孫丹婷 俞翔棟 丁 蓉 何 柳

(1.中船重工第七一一所動(dòng)力裝置事業(yè)部，上海 201108；2.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 201108)

0 前言

萬(wàn)向聯(lián)軸器可為不在同一軸線上的兩軸傳遞動(dòng)力，具有較大的角度補(bǔ)償和軸向位移補(bǔ)償能力，并且結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)力傳遞效率高，已被廣泛應(yīng)用于冶金、電力、重型機(jī)械、工程運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1-2]，而萬(wàn)向聯(lián)軸器也是船舶動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的重要組成部分，除傳遞主機(jī)功率外，還能夠滿足動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)布置以及造成的大位移量要求[3-4]。

船用萬(wàn)向聯(lián)軸器主要由兩部分組成，如圖1所示，一是叉頭關(guān)節(jié)組件，包含外法蘭叉頭、內(nèi)法蘭叉頭以及十字軸承組件等零部件，能夠滿足帶角度傳動(dòng)的需求；二是軸向位移機(jī)構(gòu)，包括主軸、傳扭軸承組件以及中間滑槽等零部件，如圖2所示。其中，主軸與一端叉頭組件固連，中間滑槽與另一端叉頭組件固連，傳扭軸承固連在主軸上，能夠在中間滑槽內(nèi)沿軸向方向伸縮滾動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軸向位移補(bǔ)償能力。該形式軸向位移補(bǔ)償機(jī)構(gòu)被稱(chēng)為滾動(dòng)花鍵式，與傳統(tǒng)的滑動(dòng)花鍵式結(jié)構(gòu)相比，其滾動(dòng)摩擦力更小，可顯著降低萬(wàn)向聯(lián)軸器兩端設(shè)備的軸向附加力，滿足船舶動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的要求。

1.叉頭關(guān)節(jié)組件;2.軸向位移機(jī)構(gòu)圖1 萬(wàn)向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of universal coupling

1.主軸;2.傳扭軸承;3.中間滑槽圖2 軸向位移機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of axial displacement mechanism

對(duì)于船用重載萬(wàn)向聯(lián)軸器，國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在叉頭組件[5-8]，對(duì)于軸向位移機(jī)構(gòu)的研究相對(duì)較少。船用萬(wàn)向聯(lián)軸器通常布置于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的高速輕載端，因此軸向位移機(jī)構(gòu)多采用單排傳扭軸承式結(jié)構(gòu)，工程上一般通過(guò)增大其回轉(zhuǎn)直徑來(lái)提高承載能力，然而萬(wàn)向聯(lián)軸器尺寸又受船艙空間和載重量限制。本文基于ANSYS Workbench有限元分析軟件建立了軸向位移機(jī)構(gòu)CAE模型，針對(duì)重載工況下單排傳扭軸承結(jié)構(gòu)尺寸與承載能力矛盾的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種雙排均載傳扭軸承結(jié)構(gòu)，合理地控制了回轉(zhuǎn)直徑，并有效地提高了萬(wàn)向聯(lián)軸器的均載性能和承載力，為研制多排均載傳扭軸承式船用重載萬(wàn)向聯(lián)軸器提供了技術(shù)支持。

1 有限元分析

1.1 建立軸向位移機(jī)構(gòu)模型

單排三個(gè)傳扭軸承的軸線在同一平面上，并且呈120°均勻裝配在主軸上。中間滑槽內(nèi)部加工有與之配合的滑槽面，用以與軸承表面相接觸形成滾動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)扭矩傳遞和軸向滑移。在CAD軟件中將其他與接觸分析無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)壓縮，簡(jiǎn)化模型以提高運(yùn)算速度。

在ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行有限元分析，定義傳扭軸承與中間滑槽的接觸類(lèi)型為摩擦接觸[9-10]，設(shè)定摩擦系數(shù)且為對(duì)稱(chēng)接觸。為進(jìn)一步提高計(jì)算精度且控制總計(jì)算成本，細(xì)化了摩擦接觸面的網(wǎng)格尺寸。

圖3 軸向位移機(jī)構(gòu)CAE模型Fig.3 Finite element model of axial displacement mechanism

在中間滑槽端法蘭面設(shè)置固定約束，在主軸端法蘭面施加扭矩載荷；分析設(shè)置中打開(kāi)大變形開(kāi)關(guān)，計(jì)算結(jié)果更精確；在求解單元中利用接觸應(yīng)力工具對(duì)傳扭軸承外滾子面與中間滑槽面進(jìn)行接觸應(yīng)力分析。

1.2 多排傳扭軸承接觸強(qiáng)度有限元分析

針對(duì)于重載工況下萬(wàn)向聯(lián)軸器單排傳扭軸承強(qiáng)度不足的情況，同時(shí)受安裝空間限制，可考慮采用多排傳扭軸承式結(jié)構(gòu)來(lái)提高萬(wàn)向聯(lián)軸器的承載能力，合理地控制萬(wàn)向聯(lián)軸器的回轉(zhuǎn)直徑，本文以雙排傳扭軸承結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行說(shuō)明，如圖4所示。

圖4 雙排傳扭軸承示意圖Fig.4 Schematic diagram of double-row torsion bearings

有限元仿真分析結(jié)果表明雙排傳扭軸承結(jié)構(gòu)式萬(wàn)向聯(lián)軸器偏載現(xiàn)象明顯，由于扭矩傳遞至每排傳扭軸承的距離不同，靠近扭矩輸入端的一排承受載荷較大，約為遠(yuǎn)離扭矩輸入端一排承受載荷的2倍。

圖5 遠(yuǎn)離扭矩輸入端軸承滾子接觸應(yīng)力分布Fig.5 Contact stress distribution of bearings far away from the torque input

圖6 靠近扭矩輸入端軸承滾子接觸應(yīng)力分布Fig.6 Contact stress distribution of bearings near the torque input

用均載系數(shù)衡量多排傳扭軸承的均載性能，均載系數(shù)越接近1，均載性能越好。定義單個(gè)傳扭軸承外圈與中間滑槽接觸應(yīng)力最大應(yīng)力值為pi(i=1,2,…,6)，均載系數(shù)的計(jì)算公式為：

16kN·m和30kN·m載荷下各傳扭軸承與中間滑槽之間的接觸應(yīng)力最大值和均載系數(shù)如表1所示，則雙排傳扭軸承均載系數(shù)約為1.465。

表1 雙排傳扭軸承的均載系數(shù)Tab.1 Load-average coefficient of double-row torsion bearings

1.3 多排均載傳扭軸承接觸強(qiáng)度有限元分析

本文開(kāi)展的多排均載傳扭軸承式軸向位移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，采用一個(gè)過(guò)渡凸臺(tái)零件將傳扭軸承與主軸間接相連，如圖7所示，過(guò)渡凸臺(tái)伸出軸連接主軸傳遞其扭矩，軸承孔承接傳扭軸承并將扭矩等距地傳遞至軸承，則萬(wàn)向聯(lián)軸器扭矩傳遞至軸承的路徑等長(zhǎng)，如圖8所示。

圖7 過(guò)渡凸臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure chart of transition lug boss

圖8 雙排均載傳扭軸承式結(jié)構(gòu)扭矩傳遞路徑圖Fig.8 Torque transmission path of double-row equal-load torsion bearings

在相同載荷工況先對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的軸向位移機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，其結(jié)果如圖9、圖10所示。增加過(guò)渡凸臺(tái)之后，接觸應(yīng)力最大值在外滾子根部，接觸線上應(yīng)力分布為單調(diào)變化。

圖9 優(yōu)化后遠(yuǎn)離扭矩輸入端軸承滾子接觸應(yīng)力分布Fig.9 Contact stress distribution of optimized bearings far away from the torque input

圖10 優(yōu)化后靠近扭矩輸入端軸承滾子接觸應(yīng)力分布Fig.10 Contact stress distribution of bearings near the torque input

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的傳扭軸承與中間滑槽的接觸應(yīng)力和均載系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的均載系數(shù)約為1.116，比優(yōu)化前的均載性能提高了23.8%。

表2 帶過(guò)渡凸臺(tái)的雙排傳扭軸承的均載系數(shù)Tab.2 Load-average coefficient of double-row torsion bearings with transition lug boss

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)開(kāi)展靜扭試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)提升萬(wàn)向聯(lián)軸器均載性能的效果。

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及臺(tái)架安裝

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備包含電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器、主動(dòng)端接盤(pán)和從動(dòng)端接盤(pán)，如圖11所示。萬(wàn)向聯(lián)軸器樣機(jī)接在主動(dòng)端接盤(pán)和從動(dòng)端接盤(pán)之間。

圖11 試驗(yàn)臺(tái)架示意圖Fig.11 Schematic diagram of test bench frame

因傳扭軸承與中間滑槽的接觸區(qū)域在軸向位移機(jī)構(gòu)內(nèi)部，直接安裝傳感器勢(shì)必會(huì)在一定程度破壞萬(wàn)向聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響；而且均載系數(shù)為比值，與接觸應(yīng)力的絕對(duì)值無(wú)關(guān)，因此將應(yīng)力貼片測(cè)點(diǎn)置于中間滑槽外表面?zhèn)髋ぽS承對(duì)應(yīng)位置處，間接反映兩者的接觸應(yīng)力大小。共設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)6個(gè)軸承位置，其測(cè)點(diǎn)分布情況如圖12所示。

圖12 樣機(jī)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布Fig.12 Prototype stress measurement points distribution

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

試驗(yàn)內(nèi)容為對(duì)比結(jié)構(gòu)優(yōu)化前和優(yōu)化后的多排傳扭軸承的均載系數(shù)。

試驗(yàn)按照以下步驟進(jìn)行：

(1)將萬(wàn)向聯(lián)軸器樣機(jī)整機(jī)安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，控制安裝長(zhǎng)度，確保試驗(yàn)過(guò)程中萬(wàn)向聯(lián)軸器能軸向移動(dòng)。

(2)調(diào)試試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的參數(shù)。

(3)確認(rèn)電機(jī)打開(kāi)，使萬(wàn)向聯(lián)軸器按6 °/min～7 °/min的扭轉(zhuǎn)速度進(jìn)行試驗(yàn)。萬(wàn)向聯(lián)軸器輸入扭矩按照梯形曲線加載，扭矩值按照4 kN·m、8 kN·m、12 kN·m、16 kN·m、20 kN·m、24 kN·m、30 kN·m逐步增加，保證金屬件線性穩(wěn)定變形，每組加載總時(shí)長(zhǎng)為40 s～50 s，其中扭矩值恒定加載時(shí)間約為20 s。

(4)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存應(yīng)力數(shù)據(jù)并形成曲線。

(5)整理數(shù)據(jù)，形成結(jié)論。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可自動(dòng)將傳感器測(cè)量出的應(yīng)變值計(jì)算轉(zhuǎn)化為應(yīng)力值，并繪制出每個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線，如圖13所示，每個(gè)扭矩工況下，取水平趨勢(shì)線中一點(diǎn)作為該測(cè)點(diǎn)該工況下的應(yīng)力值。

圖13 單個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線圖Fig.13 Stress curve of single measurement point

則優(yōu)化前與優(yōu)化后的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值與均載系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的雙排傳扭軸承均載系數(shù)約為1.469，優(yōu)化后的均載系數(shù)約為1.035，均載性能提升了約29.5%。此數(shù)值高于仿真分析的23.8%，原因在于仿真分析中，為保證扭矩傳遞路徑等長(zhǎng)將過(guò)渡凸臺(tái)作為剛性體處理，而實(shí)際金屬件為彈性體，能發(fā)揮彈性補(bǔ)償作用，有利于進(jìn)一步提高萬(wàn)向聯(lián)軸器的均載性能。

表3 基于試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的均載系數(shù)Tab.3 Load average coefficient based on the test results

3 結(jié)論

(1)針對(duì)于重載工況下萬(wàn)向聯(lián)軸器單排傳扭軸承強(qiáng)度不足的情況，提出了一種多排傳扭軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，通過(guò)有限元仿真分析，揭示了多排傳扭軸承出現(xiàn)偏載現(xiàn)象的原因，即扭矩載荷傳遞至軸承的路徑長(zhǎng)度越短，此排傳扭軸承承受載荷越大。

(2)首次提出一種多排均載傳扭軸承式萬(wàn)向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。仿真結(jié)果表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能夠明顯改善偏載現(xiàn)象，能夠提升萬(wàn)向聯(lián)軸器的均載性能至少20%。

(3)通過(guò)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證了多排均載傳扭軸承式結(jié)構(gòu)能夠提升萬(wàn)向聯(lián)軸器的均載性能約30%，對(duì)于重載艦用萬(wàn)向聯(lián)軸器的研制具有一定的指導(dǎo)意義。