法蘭式液壓聯軸器抗沖擊性能分析

吳　暉，周少偉

(1．海軍駐第七○一研究所軍事代表室，湖北武漢430064; 2．華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074; 3．中國船舶研究設計中心，湖北武漢430064)

法蘭式液壓聯軸器抗沖擊性能分析

吳暉1，2，周少偉3

(1．海軍駐第七○一研究所軍事代表室，湖北武漢430064; 2．華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢430074; 3．中國船舶研究設計中心，湖北武漢430064)

摘要:法蘭式液壓聯軸器作為船舶動力傳遞的關鍵部件，在造船工業中得到了越來越廣泛的應用，但目前對其抗沖擊特性研究較少。本文基于非線性接觸理論，建立某法蘭式液壓聯軸器接觸模型，獲得最大負載工況下聯軸器各部件的應力分布。在此基礎上，基于現代沖擊理論，分別采用頻域法和時域法進行抗沖擊特性分析。計算得到液壓聯軸器在沖擊載荷作用下的應力分布，為艦載設備抗沖擊性能評估和設計提供依據。研究結果表明，該型液壓聯軸器符合抗沖擊性能要求。

關鍵詞:法蘭式液壓聯軸器;接觸應力;抗沖擊;頻域;時域

Analysis of the anti-shock performance for flanged hydraulic coupling

WU Hui1，2，ZHOU Shao-wei3
(1．Military Representative Office in the 701 Institute，Wuhan 430064，China;2．School of Naval Archetecture and Ocean Engieering，Huazhong University and Technology，Wuhan 430074，China; 3．China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

Abstract:Flanged hydraulic couplingis an important junction and is being widely used in modem naval shaftingsystem．However，few researches have been studied on its anti-shock performance．Based on nonlinear contact theory，a finite element model of a flanged hydraulic coupling was built in this paper．The distribution of the contact stress was obtained in the working condition of maximum load．Furthermore，based on modern impact theory，its anti-shock performance was studied in both frequency and time domain withthe consideration of the contact stress．The stress was obtained from the anti-shock simulation which could be useful for anti-shock design and evaluation．The results indicated that the design of flanged hydraulic coupling met the requirement of anti-shock．

Key words:flanged hydraulic coupling; contact stress; anti－shock; frequency domain;time domain

0　引言

現代艦船在海戰中必然面臨各種爆炸引起的沖擊載荷。隨著導彈、激光炸彈以及水中兵器的發展，爆炸當量和沖擊持續時間明顯增加。精確制導技術的應用大大提高了武器命中率，使艦船面臨的沖擊環境進一步惡化［1］。在沖擊環境下艦載設備可能由于無法承受大的加速度和位移而遭到破壞，從而導致艦船機動性、戰斗力的喪失，陷于被動局面。因此，提高艦載設備的抗沖擊能力對提高艦船生命力和戰斗力具有重大意義［2－3］。法蘭式液壓聯軸器是艦船動力傳遞的關鍵部件，在艦船設備中占有重要地位，在沖擊安全級別中屬A級(最高級)設備。因此，開展艦用法蘭式液壓聯軸器抗沖擊性能研究，對提高艦船生命力和戰斗力都具有非常重要的意義。

1　液壓聯軸器工作原理

法蘭式液壓聯軸器可避免因采用鍵槽而對軸系強度產生的削弱作用，具有傳遞扭矩大、對中性好等優點，在艦船推進系統中得到越來越廣泛地應用。

常用液壓聯軸器一般分為套筒式和法蘭式，其工作原理基本相同。液壓聯軸器的核心部件由2個鋼制套管組成，如圖1所示。內套外表面和外套內表面具有相同的錐度。液壓聯軸器安裝時利用徑向油壓，使外套和內套均產生彈性變形(外套擴大，內套收縮)。在軸向油壓推動下，外套逐漸向錐面大端移動。當外套到達設計位置后，釋放徑向油壓，由于內/外套間的過盈配合致使外套、內套和傳動軸相互抱緊。工作時依靠聯軸器內/外套以及傳動軸三者配合面間的摩擦力傳遞動力軸的輸出扭矩與推力。

圖1　液壓聯軸器結構組成剖視圖Fig.1　Sectional view of the hydraulic coupling

2　抗沖擊分析理論基礎

2.1頻域分析法

頻域分析法是將設計沖擊譜作為系統的沖擊輸入。通過對系統數學模型模態分析、模態分析結果合成，從而求得系統的沖擊響應［4］。動態設計分析法是常用的頻域分析法。設計沖擊譜隨艦艇類型、設備安裝位置以及設備各級模態質量的不同而不同［5］。艦用液壓聯軸器屬于A類設備，計算公為

式中: A0為加速度，m/s2; V0為速度，m/s; ma為模態質量，t。

根據文獻［5］，采用NRL方法進行模態合成，如式(3)所示。

式中: xib為任一階模態的最大響應; xia為對應a階模態的響應; xi為合成后的響應。

根據文獻［5］，頻域抗沖擊分析需對液壓聯軸器各部件的綜合應力進行抗沖擊性能校核，即將沖擊模型計算得到的最大沖擊應力與工作載荷作用下的最大工作應力進行絕對值相加，如下式:

式中:σ為綜合應力;σdyn為沖擊載荷下的最大沖擊應力;σ0為最大負載工況下的最大工作應力。

液壓聯軸器由于過盈配合產生的接觸應力以及傳遞扭矩與推力產生的應力均為連續工作應力，故頻域法最終計算結果應包含上述應力值。

2.2時域分析法

DDAM法最大優點是節約計算資源，但也存在不足，如不能考慮阻尼效應、不能考慮非線性效應和間隙效應等。時域分析法是目前國內外廣泛用于評價抗沖擊性能的另一種計算方法。該方法采用實測的時間歷程曲線或標準基礎輸入時程曲線作為設備的沖擊輸入載荷，對設備進行瞬態動響應分析。時域分析法可以對各種非線性因素進行精確仿真。本文采用德軍標BV043/85中規定的雙三角加速度時間歷程曲線作為時域沖擊載荷譜(見圖2)。

圖2　雙三角形時域曲線Fig.2　Double triangle curve on time domain

表1　BV043/85抗沖擊譜Tab.1 Shock spectrum of BV043/85

2)對于設備質量大于5 t的隔離系統，沖擊譜速度和加速度需要進行折減，折減公式為:

式中: m為隔離安裝的設備質量，t; m0為質量常數，恒等于5 t; A為折減后的加速度譜值，g; V為折減后的速度譜值，m/s。

計算輸入載荷依據表1和圖2來確定，圖2中參數計算方法為:

3　數值建模

3.1接觸應力分析數值建模

裝配完成后的法蘭式液壓聯軸器接觸分析模型如圖3所示。聯軸器外套與內套存在過盈配合，內套與傳動軸之間形成接觸配合。在上述配合面間建立接觸關系，并通過接觸面間的幾何過盈量來模擬接觸面間的過盈配合。

施加邊界時，連接法蘭端面固支。同時，定義一個參考點，并傳動軸端面建立耦合關系。通過在參考點施加最大工作扭矩和推力來模擬傳動軸所傳遞的最大負載。

圖3　液壓聯軸器接觸分析網格模型Fig.3　Mesh model of hydraulic coupling contact analysis

3.2抗沖擊分析數值建模

法蘭式液壓聯軸器抗沖擊模型包括傳動軸、連接軸、法蘭式液壓聯軸器及液壓螺栓(液壓螺栓設計原理同液壓聯軸器相似，由套筒、螺桿、螺母等主要部件組成，本模型中共含15個液壓螺栓)，如圖4所示。液壓聯軸器與連接軸連接，在傳動軸及連接軸兩外端面施加固支約束。沖擊載荷經支承軸承從2根軸的外端面輸入。

抗沖擊計算頻域法與時域法的網格模型相同，但接觸面間的接觸關系及邊界條件有所不同。主要區別如下:

1)由于DDAM法不能考慮非線性因素，因此，采用DDAM法時聯軸器內套與傳動軸、聯軸器內套與外套、液壓螺栓套筒與螺桿、液壓螺栓套筒與螺栓孔等接觸面之間的關系均采用Tie綁定關系。

2)采用時域法建模時同樣固支傳動軸及連接軸外側端面，三角沖擊波施加在2根軸外端面上。為了精確計算聯軸器抗沖擊響應，并減少計算規模，聯軸器外套、內套與傳動軸三者間的接觸面采用Contact接觸定義，其余接觸面采用Tie綁定連接。在2根軸的外端面施加某方向沖擊載荷譜時，需先解除該沖擊方向的固定約束。

3.3材料屬性

本文以某艦船用法蘭式液壓聯軸器為分析對象，對其最大負載工況下的接觸應力及抗沖擊性能進行研究。液壓聯軸器各部件及軸段材料屬性如表2所示。最大負載工況下推進軸系所傳遞的扭矩為3 600 kN·m，推力為1 700 kN。

表2　各部件材料屬性Tab.2　Material properties of each component

對液壓聯軸器而言，各接觸面間的摩擦系數將對其性能產生很大的影響作用。通過試件測試獲得不同接觸面間的摩擦系數值，如表3所示。

表3　接觸面摩擦系數Tab.3　Friction coefficient of contact surface

4　計算結果分析

4.1接觸應力計算結果

最大負載工況下，液壓聯軸器工作應力仿真計

算結果如圖5～圖6所示。從計算結果分析可知，整個結構最大應力出現在內外套接觸邊緣。外套最大值為648.6 MPa，內套為333.5 MPa。液壓聯軸器所有零件應力均小于材料屈服極限，說明該液壓聯軸器能承受推進軸系的最大負載。

圖5　最大負載工況下外套應力分布云圖Fig.5　Jacket stress contours at maximum load conditions

圖6　最大負載工況下內套應力分布云圖Fig.6　Inner jacket stress contours at maximum load conditions

圖7　垂向沖擊外套應力分布云圖Fig.7　Jacket stress contours upon vertical shock

圖8　垂向沖擊內套應力分布云圖Fig.8　Inner jacket stress contours upon vertical shock

表4　垂向沖擊時聯軸器各部件綜合應力值Tab.4　Mises stress of each components of hydraulic coupling upon vertical shock

依據文獻［5］規定，抗沖擊分析綜合應力應小于材料屈服強度，故聯軸器內/外套均符合抗沖擊要求。

4.3時域法計算結果

在時域分析模型中，通過定義分析步，首先對液壓聯軸器進行最大負載工況下的受力分析，獲得聯軸器工作應力分布。在此基礎上，再根據輸入的時域沖擊載荷進行動力學響應分析。最終所得到的計算結果即為沖擊應力與工作應力的綜合應力。

時域法計算結果如圖9和圖10所示。聯軸器外套和內套最大應力點在整個計算時間歷程內的應力變化時程圖如圖11和圖12所示。從圖中可知，聯軸器外套與內套最大應力分別為738.76 MPa和370.10 MPa，出現在0.604 ms和10.863 ms時刻，均未超出材料屈服強度，符合抗沖擊要求。

圖9　外套應力分布(0.604 ms)Fig.9　Jacket stress contours (0.604 ms)

圖10　內套應力分布(10.863 ms)Fig.10　Inner jacket stress contours (10.863 ms)

圖11　聯軸器外套最大應力點應力時歷曲線Fig.11　The time history plot of the maximum stress point's stress on jacket

圖12　聯軸器內套應力最大點應力時歷曲線Fig.12　The time history plot of the maximum stress point's stress on inner jacket

5　結語

本文基于非線性接觸理論，建立了液壓聯軸器接觸模型，獲得了最大負載工況下的聯軸器內/外套應力分布。基于現代沖擊理論，建立了液壓聯軸器抗沖擊分析模型，分別對某型法蘭式液壓聯軸器進行了頻域和時域抗沖擊性能仿真計算。通過對數值計算結果分析得出以下結論:

1)通過對最大負載工況下的應力分析，發現在液壓聯軸器內外套接觸邊緣即外套尖角處出現最大應力，產生應力集中。這是聯軸器的薄弱環節，在設計過程中應采取相應措施加以避免。

2)分別采用頻域和時域法對聯軸器進行抗沖擊分析。計算結果表明，該型聯軸器符合抗沖擊性能要求。

3)通過對聯軸器內/外套相同節點應力值的對比發現，2種方法計算結果比較接近。這樣也達到了相互驗證的作用，證明計算結果可信。

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作者簡介:吳暉(1979－)，男，工程師，從事專業艦船設計。

收稿日期:2015－01－22;修回日期: 2015－03－16

文章編號:1672－7649(2015) 07－0038－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.009

中圖分類號:U664．21

文獻標識碼:A