基于有限元及試驗(yàn)對(duì)舵系無(wú)鍵連接的可靠性分析

王鳳良張育增吳朋朋

（1.海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 上海200129；2.無(wú)錫德林船舶設(shè)備有限公司 無(wú)錫214191；3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 沈陽(yáng)110870）

基于有限元及試驗(yàn)對(duì)舵系無(wú)鍵連接的可靠性分析

王鳳良1張育增2，3吳朋朋2

（1.海軍駐滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司軍事代表室 上海200129；2.無(wú)錫德林船舶設(shè)備有限公司 無(wú)錫214191；3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院 沈陽(yáng)110870）

［摘 要］以舵系的實(shí)際工況和參數(shù)為依據(jù)，采用無(wú)鍵連接的方式來(lái)優(yōu)化舵系的連接，并利用有限元分析舵系新型無(wú)鍵連接的可靠性，通過(guò)有限元計(jì)算在不同工況下無(wú)鍵連接方式的應(yīng)變及應(yīng)力的分布初步驗(yàn)證了該連接方式的可靠性；同時(shí)以舵系實(shí)際工況的彎矩、扭矩和過(guò)載為依據(jù)建立了舵系無(wú)鍵連接的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證有限元分析的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果表明：通過(guò)液壓螺母在舵系上形成的預(yù)加載荷使舵柄和舵桿之間產(chǎn)生適當(dāng)?shù)撵o摩擦力，該靜摩擦力可以提供舵系所需要的彎矩、扭矩并能夠保證超載條件下舵系工作狀態(tài)的穩(wěn)定性及可靠性。

［關(guān)鍵詞］無(wú)鍵連接；舵系；有限元；可靠性； 液壓螺母

引 言

舵系是確保船舶航行、離靠碼頭或指定就位等方面安全性的重要設(shè)備，其可靠性是由舵桿和舵柄、舵葉等相互作用運(yùn)動(dòng)部件的連接方式來(lái)決定的。長(zhǎng)期以來(lái)，舵桿和舵柄、舵桿和舵葉的聯(lián)接是在舵桿上安裝一個(gè)或幾個(gè)鍵來(lái)完成，舵桿扭矩依靠舵桿錐體部分的磨擦力和鍵的剪切力來(lái)傳遞［1-2］。隨著造船工業(yè)的發(fā)展和制造工藝水平的提高以及要求船舶建造周期的縮短，現(xiàn)在已有少數(shù)船廠采用舵桿和舵柄、舵桿和舵葉之間的液壓無(wú)鍵聯(lián)接工藝［3-4］。舵柄和舵桿無(wú)鍵錐形連接方式主要是由舵柄、舵桿、液壓螺母、舵柄、保險(xiǎn)塊等組成。其工作原理是：利用舵葉連接體、舵桿之間的相同錐面，注入徑向的高壓油，使舵柄擴(kuò)張產(chǎn)生彈性變形；同時(shí)注入軸向的高壓油，使舵柄逐漸向舵桿錐體大端移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)計(jì)值后，釋放結(jié)合面之間的高壓液體，因金屬?gòu)椥宰冃蔚淖饔檬苟姹o緊地抱緊在舵桿錐體上，從而兩者形成一個(gè)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，利用結(jié)合面之間的靜摩擦力來(lái)傳遞舵扭矩的整體。

舵桿與舵葉、舵柄使用液壓無(wú)鍵連接的工藝有以下優(yōu)點(diǎn)［5-6］：摒棄了傳統(tǒng)在舵葉、舵柄內(nèi)孔及舵桿上開(kāi)鍵槽、配鍵裝配工藝，消除聯(lián)接件鍵槽四周局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，從而改善受力情況。由于省去了連接鍵，使舵葉、舵柄和舵桿的機(jī)加工更為簡(jiǎn)單，拆裝維修更為簡(jiǎn)易方便；由于液壓無(wú)鍵連接是一種無(wú)鍵過(guò)盈配合，可以避免舵桿扭曲及舵機(jī)損壞，或使損壞程度降低以便于修復(fù)。對(duì)這種無(wú)鍵連接的有限元分析及試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可靠性的工作很少報(bào)道，嚴(yán)重限制了這種連接方式的推廣和應(yīng)用。為了對(duì)無(wú)鍵連接進(jìn)行優(yōu)化并驗(yàn)證其可靠性，本文以舵系的幾種工況和參數(shù)為依據(jù)，利用有限元分析在不同工況下無(wú)鍵連接的應(yīng)變及應(yīng)力的分布初步驗(yàn)證該連接方式的可靠性；同時(shí)以舵系在不同工況下的彎矩、扭矩和過(guò)載為依據(jù)，建立了舵系無(wú)鍵連接的試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證有限元分析的結(jié)果。通過(guò)可靠性試驗(yàn)最終驗(yàn)證了該連接方式可以提供舵系所需要的彎矩、扭矩并能夠保證超載條件下舵系工作狀態(tài)的穩(wěn)定性及可靠性。

1 有限元分析

在“Solidworks 2012”軟件完成相關(guān)的建模和簡(jiǎn)化后，將相關(guān)的舵柄、舵桿零件簡(jiǎn)化后，轉(zhuǎn)換成Parasolid.x_t格式的文件導(dǎo)入到“Ansys 14.0”軟件中的workbench中，對(duì)零件進(jìn)行相關(guān)的有限元計(jì)算。本次有限元分析為對(duì)舵桿與舵柄的應(yīng)力和應(yīng)變的初步判斷和驗(yàn)證，除有限元模型中指明的接觸條件、約束條件以及載荷條件外，其余相關(guān)設(shè)置均采用“Ansys 14.0”版本默認(rèn)值。本次分析由于舵葉與舵桿的工況沒(méi)有舵桿與舵柄的工況復(fù)雜，當(dāng)無(wú)鍵連接的可靠性在舵桿與舵柄的工況下滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，就可以證明舵葉與舵桿的工況同樣符合設(shè)計(jì)要求，因此省略了舵桿與舵葉的有限元計(jì)算及其相關(guān)的可靠性試驗(yàn)分析。

1.1 在“Solidworks 2012”軟件中建模并簡(jiǎn)化

在分析中，將非關(guān)鍵因素去掉可有效提高分析質(zhì)量，同時(shí)提高分析效率，并突出要分析的主要內(nèi)容［7-8］。圖1是“Solidworks 2012”軟件中建立的舵桿的三維模型，在實(shí)際分析時(shí)去掉連接部分復(fù)雜的花鍵連接機(jī)構(gòu)，得到的模型如圖2所示。

圖1 “Solidworks 2012”軟件建立舵桿三維模型

圖2 簡(jiǎn)化后的模型

下頁(yè)圖3是“Solidworks 2012”軟件中建立的舵柄三維模型，在實(shí)際分析時(shí)將用于固定和加載的部分去掉可簡(jiǎn)化模型，簡(jiǎn)化后的模型如下頁(yè)圖4所示。

圖3 Solidworks2012建立舵柄三維模型

圖4 舵柄簡(jiǎn)化后的模型

經(jīng)過(guò)這樣的簡(jiǎn)化可以在不影響實(shí)際工況的情況下，使劃分網(wǎng)格時(shí)具有很好的對(duì)稱性能，從而提高計(jì)算效率和準(zhǔn)確度。舵桿和舵柄的模型中的錐度都采用1∶15的錐度。高度600 mm，直徑大端為320 mm、小端為280 mm。

1.2 導(dǎo)入“Ansys 14.0” 并進(jìn)行網(wǎng)格化

導(dǎo)入的模型在“Ansys Workbench”中進(jìn)行裝配，裝配的關(guān)系和截面尺寸如圖5所示。

圖5 舵桿與舵柄裝配的關(guān)系和截面尺寸

有限元模型使用“Ansys Meshing”生成，鑒于此模型包含非線性接觸，舵桿與舵柄兩個(gè)零件采用三維八節(jié)點(diǎn)的一階六面體單元“Solid 185”來(lái)離散；兩個(gè)零件的接觸對(duì)上采用三維八節(jié)點(diǎn)的二階四邊形接觸對(duì)單元“Conta 174”與“Targe170”覆蓋在接觸區(qū)域內(nèi)。此外，還有一些“Surf 154”單元構(gòu)建在一些面上，用于某些載荷或施加約束。以上單元類型的選擇及網(wǎng)格劃分過(guò)程由“Ansys Workbench”自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)計(jì)算域包含單元數(shù)20933個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)23320個(gè)。最終的有限元網(wǎng)格化模型如圖6所示。

圖6 舵桿與舵柄有限元網(wǎng)格化模型

1.3 加載與約束設(shè)置

以實(shí)際工況為依據(jù)建立舵桿、舵柄裝配包含的三種載荷，依次在三個(gè)載荷步內(nèi)施加載荷，具體載荷步、時(shí)間步、載荷情況、約束情況如下頁(yè)表1所示。

表1中舵桿和舵柄的載荷邊界條件設(shè)置可參考下頁(yè)圖7。

1.4 有限元結(jié)果分析

首先分別查看三個(gè)載荷步驟結(jié)束時(shí)刻的應(yīng)力狀況。由于舵桿和舵柄屬于延性材料，故取等效應(yīng)力結(jié)果，載荷步驟1產(chǎn)生的應(yīng)力如圖8所示；載荷步驟2產(chǎn)生的應(yīng)力如圖9所示；載荷步驟3產(chǎn)生的應(yīng)力如圖10所示。等效應(yīng)力結(jié)果顯示表明，整個(gè)工況過(guò)程中，材料沒(méi)有出現(xiàn)非線性行為，舵桿的最大等效應(yīng)力值為313.18 MPa，遠(yuǎn)小于材料許用的拉伸屈服強(qiáng)度835 MPa；舵柄的最大等效應(yīng)力值為179.8 MPa，小于材料許用的拉伸屈服強(qiáng)度230 MPa。再查看三個(gè)載荷步結(jié)束時(shí)刻的位移狀況，如下頁(yè)圖11所示。由圖可以看到：上述接觸計(jì)算結(jié)果，接觸對(duì)中的兩個(gè)面之間發(fā)生了少量的（最大1.707 8 mm）相對(duì)彈性變形，其接觸間的等效剪應(yīng)力最大為68.659 MPa，也遠(yuǎn)小于材料本身的屈服強(qiáng)度。材料沒(méi)有發(fā)生塑性變形，滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 加載步驟與約束設(shè)置

圖7 舵桿與舵柄載荷的邊界條件

圖8 載荷步驟1 等效應(yīng)力分布

圖9 載荷步驟2 等效應(yīng)力分布

圖10 載荷步驟3 等效應(yīng)力分布

圖11 載荷步驟3 位移分布

2 可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證

在試驗(yàn)前設(shè)計(jì)并制造舵系裝置液壓無(wú)鍵錐體連接試驗(yàn)平臺(tái)、分析試驗(yàn)方案、試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析等內(nèi)容，并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后舵柄和舵桿拆檢的檢測(cè)項(xiàng)目及詳細(xì)要求進(jìn)行規(guī)定。

2.1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)平臺(tái)及其安裝

舵系裝置液壓無(wú)鍵錐體連接試驗(yàn)平臺(tái)引用的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和文件有：鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范（2012及其后修改通報(bào)）、船舶與海上設(shè)施法定檢驗(yàn)規(guī)則（2004及其后修改通報(bào)）、船用舾裝件精度（CB/T3324-1995）、舵系統(tǒng)安裝與效用試驗(yàn)要求CB/T3623-94 、中國(guó)造船質(zhì)量標(biāo)（CB/T4000-2005）、 液壓舵機(jī)試驗(yàn)方法（CB/T 3130-1998）。依據(jù)上述規(guī)范并根據(jù)舵系的實(shí)際工況設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)的裝配圖如圖12所示，實(shí)物圖如圖13所示。

圖12 舵桿、舵柄無(wú)鍵連接試驗(yàn)臺(tái)裝配總圖

圖13 舵桿、舵柄無(wú)鍵連接試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

具體安裝過(guò)程是：將液壓泵接到舵柄上，同時(shí)對(duì)液壓螺母施加一定的預(yù)緊力，預(yù)緊力的大小取液壓螺母額定壓力的10%（約4.0 ～5.0 MPa），檢查舵桿是否處在0位。施壓前應(yīng)排空液壓螺母和舵柄內(nèi)的空氣，在舵桿下端面安裝一磁力座千分表測(cè)量位移（見(jiàn)下頁(yè)圖14）。操作舵柄上的手搖泵，增加工作壓力的10%，使舵柄膨脹。停止增壓，并記錄徑向和軸向壓力。按照上述操作持續(xù)增加舵柄和液壓螺母的壓力，至千分表顯示3 mm，記錄壓力。只要在允許的徑向壓力范圍之內(nèi)，最終推入量可以適當(dāng)增加，但最大推入量不能超過(guò)所計(jì)算的理論最大推入量。記錄最終推入量和徑向，一旦滿足推入量要求，即釋放徑向壓力，拆下連接體上的泵。舵柄與舵桿無(wú)鍵連接壓裝過(guò)程完畢，再將壓裝好的舵桿與舵柄連接體裝配到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，為可靠性試驗(yàn)做好準(zhǔn)備。

圖14 舵桿與舵柄安裝示意圖

2.2 試驗(yàn)方案

無(wú)鍵連接試驗(yàn)方案包括：試驗(yàn)前完整性檢查、空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、超載試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)。其中負(fù)載試驗(yàn)的步驟：調(diào)整加載系統(tǒng)，使無(wú)鍵錐體連接裝置按額定工作扭矩25%、50%、100%的負(fù)載工作。在上述負(fù)載工況下，動(dòng)力機(jī)組操作無(wú)鍵連接裝置轉(zhuǎn)動(dòng)5 min，無(wú)鍵連接裝置錐面應(yīng)無(wú)相對(duì)滑移，每次運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間8～24 s。在各種負(fù)載下，應(yīng)用測(cè)量?jī)x表測(cè)量油壓、油溫、輸出扭矩、電動(dòng)機(jī)的電流、電壓、功率等參數(shù)。其中超載試驗(yàn)的步驟：調(diào)整加載系統(tǒng)，使無(wú)鍵錐體連接裝置按額定扭矩300% 的負(fù)載工作（超額負(fù)載按照項(xiàng)目的技術(shù)協(xié)議確定）。在超載工況下，動(dòng)力機(jī)組操作無(wú)鍵連接裝置轉(zhuǎn)動(dòng)5 min，無(wú)鍵連接裝置錐面應(yīng)無(wú)相對(duì)滑移，每次運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間8～24 s。其中可靠性試驗(yàn)的步驟：調(diào)整加載系統(tǒng)，使無(wú)鍵錐體連接裝置按空載、額定工作扭矩的25%、額定工作扭矩的50%、額定工作扭矩的100%、額定工作扭矩的300%、額定工作扭矩的100%、額定工作扭矩的50%、額定工作扭矩的25%等八種工況依次運(yùn)行；動(dòng)力機(jī)組操作無(wú)鍵連接裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，每次運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間8～14 s，一共運(yùn)行50組，共計(jì)30萬(wàn)次。每組試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)方式及次數(shù)如圖15所示。試驗(yàn)過(guò)程中如有電氣或液壓系統(tǒng)發(fā)生故障可繼續(xù)累積，如出現(xiàn)舵桿與連接錐體有滑移現(xiàn)象或機(jī)械故障必須中斷試驗(yàn)。

圖15 每組試驗(yàn)加載方式及次數(shù)曲線

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄的內(nèi)容包括：在可靠性試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行半天時(shí)，檢測(cè)主要零件（包括舵桿、舵柄、液壓螺母本體）是否有變形、移位、發(fā)熱等情況；檢測(cè)油溫、冷卻水溫情況；每天需統(tǒng)計(jì)所試驗(yàn)工況及次數(shù)并記錄。每組可靠性負(fù)載試驗(yàn)完成后，拆檢各個(gè)零件，檢查主要零件是否有變形；測(cè)量舵葉連接體錐孔的精確尺寸，記錄數(shù)據(jù)；測(cè)量高分子材料與舵桿間的直徑方向整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)間隙，記錄數(shù)據(jù)。在第50組可靠性試驗(yàn)完成后，對(duì)舵桿錐度方向上每隔50 mm磨損量測(cè)量數(shù)據(jù)（如下頁(yè)表2所示）。由表中的數(shù)據(jù)可以看出變形量均值為1.5 mm左右，表中數(shù)據(jù)分成兩個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行測(cè)量，由于扭矩為單邊加載使舵桿在兩個(gè)方向的變形不同，在X方向略微增大同時(shí)在Y方向略微減小。該結(jié)果與有限元分析的數(shù)據(jù)基本吻合，在30萬(wàn)次可靠性試驗(yàn)過(guò)程中舵桿與舵柄之間沒(méi)有發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而驗(yàn)證這種無(wú)鍵連接方式的可靠性。

表2 舵桿實(shí)際磨損量記錄表mm

3 結(jié) 論

（1）舵桿與舵柄、舵葉的無(wú)鍵液壓連接摒棄了傳統(tǒng)舵系在舵柄、舵葉和舵桿上開(kāi)槽、配鍵裝配的復(fù)雜性，消除了鍵與槽的間隙應(yīng)力集中等缺陷，既比有鍵連接更簡(jiǎn)單方便、準(zhǔn)確可靠，又降低了舵系的生產(chǎn)和維修成本。

（2）有限元分析的結(jié)果和無(wú)鍵連接試驗(yàn)平臺(tái)所做的結(jié)果相互印證，從理論研究和實(shí)際試驗(yàn)兩個(gè)方面均證明無(wú)鍵連接方式的可靠性。

（3） 有限元分析和可靠性試驗(yàn)的數(shù)據(jù)及分析，為進(jìn)一步推廣這種新型連接方式打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［參考文獻(xiàn)］

［1］ Stierman. The influence of the rudder on the propulsive performance of ships ［J］. Shipbuilding，1989，407：303-334.

［2］ Hasegawa K， Kang D H， Sano M， et al. A study on improving the course-keeping ability of a pure car carrier inwindy condition ［J］. Mar Sic Techno， 2006， 11：76-87.

［3］ Kijim K， Nakiri Y， et al. On the practical prediction method for ship maneuvering characteristics ［J］. Trans West Japan Soc Naval Archie ，2002， 105：21-31.

［4］ Eloot K， Vantorre M， Delefortie G， et al. Prediction of ship maneuverability of an 8 000 TEU containership in deepand shallow water： mathematical modelling and captive modeltesting［C］//Proceedings of MARSIM 2006. Maritime Institute Willem， Seoul：the Netherlands， 2006.

［5］ Kinnas S A， Mohammed F. Lee H Propeller tip vortexrudder interaction［C］//26th symposium on naval hydrodynamics. Seoul：Rome， 2006.

［6］ Liu P， Bose N. Hydrodynamic characteristics of a screw nozzle-rudder assembly ［J］. CFDJJ，2001，8：477-484.

［7］ Choi J E， Kim J H， Lee H G， et al. Computational investigation ofcavitation on a semi-spade rudder ［J］. Mar Sic Techno 2010， 15：64-77.

［8］ Shen Y T， Remmers K D， Jiang C W， et al. Effect of ship hull andpropeller on rudder cavitation ［J］. Ship Res 1997 （3）：172-180.

［中圖分類號(hào)］U671.99

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2015）03-0115-07

［收稿日期］2014-12-10；［修回日期］2015-01-12

［作者簡(jiǎn)介］王鳳良（1965-），男，高級(jí)工程師，研究方向：船舶動(dòng)力、機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、控制技術(shù)。張育增（1972-），男，博士，高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。吳朋朋（1983-），男，工程師，研究方向：機(jī)械液壓設(shè)計(jì)與制造。

Reliability analysis of keyless coupling of rudder system by fi nite element method

WANG Feng-liang1ZHANG Yu-zeng2,3WU Peng-peng2

(1. Representative offi ce of Navy Stationed in Hudong-zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129, China; 2. Wuxi DELIN Marine Equipment Co. Ltd., Wuxi 214191 , China; 3. School of Mechanical Engineering Shenyang University of Technology Shenyang, Shenyang 110870, China)

Abstract：Based on the actual working conditions and parameters of rudder systems， the connection of rudder systems is optimized by the keyless coupling technology. This paper analyzes and validates the reliability of the new type keyless coupling by FEM for its strain and stress distibution under various working conditions. It validates the FEM analysis results by the experimental platform of the keyless coupling according to the bending moment， torque moment and overload under the practical working conditions. The experimental data and analysis results show that the preload on the rudder system that is generated by the hydraulic nut can produce the proper static frictions between the rudder and tiller， which can provide the required bending and torque moment and ensure the stability and reliability of the operation condition of the rudder system under the overload condition.

Keywords：keyless coupling； rudder system； fi nite element； reliability； hydraulic nut