螺旋槳液壓螺母設計

2012-01-22 11:24:58

船海工程 2012年3期

(南通中遠川崎船舶工程有限公司，江蘇南通 226005)

軸系安裝作業中，螺旋槳安裝是項重要的工作，需要花費不少工時。用于螺旋槳安裝和固定鎖緊的螺母通常有兩種形式：常規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行安裝。液壓技術的使用能減少作業工時，提高作業效率。

圖1 螺旋槳安裝和固定鎖緊示意

1 設計條件

無鍵螺旋槳的壓入有兩個限制條件：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矩時不會相互滑動脫開；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。

1.1 系數K的選擇

當螺旋槳壓入量達到最大值時，螺母能夠提供足夠大的軸向Fj：

Fj≥K×Fe

(1)

式中：Fe——螺旋槳槳轂膨脹時的收縮力；

K——系數。

液壓安裝時，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K=0.020+0.025=0.045。

該系數值可用于膨脹油泵與壓入油泵不是同一油泵的情況。如果考慮采用一臺高壓油泵同時對膨脹和壓入油管進行供油，那么需要對系數K進行增大考慮，確保軸向推力能夠大于反作用力，需要加入一個系數k，根據各船廠多年的積累經驗，系數k=1.25為宜(該數值為假定數值)，這樣就有K′=0.045×k=0.056。

這樣系數的選擇有兩種情況，即一臺油泵情況下取0.056；兩臺油泵情況下取0.045。

1.2 設計條件確立

當螺旋槳壓入量最大時，螺旋槳槳轂所產生的平均壓縮壓強通常能達到Pc=70 MPa左右,由此可以算出由于壓縮力產生的軸向力。

(2)

式中：Ac——螺旋槳槳轂內面與軸表面接觸的面積；

Aj、Pj——液壓螺母內藏千斤頂的面積和油壓。

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。

以此為設計條件，包含了膨脹油泵和壓入油泵分開情況和共用一臺泵的情況。

采用單臺泵作業方式能夠方便安裝，但是要求螺母的液壓面積較大，外徑尺寸會較大，有時不能滿足螺旋槳槳帽安裝拆卸的間隙要求。如何選擇，要考慮實際情況，對比選擇。通常在螺旋槳槳轂決定之后，首選方案為單臺泵的方案，如果受安裝限制無法實現，再考慮兩臺泵的方案。

2 液壓螺母尺寸計算

2.1 徑向尺寸

通常螺母的設計是在螺旋槳壓入計算完成之后，由螺旋槳壓入計算結果可以得出槳軸接觸面積Ac和接觸面壓Pc,按照通常計算結果Pc約為70 MPa，根據設計條件中首選一臺泵的方案，可知需要滿足Aj=0.056Ac(單臺泵考慮)，液壓螺母的工作壓力為70 MPa。

Aj=d32-d22=0.056Ac

(3)

式中：d2、d3——液壓螺母內藏千斤頂的內徑和外徑(見圖2)。

圖2 液壓螺母結構尺寸

內藏千斤頂在工作時，液壓腔內需要承受較大壓強，所以液壓腔內外壁厚度要有足夠的厚度。根據彈性力學環形結構受內外壓力時可獲得環向應力，結合廠家推薦安全系數1.3，有如下限制條件。

內環：

(4)

外環[1]：

(5)

同時需要考慮內外環與內藏千斤頂的厚度均勻性，根據廠家推薦有以下條件：

(6)

(7)

在滿足以上面積、強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。

液壓螺母內徑d1是在尾軸軸徑D和螺旋槳槳轂長度L選定之后，推算軸錐部尾端直徑d，即d=D-L/20,再由船廠建造標準根據d值選出對應螺紋通徑d1。有了d1值，可以推算出其它直徑。

2.2 徑向尺寸確認

螺旋槳螺母外徑計算只是初步探討，還需要外徑進行確認，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構示意

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留C=30 mm的間隙(該數值為假定值)，以保證槳帽的安裝和拆卸。同時槳帽的外徑不能超過槳槳轂的尾部外徑，槳帽內徑到外徑需要保證廠家標準要求。壓入計算結束后，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。螺母的外徑可能會超過這個極限，如果超過了上限值，那么就需要調整檢討，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泵的設計條件Aj≥0.056×Ac，需要考慮采用兩臺泵的考慮方法，以便減小Aj值，就有Aj=0.045Ac。

如果堅持采用一臺泵的設計方法，就需要返回到螺旋槳壓入計算，對槳轂外徑進行調整。如果加大槳轂外徑，成本會增加很多，因此，還是考慮兩臺泵的方案，即使采用等式Aj=0.045Ac，即兩臺等壓泵的方法，也不能滿足面積要求，考慮采用兩臺不等壓泵，增大壓入泵的壓強，可以采用80 MPa或者更大，可以減小壓入面積，這時螺母的內壓強度采用第二種廠家推薦公式更合理。