船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器結構特征與運動規律

崔向海，王珂，曾燦飛

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090；2.91184 部隊，山東 青島 266000）

在船舶的運輸過程中，經常會出現由于受到外力的作用，使船體發生各種各樣的變化，從而導致尾軸中心線出現偏差的狀況。軸線的偏差不僅會增大軸與軸承之間的磨損，在磨損情況下會造成全船的振動以及出現噪音。此外，萬向聯軸器撓性可以產生相應的軸線自動對中的效果，能夠起到一定的減振作用，能夠很大程度上改善船舶的振動和噪音，因此，目前很多船舶都采用了萬向聯軸器，并且萬向聯軸器在減振方面也取得了良好的效果。十字軸可伸縮式的萬向聯軸器一般用于連接軸線相交的兩軸以傳遞運動，并且能夠在兩軸線的夾角發生變化時，傳遞扭距，從而保證所連接的兩軸能夠連續回轉。

1 萬向聯軸器的結構特點分析

船舶行業在工業生產中大多要面臨著非常嚴峻的航海環境，因此對于萬向聯軸器的制作和要求都有著嚴格的要求，否則一旦出現安全性問題，那么可能會給船舶上的人們造成嚴重的損失。因此如何對船用的十字軸可伸縮式萬向聯軸器進行性能的提升，將是保證船舶航海安全的重要方法之一。因此本文要對船用的十字軸可伸縮式萬向聯軸器進行結構特征和運動規律的探討，經過本文對于萬向聯軸器的分析發現目前船用的十字軸可伸縮式的萬向聯軸器在結構組成往往具有如下特點。

首先，船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器有兩個十字軸承組件和中間的軸向移補償機構組成。主要零件有十字軸以及傳扭軸承。主軸的角速度和角加速度往往會做周期性的變化，因此，如果角速度和軸間夾角變化較大時，會使主軸的加速度過大，從而產生慣性的力，引起了扭轉振動。并且軸線之間的夾角越大，那么所引起的扭轉振動就會越大，并且主軸的性能也會直接影響到萬向聯軸器能否進行正常的工作，所以必須要對萬向聯軸器進行動力學的仿真分析，這樣才有利于船用十字軸可伸縮式的萬向聯軸器更好地為船舶進行工作，從而減少震動。其結構如圖1 所示。

從萬向聯軸器機構簡圖來進行分析， 十字軸萬向聯軸器主動軸轉角φ1、主軸轉角φ1 和從動軸轉角φ3 存在一定的關聯性。其關聯性可以通過以下公式來體現：

圖1 船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器

在上述幾組公式中， 1α代表的是主動軸與主軸所表現出的夾角， 3α則代表的是主軸與從動軸所表現出的夾角。

因此，可以獲得主動軸與主軸的角度關系，如下式所示：

通過兩者之間的關系分析后可以發現，若角速度ω1與軸間夾角 1α呈現為較大角度時，則會導致主軸角加速度更強，從而會形成相應的慣性力偶矩。在這樣的情況下，會進一步加大附加動載荷，導致扭轉振動。同時，軸線間夾角也會表現為更大，導致扭轉振動愈大。主軸所呈現出的動態性能，在一定程度上對于萬向聯軸器運行起到決定性作用。所以，需要針對萬向聯軸器開展動力學仿真試驗。

2 船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器的動力學仿真分析

為了能夠系列的研究船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器在運動中的各項規律。那么就要對船用十字軸可伸縮式的萬向聯軸器進行在運動過程中各項數據的分析。但是由于在實際的萬向聯軸器運作時，不方便對各種數據進行提取。因此，在基于安全考量的要求下，本文通過采用相關的聯軸器進行動力學的仿真分析，并且具體操作要求如下所示。

2.1 構建三維實體模型

結合AutoCAD 設計圖紙及有關的幾何參數，借助PRO/E軟件可以構建萬向聯軸器和減速齒輪箱的三維實體模型，如圖2 所示。

圖2 萬向聯軸器三維實體模型

2.2 施加船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器一定的驅動和載荷

在實際工作中通過輸入軸連接，能夠使萬向聯軸器受到柴油機的驅動而進行勻速轉動，并且可以根據萬向聯軸器的工作狀態計算一定的轉速，所以為了能夠進一步的對萬向聯軸器進行仿真分析，需要根據萬向聯軸器的工作狀態施加一定的載荷，這樣才能夠使其旋轉方向與轉速相反。因此本文想要通過對動力學進行仿真分析，首先施加了船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器一定的驅動和載荷，讓萬向聯軸器處于正確的工作狀態下，再進行各項參數的分析。

2.3 施加船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器參數設置

為了能夠合理對船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器進行動力學仿真分析，必須要結合實際的運行情況，設定相應的參考（如表1，表2 所示）。

表1 萬向聯軸器的主要參數

表2 減速齒輪箱的主要參數

3 船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器的仿真分析結果

為了能夠研究船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器的運動規律，本文通過設定參數和負荷的方式讓萬向聯軸器處在工作過程中，并對各種參數進行分析。

3.1 船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器的轉速仿真分析

通過對萬向聯軸器中的主動軸進行變化仿真。經過分析得知在接觸碰撞之后各軸的轉速在剛開始時會有較大的波動，但是隨著聯軸器的不斷運轉。各軸的轉速變化規律會趨于穩定的狀態，但是在萬向聯軸器的過程中發現轉速越多，那么所帶動的軸轉動也就會越大，因此也就會在一定程度上產生些許的噪音。可以說，船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器的轉速，主要是產生噪音的來源。

3.2 船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器的角加速度仿真分析

通過構建模型參數，對船用十字軸可伸縮式的萬向聯軸器進行角加速度的仿真分析，發現萬向聯軸器每個軸的角加速度變化是穩定的，但是隨著機構的運轉，對于整個機構運作的影響微乎其微。因此，角加速度對于萬向聯軸器的正確運行影響并不大。但是十字軸可伸縮式的萬向聯軸器的角加速度也是在不斷微小變化中的，雖然變化幅度不大，相對于來說趨于穩定。為了能夠進一步提升萬向聯軸器的應用安全性，還需要不斷的改進。

3.3 船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器的慣性力偶矩仿真分析

通過所建立的模型參數，發現了船用十字軸可伸縮式完全聯軸器在運動過程中的慣性力偶矩也會出現相應的變化。在萬向聯軸器運行時，由于主軸會發生不均勻的轉動，因此也會產生較大的慣性力。慣性力有句很可能在運行過程中引起軸系的扭轉振動。

3.4 船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器的軸差處受力仿真分析

在船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器轉動時，由于四個軸叉之間的受力情況往往是比較接近的，因此，就從動軸叉頭和十字軸連接處的受力隨機構的運轉，進行變化規律的分析，發現軸差處的受力先呈現遞增，隨后又縮減的均勻變化。軸差處的受力發生變化，會在一定程度上磨損軸差處的各項材料，久而久之不利于軸差處的穩定性。

3.5 減速齒輪箱的大齒輪軸承受力變化規律分析

減速齒輪箱中大齒輪軸通常是由兩個軸承組成，其為輸入端軸承和輸出端軸承。齒輪箱看的兩個軸承在運行過程中，每旋轉一周所受力的最大值，會隨著夾角變化而出一定的規律。如果大齒輪軸在沒有掛重情況下，其會隨著萬向聯軸器折角的增加而讓軸承的受力則增大，所表現出的極值了會更大。

3.6 萬向聯軸器法蘭叉頭結構強度仿真分析

萬向聯軸器的叉頭型線十分復雜，現有的設計大部分是建立在傳統經驗公式基礎上的，為進一步分析法蘭叉頭的結構強度，需要借助于有限元等先進分析手段。根據叉頭的受力和約束情況，在十字軸裝配孔表面施加扭矩載荷，并將法蘭面設定為固定約束，建立分析任務。求得法蘭叉頭的應力云圖如圖3 所示。

圖3 法蘭叉頭應力云圖

由圖3 可見，最大應力發生在法蘭叉頭的叉耳根部，與法蘭叉頭的實際破壞情況相同，由此證實了分析的準確性。

4 試驗驗證

基于本文的研究成果，研制了某型萬向聯軸器，最大轉矩為190kNm，許用轉速為1250r/min，單關節角度補償為3°，回轉直徑為390mm，聯軸器長度為1900mm。對此，搭建了萬向聯軸器性能試驗臺并開展了性能試驗，如圖4 所示。

試驗過程中，萬向聯軸器軸承溫度穩定，運行平穩無異響，驗證了該型萬向聯軸器運行穩定可靠，滿足技術指標要求。

5 結語

圖4 萬向聯軸器性能試驗

目前船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器在使用過程中一旦出現異常現象就必須要及時停機檢查，研究人員要對船用十字軸可伸縮式萬向聯軸器的結構特征和運動規律進行進一步分析，以便于萬向聯軸器能夠更好的為船舶服務，提高船舶運行的安全性。