螺旋槳液壓螺母應力分析

屠星星，徐勇杰，朱 昆

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 引 言

螺旋槳液壓螺母是船舶軸系的重要組成部分，在螺旋槳安裝過程中發(fā)揮著重要作用，且可鎖緊螺旋槳，使其不從螺旋槳軸上脫落。設計優(yōu)良的液壓螺母能保證軸系和螺旋槳平穩(wěn)、安全地工作，一旦液壓螺母出現(xiàn)破損，很有可能引發(fā)安全事故，導致船舶不能正常航行，造成較大損失[1]。液壓螺母的結構復雜，較難直接找到明顯的規(guī)律對其進行設計，目前采用的液壓螺母多是基于經(jīng)驗設計的。上海船舶研究設計院在對38000t綠色海豚系列散貨船進行研發(fā)設計的過程中，深入研究液壓螺母的應力分布規(guī)律，提煉出一套科學、完整的螺旋槳液壓螺母設計方法。

本文以ABAQUS軟件為工具，采用有限元方法計算螺旋槳液壓螺母的應力分布情況，采用控制變量法逐一分析液壓螺母各尺寸參數(shù)對液壓螺母應力的影響規(guī)律。ABAQUS 是一套功能強大的工程模擬有限元軟件，適用于軸系模型的有限元分析[2]。

1 有限元建模計算

螺旋槳液壓螺母（見圖 1）由液壓螺母本體和活塞（活塞環(huán)）2部分組成，液壓螺母本體與螺旋槳軸末端通過螺紋連接[3]。在安裝螺旋槳時，液壓油泵通過液壓螺母本體內的油道將高壓油打入活塞腔，高壓油推動活塞往槳轂方向運動。槳轂在活塞的推動下沿螺旋槳軸方向被壓縮，由于螺旋槳軸存在一定的錐度，因此當活塞往前完成設計行程的運動時，若槳轂能達到足夠的壓縮量，螺旋槳就能穩(wěn)定地安裝在螺旋槳軸上[4]。

液壓螺母本體所受的力主要有活塞腔內高壓油的壓力及螺旋槳軸末端螺紋對其的作用力。高壓油的壓力可由壓強直接仿真，而螺旋槳軸的作用力必須通過對螺旋槳軸進行建模來仿真。因此，在進行液壓螺母應力計算分析時，需對液壓螺母本體和螺旋槳軸都進行有限元建模。為減少計算量，對于螺旋槳軸，只需對其與液壓螺母鄰近的一部分進行建模，同時在螺旋槳軸截斷處進行固定約束。采用液壓螺母本體和螺旋槳軸的三維模型進行計算會產生巨大的計算量，耗時很長，甚至無法計算。本文采用軸對稱建模方法，因為模型的軸對稱性質，雖然建立的是平面模型，但依然能實現(xiàn)對三維實體模型的仿真，計算準確且耗時短[5]。

圖1 螺旋槳液壓螺母

圖2為有限元計算結果。液壓螺母的應力主要集中在活塞腔倒圓處，最大應力也出現(xiàn)在倒圓處。倒圓附近應力很大；離倒圓越遠，應力越小。最大應力處最容易遭到破壞，優(yōu)良的設計應將最大應力降低到盡可能小，使液壓螺母遭到破壞的概率盡可能低。因此，最大應力的變化規(guī)律是本文研究的重點。

圖2 螺旋槳液壓螺母應力計算結果

液壓螺母外形復雜，涉及諸多尺寸參數(shù)。圖3為螺旋槳液壓螺母尺寸參數(shù)，其中：D1，D2和L分別為液壓螺母的內徑、外徑及長度；T和θ分別為液壓螺母倒角的長度和角度；q為液壓螺母內外半徑之差；h，d和r分別為活塞腔的長度、厚度及倒圓半徑；p為活塞腔中心線與液壓螺母內圓之間的距離。液壓螺母的設計工作主要是確定這些尺寸參數(shù)。本文采用控制變量法對大量的參數(shù)值組合進行建模計算，從計算結果中分析各尺寸參數(shù)對最大應力的影響。

圖3 螺旋槳液壓螺母尺寸參數(shù)

2 計算結果分析

圖4為液壓螺母最大應力隨活塞腔倒圓半徑r的變化曲線。最大應力隨著r的增大而減小，且減小趨勢明顯，說明r對最大應力的影響很大。相對于半徑為1mm的設計，半徑為5mm的設計可將最大應力減小約50%，半徑為20mm的設計可將最大應力減小約65%。該規(guī)律與應力集中的原理正好契合，倒圓半徑越大，過渡越平緩，應力集中程度越低，應力集中系數(shù)越小，因此最大應力越小。

值得注意的是，隨著倒圓半徑r的增大，在相同活塞行程下，高壓油填充長度變大（即油壓對液壓螺母的作用面積變大），液壓螺母受到的作用力就變大，這會導致最大應力變大。r的增大同時導致應力集中系數(shù)減小及油壓作用力增大，這兩者對最大應力的影響是相反的。圖4所示的變化趨勢表明，相對于油壓作用力增大，應力集中系數(shù)減小對最大應力造成的影響更大。

圖5為液壓螺母最大應力隨外徑與內徑之比D2/D1的變化曲線。有限元計算表明，對于任意尺寸的液壓螺母，無論是將其所有尺寸參數(shù)同比例放大還是縮小，只要油壓大小不變，最大應力是一樣的。因此，在分析有些參數(shù)對最大應力的影響時，可通過比例的形式設計參數(shù)值組進行有限元計算，這樣便于后期歸納液壓螺母設計方法。

圖4 液壓螺母最大應力隨活塞腔倒圓半徑r的變化曲線

圖5 液壓螺母最大應力隨外徑與內徑之比D2/D1的變化情況

圖5表明，D2/D1越大，液壓螺母最大應力越小，且變化趨勢明顯。相對于D2/D1=1.7，當D2/D1=2時最大應力減小約40%。這種變化趨勢也可從物理層面上進行解釋，D2/D1越大，活塞腔邊緣到液壓螺母外側和內側的距離越大，液壓螺母越不容易被破壞。

圖6為液壓螺母最大應力隨液壓螺母長度與內徑之比L/D1的變化曲線。最大應力隨著L/D1的增大而減小，且減小趨勢明顯。相對于L/D1=0.6，當L/D1=1時最大應力減小約40%。

圖7為最大應力隨活塞腔大小d/q的變化曲線。d/q越大，說明活塞腔及油壓的作用面積越大。在安裝螺旋槳的過程中，活塞給槳轂施加一定大小的推力之后，螺旋槳就被平穩(wěn)地安裝在螺旋槳軸上。活塞對槳轂的推力來自活塞腔內高壓油對活塞的推力，油壓的大小及油壓作用面積決定了槳轂所能得到的推力。槳轂所需推力可認為是一個定值，因此油壓作用面積增大，施加的油壓就減小。油壓作用面積增大和油壓減小對最大應力的影響是相反的：作用面積增大，活塞腔兩側剩余厚度減小，兩側就更單薄，最大應力增大；油壓減小，最大應力減小。

由圖7可知，隨著d/q的增大，最大應力先減小后增大，當d/q≈0.65時，最大應力達到最小值，這就是上述作用面積增大和油壓減小博弈的結果。0.45＜d/q＜0.75的范圍是液壓螺母設計中較為常用的，在該范圍內最大應力變化較小，一旦超出該范圍，最大應力會急劇增大。

圖8為液壓螺母最大應力隨活塞腔所處位置p/q的變化曲線。p/q越大，表明活塞腔越靠外，外側越單??；p/q越小，表明活塞腔越靠內，內側越單薄。隨著 p/q的增大，最大應力先減小后增大，當 p/q≈0.5時，最大應力達到最小值。當p/q＜0.5時，最大應力變化趨勢不明顯；當p/q＞0.5時，最大應力變化趨勢明顯。從另一個角度來說，當 p/q=0.5時，活塞腔位于中間位置，兩側均勻，不容易遭到破壞；一旦偏離中間位置，某一側就會比較單薄，容易遭到破壞。

圖6 液壓螺母最大應力隨液壓螺母長度與內徑之比L/D1的變化曲線

圖7 液壓螺母最大應力隨活塞腔大小d/q 的變化曲線

圖9為液壓螺母最大應力隨活塞腔深度h的變化曲線。隨著h的增大，最大應力先減小后增大。

圖8 液壓螺母最大應力隨活塞腔所處位置p/q的變化曲線

圖9 液壓螺母最大應力隨活塞腔深度h的變化曲線

圖10為液壓螺母最大應力隨液壓螺母倒角長度T的變化曲線。隨著T的增大，最大應力變化非常小，這表明液壓螺母倒角長度對最大應力幾乎沒有影響。

3 實例分析

圖11為某大型礦砂船（Very Large Ore Carrier，VLOC）液壓螺母在原始設計和根據(jù)影響規(guī)律進行改進設計之后的最大應力。由于參數(shù)r對最大應力的影響最為顯著，且該參數(shù)在設計時易于修改，因此在改進設計中，在其他參數(shù)的改進相同的情況下，參數(shù)r取3個不同的值（單位為mm）。

圖10 液壓螺母最大應力隨液壓螺母倒角長度T的變化曲線

圖11 某型VLOC液壓螺母最大應力計算結果

由圖11可知，根據(jù)本文得到的影響規(guī)律進行改進設計之后，該船液壓螺母的最大應力顯著下降。

4 結 語

(1) r，D2/D1和L/D1對液壓螺母最大應力的影響最為顯著。D2/D1和L/D1的大小主要取決于螺旋槳軸、導流罩等的形狀尺寸，一旦這些形狀尺寸確定，就很難通過改變D2/D1和L/D1來降低最大應力；而r的大小便于調節(jié)，通過調整r的大小可有效降低液壓螺母最大應力。

(2) d/q，p/q和h的增大對液壓螺母最大應力的影響都是先減小后增大，影響較為明顯。由于本文采用的是控制變量法，因此圖7～圖9中最大應力最小時對應的參數(shù)值只適用于某種情況，并不是普適的。

(3) T對最大應力幾乎沒有影響。

【 參 考 文 獻 】

[1] 季永生.螺旋槳液壓螺母設計[J].船海工程，2012, 41 (3): 82-84.

[2] 張玉峰，朱以文，丁宇明.有限元分析系統(tǒng)ABAQUS中的特征技術[J].工程圖學學報，2006 (5): 142-148.

[3] 中國船級社.鋼質海船入級規(guī)范第三分冊[M].北京：人民交通育出版社，2014.

[4] 孫自力.船舶用螺旋槳原理及修理[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010.

[5] 符芮三.ABAQUS與PERFORM_3D在彈塑性時程分析中的應用及對比研究[D].重慶：重慶大學，2014.