法蘭式液壓聯(lián)軸器抗沖擊性能分析

張曉陽(yáng)，陳汝剛，解忠良，饒柱石

（1.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧　大連116041；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064；3.上海交通大學(xué)　機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

法蘭式液壓聯(lián)軸器抗沖擊性能分析

張曉陽(yáng)1，陳汝剛2，3，解忠良3，饒柱石3

（1.海軍駐大連426廠軍事代表室，遼寧大連116041；2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢430064；3.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

法蘭式液壓聯(lián)軸器作為船舶動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵部件，在造船工業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但目前對(duì)其抗沖擊特性的研究較少?；诜蔷€性接觸理論，建立某法蘭式液壓聯(lián)軸器接觸分析模型，獲得最大扭矩工況下聯(lián)軸器各部件的應(yīng)力分布。在此基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)代沖擊理論，分別采用頻域法和時(shí)域法對(duì)其進(jìn)行抗沖擊特性分析。計(jì)算得到該液壓聯(lián)軸器在沖擊載荷作用下的應(yīng)力分布，為船舶設(shè)備的抗沖擊評(píng)估和設(shè)計(jì)提供依據(jù)。研究結(jié)果表明，該液壓聯(lián)軸器符合抗沖擊性能要求。

振動(dòng)與波；法蘭式液壓聯(lián)軸器；接觸應(yīng)力；抗沖擊；頻域；時(shí)域

現(xiàn)代艦船在海戰(zhàn)中必然會(huì)面臨非接觸爆炸引起的沖擊破壞問(wèn)題。隨著導(dǎo)彈、激光炸彈和水中兵器的發(fā)展，爆炸當(dāng)量和沖擊持續(xù)時(shí)間明顯增加。精確制導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用大大提高了武器命中率，使艦船沖擊環(huán)境進(jìn)一步惡化［1］。在沖擊環(huán)境下艦載設(shè)備可能由于無(wú)法承受大的加速度和位移而遭到破壞，從而導(dǎo)致艦船喪失戰(zhàn)斗力，處于被動(dòng)局面。因此，提高艦載設(shè)備的抗沖擊能力對(duì)提高艦船生命力和戰(zhàn)斗力具有重大意義［2，3］。法蘭式液壓聯(lián)軸器是艦船動(dòng)力傳遞的關(guān)鍵部件，在艦船設(shè)備中占有重要地位，在沖擊安全級(jí)別中屬A級(jí)（最高級(jí)）設(shè)備。因此，開(kāi)展艦用法蘭式液壓聯(lián)軸器抗沖擊性能研究，對(duì)提高艦船生命力和戰(zhàn)斗力具有重大意義。

1　液壓聯(lián)軸器工作原理

法蘭式液壓聯(lián)軸器可避免因采用鍵槽而對(duì)軸系強(qiáng)度產(chǎn)生的削弱，且傳遞扭矩大、對(duì)中性好。常用的液壓聯(lián)軸器一般分為套筒式和法蘭式，其工作原理相同。液壓聯(lián)軸器的核心部件由兩個(gè)鋼制套管組成，一個(gè)較厚的外套和一個(gè)較薄的內(nèi)套，如圖1所示。內(nèi)套外表面和外套內(nèi)表面具有相同的錐度。液壓聯(lián)軸器安裝時(shí)利用徑向油壓，使外套和內(nèi)套均產(chǎn)生彈性變形（外套擴(kuò)大，內(nèi)套收縮）。在軸向油壓推動(dòng)下，外套逐漸向錐面大端移動(dòng)。當(dāng)外套到達(dá)設(shè)計(jì)位置后，釋放徑向油壓，因彈性變形的作用致使外套、內(nèi)套和軸相互抱緊。工作時(shí)依靠過(guò)盈配合面間的摩擦力傳遞軸的扭矩。

圖1　液壓聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)組成

2　抗沖擊原理

2.1頻域分析法

頻域分析法是將設(shè)計(jì)沖擊譜作為系統(tǒng)的沖擊輸入，并對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行合成，從而求得系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)［4］。常用的頻域分析法是動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析法（Dynamic Design Analysis Method，DDAM）。載荷譜的獲得可參考GJB1060.1。設(shè)計(jì)沖擊譜隨艦艇類型、設(shè)備安裝位置以及設(shè)備各級(jí)模態(tài)質(zhì)量的不同而不同。艦用液壓聯(lián)軸器屬于A類設(shè)備，計(jì)算公式如下所示。

式中A0——加速度，m/s2；V0——速度，m/s；ma——模態(tài)質(zhì)量，t。

根據(jù)GJB1060.1要求，采用NRL方法進(jìn)行模態(tài)合成，如下式所示

式中xib——任一階模態(tài)的最大響應(yīng)；xia——對(duì)應(yīng)a階模態(tài)的響應(yīng)；xi——合成后的響應(yīng)。

頻域抗沖擊計(jì)算最終結(jié)果為頻域動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果與設(shè)備連續(xù)工作應(yīng)力之和［5］。液壓聯(lián)軸器由于過(guò)盈配合產(chǎn)生的接觸應(yīng)力及傳遞扭矩產(chǎn)生的應(yīng)力均為連續(xù)工作應(yīng)力，故計(jì)算結(jié)果應(yīng)包含這些應(yīng)力值。

2.2時(shí)域分析法

DDAM法最大優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約計(jì)算資源，但也存在不足之處，如不能考慮阻尼效應(yīng)、不能考慮非線性效應(yīng)和間隙效應(yīng)等。時(shí)域分析法是目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的一種計(jì)算方法。該方法采用實(shí)測(cè)的時(shí)間歷程曲線或標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)輸入時(shí)程曲線作為設(shè)備的沖擊輸入載荷，對(duì)設(shè)備進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)響應(yīng)分析。時(shí)域分析法可以對(duì)各種非線性因素進(jìn)行精確仿真［8］。本次研究采用德國(guó)艦船沖擊標(biāo)準(zhǔn)BV043/1985中規(guī)定的雙三角加速度時(shí)間歷程曲線，如圖2所示。

圖2　雙三角形時(shí)域曲線

根據(jù)BV043/1985要求，相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法如下：

（1）設(shè)備質(zhì)量小于5 t的隔離系統(tǒng)，抗沖擊指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　 BV043/1985抗沖擊譜

（2）對(duì)于設(shè)備質(zhì)量大于5 t的隔離系統(tǒng)，沖擊譜速度和加速度需要進(jìn)行折減，折減的公式為

式中m——隔離安裝的設(shè)備質(zhì)量，t；m0——質(zhì)量常數(shù)，恒等于5 t；A——折減后的加速度譜值，g；V—折減后的速度譜值，m/s。

計(jì)算輸入載荷依據(jù)表2和圖2來(lái)確定，圖2為從沖擊譜轉(zhuǎn)換為等效的時(shí)域加速度曲線。圖中的參數(shù)計(jì)算方法如下所示。

表2　時(shí)域沖擊波參數(shù)

3　數(shù)值建模

3.1接觸應(yīng)力分析數(shù)值建模

法蘭式液壓聯(lián)軸器接觸應(yīng)力分析模型如圖3所示。聯(lián)軸器各部件已處于裝配完成時(shí)的相對(duì)位置。聯(lián)軸器外套和內(nèi)套、內(nèi)套與傳動(dòng)軸之間形成過(guò)盈配合。在上述過(guò)盈配合面之間建立接觸關(guān)系［9］，并通過(guò)接觸面間的幾何過(guò)盈量來(lái)模擬接觸面間的接觸應(yīng)力。

施加邊界條件時(shí)，連接法蘭端面固支。定義一個(gè)參考點(diǎn)，并與另一傳動(dòng)軸端面建立耦合關(guān)系。通過(guò)在參考點(diǎn)施加最大工作扭矩來(lái)模擬傳動(dòng)軸所傳遞的扭矩值。

圖3　接觸應(yīng)力計(jì)算網(wǎng)格模型

3.2抗沖擊分析數(shù)值建模

法蘭式液壓聯(lián)軸器抗沖擊模型包括傳動(dòng)軸、連接軸、法蘭式液壓聯(lián)軸器、液壓螺栓（液壓螺栓設(shè)計(jì)原理同液壓聯(lián)軸器，由套筒、螺桿、螺母組成；本模型中共含15個(gè)液壓螺栓），如圖4所示。液壓聯(lián)軸器與軸懸空連接，沖擊載荷經(jīng)支承軸承從兩個(gè)軸端輸入。傳動(dòng)軸及連接軸兩端面固支約束。

圖4　抗沖擊計(jì)算模型

（1）由于DDAM法不能考慮非線性因素，因此，采用DDAM法時(shí)聯(lián)軸器內(nèi)套與軸、聯(lián)軸器內(nèi)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(guān)系均采用Tie。

（2）采用時(shí)域法建模時(shí)，同樣固支傳動(dòng)軸及連接軸兩端面，三角沖擊波施加在兩個(gè)軸端面上。為了精確計(jì)算聯(lián)軸器抗沖擊響應(yīng)，并減少計(jì)算規(guī)模，聯(lián)軸器內(nèi)套與軸接觸面間、聯(lián)軸器內(nèi)套與外套接觸面間定義過(guò)盈配合關(guān)系，接觸面之間用Contact定義。其余接觸面間采用Tie連接。

4　材料屬性及計(jì)算工況

以某型艦船用法蘭式液壓聯(lián)軸器為分析對(duì)象，對(duì)其最大扭矩工況下的接觸應(yīng)力及抗沖擊性能進(jìn)行研究。液壓聯(lián)軸器各部件及軸的材料屬性如表3所示。最大扭矩工況下推進(jìn)軸系所傳遞的扭矩值為3 600 kNm，推力為1 700 kN。

表3　各部件材料屬性

4　計(jì)算結(jié)果分析

4.1接觸應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

最大扭矩工況下，液壓聯(lián)軸器接觸應(yīng)力仿真計(jì)算結(jié)果如下所示。

圖5　最大扭矩工況下外套應(yīng)力分布云圖

圖6　最大扭矩工況下內(nèi)套應(yīng)力分布云圖

從以上結(jié)果分析可知，整個(gè)結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力出現(xiàn)在內(nèi)外套接觸邊緣。外套最大值為648.6 MPa，內(nèi)套為333.5 MPa。液壓聯(lián)軸器所有零件應(yīng)力均小于材料屈服極限。

4.2頻域法計(jì)算結(jié)果

抗沖擊計(jì)算無(wú)論頻域還是時(shí)域都應(yīng)該進(jìn)行垂向、縱向和橫向的評(píng)估。由于垂向沖擊破壞最大，本文只對(duì)垂向結(jié)果進(jìn)行分析。垂向沖擊應(yīng)力綜合結(jié)果，外套最大應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)2 763處，為703.89 MPa，內(nèi)套最大應(yīng)力出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)5 932處，為335.47 MPa。依據(jù)GJB 1060.1規(guī)定抗沖擊分析應(yīng)力應(yīng)小于材料屈服強(qiáng)度，故聯(lián)軸器內(nèi)外套均符合抗沖擊要求。

圖7　垂向沖擊整體模型應(yīng)力分布云圖

圖8　垂向沖擊外套應(yīng)力分布云圖

圖9　垂向沖擊內(nèi)套應(yīng)力分布云圖

4.3時(shí)域法計(jì)算結(jié)果

時(shí)域法子模型計(jì)算結(jié)果如下所示。對(duì)圖12、圖13應(yīng)力時(shí)歷曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)時(shí)域計(jì)算中外套與內(nèi)套最大應(yīng)力分別為738.37 MPa和373.10 MPa，出現(xiàn)在1 ms和10 ms時(shí)刻，均未超出材料屈服強(qiáng)度。

綜合上述結(jié)果，頻域與時(shí)域分析相符，聯(lián)軸器承受垂向沖擊作用時(shí)薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在內(nèi)套與外套相互接觸面的兩端附近。

5　結(jié)語(yǔ)

基于非線性接觸理論，建立液壓聯(lián)軸器接觸應(yīng)力分析模型，獲得液壓聯(lián)軸器在最大扭矩工況下的

圖10　 0.603 ms時(shí)外套應(yīng)力分布

圖11　 10.863 ms時(shí)內(nèi)套應(yīng)力分布

圖12　時(shí)域分析時(shí)聯(lián)軸器外套某危險(xiǎn)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)2 763）應(yīng)力時(shí)歷曲線

圖13　時(shí)域分析時(shí)聯(lián)軸器內(nèi)套某危險(xiǎn)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)5 932）應(yīng)力時(shí)歷曲線

應(yīng)力分布。基于現(xiàn)代沖擊理論，建立液壓聯(lián)軸器抗沖擊分析模型，分別對(duì)某法蘭式液壓聯(lián)軸器進(jìn)行頻域和時(shí)域抗沖擊性能的仿真計(jì)算。通過(guò)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，該液壓聯(lián)軸器抗沖擊薄弱環(huán)節(jié)在內(nèi)外套的接觸邊緣即外套尖角處。這里易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)加工過(guò)程中應(yīng)采取相應(yīng)措施加以避免；

（2）抗沖擊結(jié)果分析時(shí)，頻域及時(shí)域分析該聯(lián)軸器都符合抗沖擊性能要求。對(duì)內(nèi)外套相同節(jié)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種方法計(jì)算結(jié)果比較接近。這樣也達(dá)到了相互驗(yàn)證的作用，證明計(jì)算結(jié)果可信。

［1］汪玉，華宏星.艦艇現(xiàn)代沖擊理論及應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［2］汪玉，王官祥.艦船系統(tǒng)和設(shè)備的抗沖擊性能動(dòng)力學(xué)仿真［J］.計(jì)算機(jī)仿真，1999，16（1）：27-29.

［3］柳貢民，劉志剛，張文平，等.以逐步積分法計(jì)算艦船柴油機(jī)隔振裝置沖擊響應(yīng)［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，8（4）：19-24.

［4］劉建湖.艦船非接觸性水下爆炸動(dòng)力學(xué)的理論與應(yīng)用［D］.無(wú)錫：中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，2003.

［5］GJB 1060.1-1991，艦船環(huán)境條件要求—機(jī)械環(huán)境［S］.

［6］周其新，姚熊亮，張阿漫，等.艦用齒輪箱抗沖擊能力時(shí)域計(jì)算［J］.中國(guó)艦船研究，2007，2（3）：44-48.

［7］BV043/1985沖擊安全性，聯(lián)邦德國(guó)國(guó)防軍建造規(guī)范［S］.

［8］楊志榮，秦春云，饒柱石，等.船舶推理軸承縱向橡膠減振器設(shè)計(jì)［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2013，33（6）：211-215.

［9］解忠良，鄒冬林，塔娜，等.某型立式給水泵機(jī)組水潤(rùn)滑軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性分析［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2015，35（3）：102-107.

Analysis of theAnti-shock Performance for Flanged Hydraulic Couplings

ZHANG Xiao-yang1，CHEN Ru-gang2，3，XIE Zhong-liang3，RAO Zhus-hi3

（1.Naval Military Representative Office in 426 Plant，Dalian 116041，Liaoning China；2.China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China；3.State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

Flanged hydraulic coupling is an important junction of the power transmission system and is being widelyused in modem naval shafting system.However，only few researches on its anti-shock performance have been done.In this paper，a finite element model of a flanged hydraulic coupling was built based on the nonlinear contact theory.Distribution of the contact stress was obtained in the working condition of the maximum torque.Furthermore，based on modern impact theory，the anti-shock performance of the coupling was studied in both frequency domain and time domain.The stress distribution was obtained from the anti-shock simulation.The results indicate that the design of the flanged hydraulic coupling can meet the requirement of the anti-shock performance.This work provides a database for anti-shock design and evaluation of ship's devices.

vibrationandwave；flangedhydrauliccoupling；contactstress；anti-shock；frequencydomain；timedomain

TH133.4

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2015.05.003

1006-1355（2015）05-0021-04+47

2014－12－02

張曉陽(yáng)（1985－），男，遼寧大連人，主要研究方向：船舶動(dòng)力裝置特性研究。

陳汝剛，男，博士，工程師。

E-mail:rgchen@sjtu.edu.cn