朱兴元（1983-），男，助理工程师。主要从事商务经营工作。

蔡鹏飞（1985-），男，助理工程师。主要从事机械设计制造工作。

收稿日期：2014-04-02