高速船螺旋槳油壓無(wú)鍵安裝推入量計(jì)算分析

，，

(1.武漢易華船舶設(shè)計(jì)有限公司,武漢 430063；2.武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430063)

螺旋槳油壓無(wú)鍵安裝作為一種成熟的的安裝方式，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，螺旋槳的轉(zhuǎn)矩通過接觸面壓力所產(chǎn)成的摩擦力傳遞，槳轂和軸沒有鍵槽，不易發(fā)生應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋[1-2]。螺旋槳油壓無(wú)鍵安裝時(shí)，槳轂與螺旋槳軸的連接屬于不帶中間套的圓錐過盈連接。滿足最小推入量要求槳轂才能有效傳遞載荷，工作時(shí)才不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)的情況；滿足最大推入量才能保證槳轂和艉軸不產(chǎn)生塑性變形[3]。

在進(jìn)行某型海上高速船新船螺旋槳油壓無(wú)鍵安裝設(shè)計(jì)時(shí)，使用上述計(jì)算公式出現(xiàn)了最小徑向推入量大于最大徑向推入量的不合理情況，為此展開分析。

1 公式及設(shè)計(jì)使用問題

CCS在最新的《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》和《內(nèi)河高速船入級(jí)與建造規(guī)范》中采用了相同的螺旋槳油壓無(wú)鍵安裝推入量計(jì)算方法，并提供了如下的計(jì)算公式。

1)最小徑向推入量S1[4-5]。

(1)

2)最大徑向推入量S2。

(2)

根據(jù)安裝需要，螺旋槳套合到軸上的軸向推入量S應(yīng)滿足[6-8]：S1≤S≤S2。

經(jīng)驗(yàn)算，軸系設(shè)計(jì)無(wú)誤，為進(jìn)一步分析此問題，參考某完工的型船，兩船動(dòng)力系統(tǒng)選型和參數(shù)對(duì)比見表1。螺旋槳材料選用鎳鉆青銅Cu3。

表1 兩船動(dòng)力系統(tǒng)造型和參數(shù)對(duì)比

根據(jù)《海上高速船入級(jí)與建造規(guī)范》的計(jì)算公式，軸徑為[9]

(3)

兩者均為無(wú)鍵套合的螺旋槳軸，推進(jìn)型式系數(shù)F=100，無(wú)鍵套合軸設(shè)計(jì)特性系數(shù)C=1.22，合金鋼軸直徑可以取計(jì)算值的0.9倍，將所有參數(shù)代入公式計(jì)算可得：

型船螺旋槳軸計(jì)算直徑為142.87 mm

新船螺旋槳軸計(jì)算直徑為138.43 mm(計(jì)算值153.82 mm，取0.9倍后為138.43 mm)。

新船與型船的螺旋槳軸計(jì)算直徑數(shù)值接近，經(jīng)過設(shè)計(jì)取值后，兩船螺旋槳軸相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。

將表2參數(shù)代入公式(1)和(2)，由此得到5～35 ℃范圍內(nèi)兩條船的油壓無(wú)鍵安裝徑向推入量，見表3。

對(duì)比表3數(shù)據(jù)得到型船在5～35 ℃的推入量范圍，其數(shù)值是合理的；新船的最小推入量S1大于最大推入量S2，推入量差值S2-S1<0，計(jì)算結(jié)果不合理，不能指導(dǎo)施工。

表2 兩船螺旋槳軸數(shù)據(jù)對(duì)比

表3兩船在不同溫度的推入量數(shù)據(jù)對(duì)比mm

溫度t/℃型船S1新船S1型船S2新船S252.7683.5522.8922.892102.6993.4832.8232.823152.6303.4142.7542.754202.5613.3452.6852.685252.4923.2762.6162.616302.4233.2072.5472.547352.3553.1382.4782.478

對(duì)比表1數(shù)據(jù)，新船為減輕重量，螺旋槳軸材料采用了抗拉強(qiáng)度較大的合金鋼，合金鋼軸徑可以取計(jì)算值的0.9倍[10]。新船的主機(jī)功率相對(duì)型船大，螺旋槳軸的計(jì)算直徑反而比型船小。設(shè)計(jì)取值后，兩船的螺旋槳軸直徑相同，其余涉及油壓無(wú)鍵安裝計(jì)算的螺旋槳軸參數(shù)也相同。

對(duì)比表3數(shù)據(jù)，兩船的最大推入量S2在各溫度條件下相同；新船最小推入量S1大于型船，甚至大于最大推入量S2。最小推入量S1是槳轂傳遞載荷的保證，新船主機(jī)功率較大，需要傳遞更大的轉(zhuǎn)矩，較大的徑向推入量可以獲得更大的摩擦力，工作時(shí)才不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)。

2 推入量計(jì)算分析及公式簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

分析規(guī)范公式，要使S1和S2獲得合理結(jié)果，S2應(yīng)大于S1，即S2-S1>0，對(duì)于常規(guī)鋼質(zhì)實(shí)心軸和銅質(zhì)螺旋槳，式(1)和(2)里部分參數(shù)是規(guī)范規(guī)定的定值，另外是設(shè)計(jì)中的可控參數(shù)。

根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算可得：

S2-S1=

(4)

根據(jù)式(4)可知，S2-S1的值與安裝溫度無(wú)關(guān)，在溫度范圍內(nèi)是定值。

螺旋槳軸材料彈性模數(shù)(鋼質(zhì)E1,銅質(zhì)E2)分別為E1=20.6×104N/mm2，E2=11.77×104N/mm2。將上述參數(shù)代入計(jì)算式，對(duì)于鋼質(zhì)實(shí)心軸：

將C1、C2、K1、K2、E1、E2、A和α1、α2值分別代入公式(4)，得到式(5)。

S1-S1=

(5)

在K2取值范圍內(nèi)獲得函數(shù)圖形見圖1。

圖1 y1和y2與K2的關(guān)系

由圖1可知，y1和y2的值均隨K2值加大而變小；但y1變化較平滑，y2隨K2值變小的趨勢(shì)更明顯。在K2取值區(qū)間內(nèi)，函數(shù)的變化近似于線性的。根據(jù)函數(shù)曲線和計(jì)算值，上述y1可以近似簡(jiǎn)化為y1=-0.133K2+9.03。y2可以近似簡(jiǎn)化為y2=-8.67K2+37.96。

將簡(jiǎn)化計(jì)算的函數(shù)代入式(5)可得

S2-S1=

(6)

將K2=d2/d1代入公式(6)可得：

S2-S1=

(7)

經(jīng)過簡(jiǎn)化后，計(jì)算式所需的參數(shù)均可在設(shè)計(jì)初期確定。

主機(jī)功率和螺旋槳軸轉(zhuǎn)速在設(shè)計(jì)初期定設(shè)備時(shí)確認(rèn)；在確定螺旋槳軸材料后，還可以通過計(jì)算獲得螺旋槳軸軸徑；錐體錐度和錐體長(zhǎng)度按設(shè)計(jì)需要選定；錐體中徑可以通過螺旋槳軸軸徑、錐體錐度和錐體長(zhǎng)度計(jì)算獲得；槳轂的平均外徑由船體專業(yè)根據(jù)螺旋槳軸軸徑和螺旋槳設(shè)計(jì)需要確定。

在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行簡(jiǎn)單驗(yàn)算時(shí)，要獲得合理結(jié)果，算式需要滿足：

47 750×104Ne(8.67d2-37.96d1)-

(8)

由于d2=(1.8～2.1)d1，選取d2=2.1d1，進(jìn)一步簡(jiǎn)化公式(8)，獲得簡(jiǎn)單驗(yàn)算公式：

47 750×104Ne(18.2d1-37.96d1)-

(9)

3 可控參數(shù)值對(duì)推入量計(jì)算的影響

對(duì)式(1)和(2)和推入量S2-S1的計(jì)算過程進(jìn)行分析，討論規(guī)范計(jì)算式中各參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

根據(jù)規(guī)范要求，錐度K取值不大于1/15，一般取1/20[12]。錐度越小下滑力越小，不易發(fā)生螺旋槳脫離的事故。從公式(1)、(2)、(6)可知，螺旋槳軸端錐度K對(duì)S1、S2和推入量差值S2-S1的影響是線性的，隨K值增大或縮小。錐度K還會(huì)對(duì)套合面積A有影響。由于實(shí)際施工中船廠需要一定余量，推入量差值S2-S1不宜太小。

σs是螺旋槳材料的屈服強(qiáng)度。從式(1)、(2)可知，選取屈服強(qiáng)度大的材料對(duì)S1沒有影響，但可以使最大推入量S2變大。從式(9)可知，σs值越大，推入量S2-S1越大。規(guī)范對(duì)銅質(zhì)螺旋槳的材料只規(guī)定了鎳鋁青銅的Cu1、Cu2、Cu3和Cu4，其規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度)依次為175、175、245和275 MPa[10]。如果需要選用其他銅合金，應(yīng)提交有關(guān)技術(shù)資料提供給CCS，經(jīng)批準(zhǔn)后方可使用。使用新材料需要試驗(yàn)驗(yàn)證，耗時(shí)較長(zhǎng)，成本較高，也不便于工廠備料。除非特殊情況，設(shè)計(jì)時(shí)較少采用。

從公式(1)(2)可知，d1值和套合面積A值對(duì)S1的值有影響。螺旋槳軸和螺旋槳的摩擦面摩擦系數(shù)規(guī)范提供的值為0.13，同等壓力狀態(tài)下，套合面積越大，所能傳遞的轉(zhuǎn)矩越大，傳遞的功率就越大。理論上，螺旋槳與軸套合的部分是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓臺(tái)，根據(jù)圓臺(tái)的面積計(jì)算公式可以獲得套合面積A。錐體長(zhǎng)度(槳轂長(zhǎng)度)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式要求取值，一般要求l≥2.5d。根據(jù)圓臺(tái)面積計(jì)算公式，套合面積A=πl(wèi)d1，A值隨和的取值線性增大。從式(9)可知，推入量差值S2-S1隨l增大而增大，但椎體長(zhǎng)度l值會(huì)影響螺旋槳中心位置，需要由總體專業(yè)根據(jù)尾部線型、槳直徑和舵裝置位置及槳可拆空間等情況確定，不能為了安裝需要無(wú)限制增大l值。

C1、C2、K1和K2是規(guī)范公式引入的參數(shù)。對(duì)于實(shí)心軸，C1和K1為定值，K2的值來(lái)自經(jīng)驗(yàn)公式，C2由K2取值計(jì)算得到。

從式(1)(2)可知，主機(jī)功率Ne不影響最大推入量S2，但最小推入量S1的影響是隨Ne線性增大的。主機(jī)功率越大，需要傳遞的轉(zhuǎn)矩越大，S1的計(jì)算值也越大。從式(9)可知，推入量差值S2-S1隨Ne增大而減小。高速船為滿足高航速要求，通常選配功率大、重量輕的高性能高速柴油機(jī)作為主推進(jìn)動(dòng)力，以保證船舶性能[14]。主機(jī)選型通常在船舶設(shè)計(jì)初期即選型確定，不會(huì)因?yàn)槁菪龢B接方式而做改變，不屬于可以調(diào)整的參數(shù)。

從式(1)(2)可知，ne越小，最小推入量S1的計(jì)算值越大。從式(9)可知，ne值越大，推入量差值S2-S1越大。

從式(4)可知，套合溫度t對(duì)于推入量差值S2-S1沒有影響，施工時(shí)注意環(huán)境溫度在規(guī)范要求的范圍內(nèi)即可。一般軸系施工要求在沒有振動(dòng)，夜晚等溫差較小的時(shí)候，按規(guī)范要求一般取溫度5～35 ℃之間，設(shè)計(jì)時(shí)帶入相應(yīng)的值調(diào)整即可。隨著溫度的下降，接觸面上的壓力會(huì)不斷上升，推入量需要不斷增加。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)初期，通過易獲得的參數(shù)按簡(jiǎn)單驗(yàn)算公式(9)進(jìn)行核算，可以對(duì)螺旋槳油壓無(wú)鍵安裝設(shè)計(jì)結(jié)果獲得預(yù)判。公式(9)計(jì)算結(jié)果不大于0時(shí)，即S2-S1為0或負(fù)數(shù)，甚至在值較小時(shí)，都應(yīng)提前調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，或者改換安裝方式，以避免后期修改。

根據(jù)實(shí)船結(jié)果及對(duì)規(guī)范計(jì)算公式的分析，在進(jìn)行大功率的高速船螺旋槳和螺旋槳軸設(shè)計(jì)時(shí)，可以多選用抗拉強(qiáng)度大的螺旋槳材料，比如Cu4或其他新型的高強(qiáng)度材料；在螺旋槳軸設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮減輕軸系重量，必要時(shí)需要增大軸徑以滿足油壓無(wú)鍵安裝需要；在條件允許的情況下可以通過加長(zhǎng)槳轂和減小錐體錐度的方式，使螺旋槳油壓無(wú)鍵安裝計(jì)算獲得合理結(jié)果。