(南通中遠(yuǎn)川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)
軸系安裝作業(yè)中,螺旋槳安裝是項(xiàng)重要的工作,需要花費(fèi)不少工時(shí)。用于螺旋槳安裝和固定鎖緊的螺母通常有兩種形式:常規(guī)普通螺母和液壓螺母,安裝示意見圖1。兩種螺母最明顯的區(qū)別是液壓螺母自帶活塞千斤頂,而普通螺母沒有,需要借助額外千斤頂進(jìn)行安裝。液壓技術(shù)的使用能減少作業(yè)工時(shí),提高作業(yè)效率。
圖1 螺旋槳安裝和固定鎖緊示意
無鍵螺旋槳的壓入有兩個(gè)限制條件:①滿足最小壓入量,保證螺旋槳與螺旋槳軸之間在傳遞最大轉(zhuǎn)矩時(shí)不會(huì)相互滑動(dòng)脫開;②不能超過最大壓入量(壓入的徑向膨脹量不能超過螺旋槳槳轂材料彈性極限。
當(dāng)螺旋槳壓入量達(dá)到最大值時(shí),螺母能夠提供足夠大的軸向Fj:
Fj≥K×Fe
(1)
式中:Fe——螺旋槳槳轂膨脹時(shí)的收縮力;
K——系數(shù)。
液壓安裝時(shí),槳與軸之間充滿膨脹油,其濕摩擦系約為0.020,螺旋槳軸的錐部斜率為1/20=0.025,系數(shù)K=0.020+0.025=0.045。
該系數(shù)值可用于膨脹油泵與壓入油泵不是同一油泵的情況。如果考慮采用一臺(tái)高壓油泵同時(shí)對(duì)膨脹和壓入油管進(jìn)行供油,那么需要對(duì)系數(shù)K進(jìn)行增大考慮,確保軸向推力能夠大于反作用力,需要加入一個(gè)系數(shù)k,根據(jù)各船廠多年的積累經(jīng)驗(yàn),系數(shù)k=1.25為宜(該數(shù)值為假定數(shù)值),這樣就有K′=0.045×k=0.056。
這樣系數(shù)的選擇有兩種情況,即一臺(tái)油泵情況下取0.056;兩臺(tái)油泵情況下取0.045。
當(dāng)螺旋槳壓入量最大時(shí),螺旋槳槳轂所產(chǎn)生的平均壓縮壓強(qiáng)通常能達(dá)到Pc=70 MPa左右,由此可以算出由于壓縮力產(chǎn)生的軸向力。
(2)
式中:Ac——螺旋槳槳轂內(nèi)面與軸表面接觸的面積;
Aj、Pj——液壓螺母內(nèi)藏千斤頂?shù)拿娣e和油壓。
如果液壓螺母也采用70 MPa的油壓,即Pj=70 MPa,則Aj≥0.045(或0.056)×Ac。
以此為設(shè)計(jì)條件,包含了膨脹油泵和壓入油泵分開情況和共用一臺(tái)泵的情況。
采用單臺(tái)泵作業(yè)方式能夠方便安裝,但是要求螺母的液壓面積較大,外徑尺寸會(huì)較大,有時(shí)不能滿足螺旋槳槳帽安裝拆卸的間隙要求。如何選擇,要考慮實(shí)際情況,對(duì)比選擇。通常在螺旋槳槳轂決定之后,首選方案為單臺(tái)泵的方案,如果受安裝限制無法實(shí)現(xiàn),再考慮兩臺(tái)泵的方案。
通常螺母的設(shè)計(jì)是在螺旋槳壓入計(jì)算完成之后,由螺旋槳壓入計(jì)算結(jié)果可以得出槳軸接觸面積Ac和接觸面壓Pc,按照通常計(jì)算結(jié)果Pc約為70 MPa,根據(jù)設(shè)計(jì)條件中首選一臺(tái)泵的方案,可知需要滿足Aj=0.056Ac(單臺(tái)泵考慮),液壓螺母的工作壓力為70 MPa。
Aj=d32-d22=0.056Ac
(3)
式中:d2、d3——液壓螺母內(nèi)藏千斤頂?shù)膬?nèi)徑和外徑(見圖2)。
圖2 液壓螺母結(jié)構(gòu)尺寸
內(nèi)藏千斤頂在工作時(shí),液壓腔內(nèi)需要承受較大壓強(qiáng),所以液壓腔內(nèi)外壁厚度要有足夠的厚度。根據(jù)彈性力學(xué)環(huán)形結(jié)構(gòu)受內(nèi)外壓力時(shí)可獲得環(huán)向應(yīng)力,結(jié)合廠家推薦安全系數(shù)1.3,有如下限制條件。
內(nèi)環(huán):
(4)
外環(huán)[1]:
(5)
同時(shí)需要考慮內(nèi)外環(huán)與內(nèi)藏千斤頂?shù)暮穸染鶆蛐?,根?jù)廠家推薦有以下條件:
(6)
(7)
在滿足以上面積、強(qiáng)度以及厚度均勻要求的前提下,推算液壓螺母的徑向尺寸。并初步可得出液壓螺母徑向的各部分尺寸。
液壓螺母內(nèi)徑d1是在尾軸軸徑D和螺旋槳槳轂長(zhǎng)度L選定之后,推算軸錐部尾端直徑d,即d=D-L/20,再由船廠建造標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)d值選出對(duì)應(yīng)螺紋通徑d1。有了d1值,可以推算出其它直徑。
螺旋槳螺母外徑計(jì)算只是初步探討,還需要外徑進(jìn)行確認(rèn),要滿足螺旋槳槳帽的安裝和拆缷的需要,參見圖3。
圖3 槳帽與螺旋槳配合結(jié)構(gòu)示意
在液壓螺母外部需要安裝槳帽,液壓螺母與槳帽之間必須預(yù)留C=30 mm的間隙(該數(shù)值為假定值),以保證槳帽的安裝和拆卸。同時(shí)槳帽的外徑不能超過槳槳轂的尾部外徑,槳帽內(nèi)徑到外徑需要保證廠家標(biāo)準(zhǔn)要求。壓入計(jì)算結(jié)束后,槳轂尾端外徑便已確定,液壓螺母的外徑上限也隨之被限制了。螺母的外徑可能會(huì)超過這個(gè)極限,如果超過了上限值,那么就需要調(diào)整檢討,這種情況下就只能減小液壓活塞的截面積Aj;這樣就不能滿足單臺(tái)泵的設(shè)計(jì)條件Aj≥0.056×Ac,需要考慮采用兩臺(tái)泵的考慮方法,以便減小Aj值,就有Aj=0.045Ac。
如果堅(jiān)持采用一臺(tái)泵的設(shè)計(jì)方法,就需要返回到螺旋槳壓入計(jì)算,對(duì)槳轂外徑進(jìn)行調(diào)整。 如果加大槳轂外徑,成本會(huì)增加很多,因此,還是考慮兩臺(tái)泵的方案,即使采用等式Aj=0.045Ac,即兩臺(tái)等壓泵的方法,也不能滿足面積要求,考慮采用兩臺(tái)不等壓泵,增大壓入泵的壓強(qiáng),可以采用80 MPa或者更大,可以減小壓入面積,這時(shí)螺母的內(nèi)壓強(qiáng)度采用第二種廠家推薦公式更合理。
螺母的長(zhǎng)度計(jì)算需要考慮螺牙的壓縮強(qiáng)度計(jì)算和螺牙的剪斷強(qiáng)度計(jì)算,都必須能夠滿足螺母材料極限強(qiáng)度除去安全系數(shù),并取大值,參數(shù)說明見圖4。
圖4 螺紋配合尺寸
1)壓縮強(qiáng)度計(jì)算。
(8)
即H≥Fj×P/[(d12-(d1-11)2)]。
2)剪切強(qiáng)度計(jì)算。
(9)
即H≥Fj×p/(ab)。
式中:σ1、σ2——螺母材料壓縮、剪切強(qiáng)度;
n——安全系數(shù);
Fj——壓入力,
Fj=Aj×Pj=(d32-d22)Pj,當(dāng)滿足采用一臺(tái)泵時(shí),通常Pj=70 MPa;
A1——螺紋的接觸截面積,
A1=(d12-(d1-11)2);
A2——螺紋根部截面積,A2=ab;
H——需要螺母的長(zhǎng)度;
P——螺距 12 mm;
a——剪切處的直徑,a=d1-11 mm;
b——剪切處根部寬度,
b=12-[4.54+(12.5-11)tan15°]=7.06 mm。
有了液壓螺母的長(zhǎng)度之后,同樣需要對(duì)其尺寸進(jìn)行整體配合尺寸的確認(rèn)。將螺母置于螺旋槳的槳帽內(nèi)進(jìn)行干涉確認(rèn),確保槳帽能夠自由拆卸。
此液壓螺母的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,價(jià)格昂貴,自帶液壓腔和液壓活塞千斤頂,材料要求較高;但安裝較方便,可節(jié)省時(shí)間,同時(shí)便于船東在定期檢查時(shí)進(jìn)行螺旋槳拆裝。
實(shí)際選擇方案時(shí),需要對(duì)比人工成本和螺母成本。
這種安裝技術(shù)在大型集裝箱上使用優(yōu)勢(shì)更加明顯。