屠星星，徐勇杰，朱 昆

（上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203）

0 引 言

螺旋槳液壓螺母是船舶軸系的重要組成部分，在螺旋槳安裝過程中發(fā)揮著重要作用，且可鎖緊螺旋槳，使其不從螺旋槳軸上脫落。設(shè)計優(yōu)良的液壓螺母能保證軸系和螺旋槳平穩(wěn)、安全地工作，一旦液壓螺母出現(xiàn)破損，很有可能引發(fā)安全事故，導(dǎo)致船舶不能正常航行，造成較大損失[1]。液壓螺母的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較難直接找到明顯的規(guī)律對其進行設(shè)計，目前采用的液壓螺母多是基于經(jīng)驗設(shè)計的。上海船舶研究設(shè)計院在對38000t綠色海豚系列散貨船進行研發(fā)設(shè)計的過程中，深入研究液壓螺母的應(yīng)力分布規(guī)律，提煉出一套科學(xué)、完整的螺旋槳液壓螺母設(shè)計方法。

本文以ABAQUS軟件為工具，采用有限元方法計算螺旋槳液壓螺母的應(yīng)力分布情況，采用控制變量法逐一分析液壓螺母各尺寸參數(shù)對液壓螺母應(yīng)力的影響規(guī)律。ABAQUS 是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，適用于軸系模型的有限元分析[2]。

1 有限元建模計算

螺旋槳液壓螺母（見圖 1）由液壓螺母本體和活塞（活塞環(huán)）2部分組成，液壓螺母本體與螺旋槳軸末端通過螺紋連接[3]。在安裝螺旋槳時，液壓油泵通過液壓螺母本體內(nèi)的油道將高壓油打入活塞腔，高壓油推動活塞往槳轂方向運動。槳轂在活塞的推動下沿螺旋槳軸方向被壓縮，由于螺旋槳軸存在一定的錐度，因此當活塞往前完成設(shè)計行程的運動時，若槳轂?zāi)苓_到足夠的壓縮量，螺旋槳就能穩(wěn)定地安裝在螺旋槳軸上[4]。

液壓螺母本體所受的力主要有活塞腔內(nèi)高壓油的壓力及螺旋槳軸末端螺紋對其的作用力。高壓油的壓力可由壓強直接仿真，而螺旋槳軸的作用力必須通過對螺旋槳軸進行建模來仿真。因此，在進行液壓螺母應(yīng)力計算分析時，需對液壓螺母本體和螺旋槳軸都進行有限元建模。為減少計算量，對于螺旋槳軸，只需對其與液壓螺母鄰近的一部分進行建模，同時在螺旋槳軸截斷處進行固定約束。采用液壓螺母本體和螺旋槳軸的三維模型進行計算會產(chǎn)生巨大的計算量，耗時很長，甚至無法計算。本文采用軸對稱建模方法，因為模型的軸對稱性質(zhì)，雖然建立的是平面模型，但依然能實現(xiàn)對三維實體模型的仿真，計算準確且耗時短[5]。

圖1 螺旋槳液壓螺母

圖2為有限元計算結(jié)果。液壓螺母的應(yīng)力主要集中在活塞腔倒圓處，最大應(yīng)力也出現(xiàn)在倒圓處。倒圓附近應(yīng)力很大；離倒圓越遠，應(yīng)力越小。最大應(yīng)力處最容易遭到破壞，優(yōu)良的設(shè)計應(yīng)將最大應(yīng)力降低到盡可能小，使液壓螺母遭到破壞的概率盡可能低。因此，最大應(yīng)力的變化規(guī)律是本文研究的重點。

圖2 螺旋槳液壓螺母應(yīng)力計算結(jié)果

液壓螺母外形復(fù)雜，涉及諸多尺寸參數(shù)。圖3為螺旋槳液壓螺母尺寸參數(shù)，其中：D1，D2和L分別為液壓螺母的內(nèi)徑、外徑及長度；T和θ分別為液壓螺母倒角的長度和角度；q為液壓螺母內(nèi)外半徑之差；h，d和r分別為活塞腔的長度、厚度及倒圓半徑；p為活塞腔中心線與液壓螺母內(nèi)圓之間的距離。液壓螺母的設(shè)計工作主要是確定這些尺寸參數(shù)。本文采用控制變量法對大量的參數(shù)值組合進行建模計算，從計算結(jié)果中分析各尺寸參數(shù)對最大應(yīng)力的影響。

圖3 螺旋槳液壓螺母尺寸參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

圖4為液壓螺母最大應(yīng)力隨活塞腔倒圓半徑r的變化曲線。最大應(yīng)力隨著r的增大而減小，且減小趨勢明顯，說明r對最大應(yīng)力的影響很大。相對于半徑為1mm的設(shè)計，半徑為5mm的設(shè)計可將最大應(yīng)力減小約50%，半徑為20mm的設(shè)計可將最大應(yīng)力減小約65%。該規(guī)律與應(yīng)力集中的原理正好契合，倒圓半徑越大，過渡越平緩，應(yīng)力集中程度越低，應(yīng)力集中系數(shù)越小，因此最大應(yīng)力越小。

值得注意的是，隨著倒圓半徑r的增大，在相同活塞行程下，高壓油填充長度變大（即油壓對液壓螺母的作用面積變大），液壓螺母受到的作用力就變大，這會導(dǎo)致最大應(yīng)力變大。r的增大同時導(dǎo)致應(yīng)力集中系數(shù)減小及油壓作用力增大，這兩者對最大應(yīng)力的影響是相反的。圖4所示的變化趨勢表明，相對于油壓作用力增大，應(yīng)力集中系數(shù)減小對最大應(yīng)力造成的影響更大。

圖5為液壓螺母最大應(yīng)力隨外徑與內(nèi)徑之比D2/D1的變化曲線。有限元計算表明，對于任意尺寸的液壓螺母，無論是將其所有尺寸參數(shù)同比例放大還是縮小，只要油壓大小不變，最大應(yīng)力是一樣的。因此，在分析有些參數(shù)對最大應(yīng)力的影響時，可通過比例的形式設(shè)計參數(shù)值組進行有限元計算，這樣便于后期歸納液壓螺母設(shè)計方法。

圖4 液壓螺母最大應(yīng)力隨活塞腔倒圓半徑r的變化曲線

圖5 液壓螺母最大應(yīng)力隨外徑與內(nèi)徑之比D2/D1的變化情況

圖5表明，D2/D1越大，液壓螺母最大應(yīng)力越小，且變化趨勢明顯。相對于D2/D1=1.7，當D2/D1=2時最大應(yīng)力減小約40%。這種變化趨勢也可從物理層面上進行解釋，D2/D1越大，活塞腔邊緣到液壓螺母外側(cè)和內(nèi)側(cè)的距離越大，液壓螺母越不容易被破壞。

圖6為液壓螺母最大應(yīng)力隨液壓螺母長度與內(nèi)徑之比L/D1的變化曲線。最大應(yīng)力隨著L/D1的增大而減小，且減小趨勢明顯。相對于L/D1=0.6，當L/D1=1時最大應(yīng)力減小約40%。

圖7為最大應(yīng)力隨活塞腔大小d/q的變化曲線。d/q越大，說明活塞腔及油壓的作用面積越大。在安裝螺旋槳的過程中，活塞給槳轂施加一定大小的推力之后，螺旋槳就被平穩(wěn)地安裝在螺旋槳軸上?；钊麑灥耐屏碜曰钊粌?nèi)高壓油對活塞的推力，油壓的大小及油壓作用面積決定了槳轂所能得到的推力。槳轂所需推力可認為是一個定值，因此油壓作用面積增大，施加的油壓就減小。油壓作用面積增大和油壓減小對最大應(yīng)力的影響是相反的：作用面積增大，活塞腔兩側(cè)剩余厚度減小，兩側(cè)就更單薄，最大應(yīng)力增大；油壓減小，最大應(yīng)力減小。

由圖7可知，隨著d/q的增大，最大應(yīng)力先減小后增大，當d/q≈0.65時，最大應(yīng)力達到最小值，這就是上述作用面積增大和油壓減小博弈的結(jié)果。0.45＜d/q＜0.75的范圍是液壓螺母設(shè)計中較為常用的，在該范圍內(nèi)最大應(yīng)力變化較小，一旦超出該范圍，最大應(yīng)力會急劇增大。

圖8為液壓螺母最大應(yīng)力隨活塞腔所處位置p/q的變化曲線。p/q越大，表明活塞腔越靠外，外側(cè)越單??；p/q越小，表明活塞腔越靠內(nèi)，內(nèi)側(cè)越單薄。隨著 p/q的增大，最大應(yīng)力先減小后增大，當 p/q≈0.5時，最大應(yīng)力達到最小值。當p/q＜0.5時，最大應(yīng)力變化趨勢不明顯；當p/q＞0.5時，最大應(yīng)力變化趨勢明顯。從另一個角度來說，當 p/q=0.5時，活塞腔位于中間位置，兩側(cè)均勻，不容易遭到破壞；一旦偏離中間位置，某一側(cè)就會比較單薄，容易遭到破壞。

圖6 液壓螺母最大應(yīng)力隨液壓螺母長度與內(nèi)徑之比L/D1的變化曲線

圖7 液壓螺母最大應(yīng)力隨活塞腔大小d/q 的變化曲線

圖9為液壓螺母最大應(yīng)力隨活塞腔深度h的變化曲線。隨著h的增大，最大應(yīng)力先減小后增大。

圖8 液壓螺母最大應(yīng)力隨活塞腔所處位置p/q的變化曲線

圖9 液壓螺母最大應(yīng)力隨活塞腔深度h的變化曲線

圖10為液壓螺母最大應(yīng)力隨液壓螺母倒角長度T的變化曲線。隨著T的增大，最大應(yīng)力變化非常小，這表明液壓螺母倒角長度對最大應(yīng)力幾乎沒有影響。

3 實例分析

圖11為某大型礦砂船（Very Large Ore Carrier，VLOC）液壓螺母在原始設(shè)計和根據(jù)影響規(guī)律進行改進設(shè)計之后的最大應(yīng)力。由于參數(shù)r對最大應(yīng)力的影響最為顯著，且該參數(shù)在設(shè)計時易于修改，因此在改進設(shè)計中，在其他參數(shù)的改進相同的情況下，參數(shù)r取3個不同的值（單位為mm）。

圖10 液壓螺母最大應(yīng)力隨液壓螺母倒角長度T的變化曲線

圖11 某型VLOC液壓螺母最大應(yīng)力計算結(jié)果

由圖11可知，根據(jù)本文得到的影響規(guī)律進行改進設(shè)計之后，該船液壓螺母的最大應(yīng)力顯著下降。

4 結(jié) 語

(1) r，D2/D1和L/D1對液壓螺母最大應(yīng)力的影響最為顯著。D2/D1和L/D1的大小主要取決于螺旋槳軸、導(dǎo)流罩等的形狀尺寸，一旦這些形狀尺寸確定，就很難通過改變D2/D1和L/D1來降低最大應(yīng)力；而r的大小便于調(diào)節(jié)，通過調(diào)整r的大小可有效降低液壓螺母最大應(yīng)力。

(2) d/q，p/q和h的增大對液壓螺母最大應(yīng)力的影響都是先減小后增大，影響較為明顯。由于本文采用的是控制變量法，因此圖7～圖9中最大應(yīng)力最小時對應(yīng)的參數(shù)值只適用于某種情況，并不是普適的。

(3) T對最大應(yīng)力幾乎沒有影響。

【 參 考 文 獻 】

[1] 季永生.螺旋槳液壓螺母設(shè)計[J].船海工程，2012, 41 (3): 82-84.

[2] 張玉峰，朱以文，丁宇明.有限元分析系統(tǒng)ABAQUS中的特征技術(shù)[J].工程圖學(xué)學(xué)報，2006 (5): 142-148.

[3] 中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范第三分冊[M].北京：人民交通育出版社，2014.

[4] 孫自力.船舶用螺旋槳原理及修理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.

[5] 符芮三.ABAQUS與PERFORM_3D在彈塑性時程分析中的應(yīng)用及對比研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.