船用液壓螺母壁厚計(jì)算研究

金來(lái) 張?jiān)|

摘 要：在船舶軸系中，液壓螺母用于無(wú)鍵螺旋槳的安裝。其結(jié)構(gòu)尺寸受軸系設(shè)備的影響，但合理的設(shè)計(jì)不僅可以提高其安全性，還可以節(jié)約材料，降低造船成本。本文探討了液壓螺母壁厚計(jì)算的問(wèn)題，為液壓螺母的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供了參考。

關(guān)鍵詞：液壓螺母;壁厚;螺旋槳安裝

中圖分類(lèi)號(hào)：U664.33文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）08-0058-02

Study on Calculation of Marine Hydraulic Nut Wall Thickness

JIN lai ZHang Yudong

（Nantong Navigation Machinery Group Co.， Ltd.，Nantong Jiangsu 226000）

Abstract： In ship shafting， hydraulic nuts are used for the installation of keyless propellers. Its structural size is affected by the shafting equipment， but a reasonable design can not only improve its safety， but also save materials and reduce shipbuilding costs. This paper discussed the calculation of hydraulic nut wall thickness and provided a reference for the design and calculation of hydraulic nuts.

Keywords： hydraulic nut;wall thickness;propeller installation

液壓螺母用于無(wú)鍵螺旋槳的液壓安裝，是由液壓千斤頂安裝發(fā)展而來(lái)的[1]。液壓螺母使用時(shí)，將其安裝于艉軸上，此時(shí)根據(jù)螺旋槳安裝參數(shù)，泵入液壓油，產(chǎn)生壓力以后，活塞便對(duì)螺旋槳產(chǎn)生軸向推力，由于艉軸外圓與螺旋槳槳轂內(nèi)孔有一定的錐度，產(chǎn)生的相對(duì)位移使螺旋槳與艉軸形成過(guò)盈配合，安裝示意圖如圖1所示。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

液壓螺母主要由本體、活塞及密封件等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。液壓螺母設(shè)計(jì)時(shí)，活塞位移量應(yīng)滿(mǎn)足螺旋槳安裝壓入量要求，保證艉軸與螺旋槳槳轂之間的過(guò)盈配合;液壓螺母輸出力（即活塞面積與油壓的乘積）應(yīng)滿(mǎn)足螺旋槳安裝時(shí)的軸向推力要求;液壓螺母結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿(mǎn)足螺旋槳安裝要求。

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》（2019），液壓螺母設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足外徑[D0≥1.5dg]，高度[Η≥0.6dg][2]。船舶軸系中，液壓螺母的構(gòu)造有少許差別，但其工作原理及計(jì)算方法幾乎是一致的。在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)以及液壓缸的設(shè)計(jì)資料中，典型液壓缸結(jié)構(gòu)未包含類(lèi)似于液壓螺母結(jié)構(gòu)的環(huán)形液壓缸型式[3-4]。目前，根據(jù)相關(guān)研究[5-7]，壁厚可以按式（1）進(jìn)行計(jì)算。

[δ=PD2[σ]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[P]為最高允許壓力;[D]為缸體內(nèi)徑;[[σ]]為缸體材料的許用應(yīng)力。

為了保證液壓螺母安全可靠地工作，必須使工作應(yīng)力與材料的許用應(yīng)力之間滿(mǎn)足一定的關(guān)系，這就是強(qiáng)度條件。要保證液壓螺母在負(fù)載力的作用下不至于破壞，就需要確定液壓螺母本體材料的許用應(yīng)力。材料的抗拉強(qiáng)度和許用應(yīng)力之比被稱(chēng)為安全系數(shù)。目前，學(xué)者對(duì)安全系數(shù)的設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)并不一致，部分學(xué)者認(rèn)為應(yīng)以材料的彈性失效作為破壞準(zhǔn)則，即結(jié)構(gòu)上某一點(diǎn)的應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)便失去正常工作能力;而部分學(xué)者認(rèn)為應(yīng)根據(jù)材料的塑性失效為準(zhǔn)則，即雖然局部發(fā)生屈服，但其他部分仍處于彈性狀態(tài)，處于彈性狀態(tài)的材料對(duì)屈服的局部起著限制作用，不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞[8]。

液壓螺母作為螺旋槳安裝的一種安裝工具，使用時(shí)必須非常小心，為了避免出現(xiàn)突然高壓或者沖擊力的情況，防止推力過(guò)大而造成軸系安裝事故或產(chǎn)品報(bào)廢，安全系數(shù)可取小些。

另外，式（1）為液壓缸通用計(jì)算公式，并沒(méi)有給出使用條件或適用范圍。筆者認(rèn)為，在不同的條件下，公式應(yīng)有不同的修正范圍，特別是在超高壓的應(yīng)用上，計(jì)算公式應(yīng)有差別。

2 受力分析

為進(jìn)一步分析液壓螺母本體的受力情況，取缸壁上一個(gè)小單元，研究其受力狀態(tài)，某點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)一定存在三個(gè)平面且相互垂直的三個(gè)主應(yīng)力，即[σ1]、[σ2]、[σ3]都是正應(yīng)力值，且[σ1]>[σ2]>[σ3]，如圖3所示。

用截面法可得，[σ1]、[σ2]、[σ3]分別為：

[σ1=DP2δ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[σ2=DP4δ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

[σ3=-P]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

3 壁厚計(jì)算公式的推導(dǎo)

在壓力的作用下，液壓螺母本體存在軸向拉應(yīng)力和徑向應(yīng)力，隨著本體向外膨脹，其在圓周切線(xiàn)方向上又存在環(huán)向拉應(yīng)力。根據(jù)第四強(qiáng)度理論，建立的強(qiáng)度條件為：

[12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]≤[σ]]? ? ? （5）

將主應(yīng)力值代入式（5）可得：

[[σ]=12[（σ1-σ2）2+（σ2-σ3）2+（σ3-σ1）2]=12[（DP2δ-DP4δ）2+（DP4δ-P）2+（-P-DP2δ）2]≈3DP4δ+P]? ? ?（6）

計(jì)算缸體壁厚時(shí)，其強(qiáng)度條件應(yīng)為：

[σ≤[σ]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式（7）可以轉(zhuǎn)化為：

[3DP4δ+P≤[σ]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（8）

缸體壁厚為：

[δ=34×DP[σ]-p]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（9）

4 結(jié)論

隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，船舶上使用的液體壓力越來(lái)越趨向于高壓和超高壓。此時(shí)，合理的計(jì)算方法將具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。在計(jì)算超高壓的液壓螺母壁厚時(shí)，可采用推導(dǎo)公式，但按推導(dǎo)公式計(jì)算值設(shè)計(jì)的液壓螺母，與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品相比，仍有一定的富余量。特別是在大直徑的液壓螺母中，壁厚的計(jì)算值較大，然而在單層缸筒壁厚設(shè)計(jì)中，純粹依靠增加壁厚來(lái)滿(mǎn)足強(qiáng)度的要求是不合理的，故合理的壁厚計(jì)算公式及其適用范圍的明確仍是今后需要探討的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

[1]船舶鉗工工藝編寫(xiě)組.船舶軸系及螺旋槳的修造與安裝[M].北京：人民交通出版社，1981.

[2]中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2019.

[3]雷天覺(jué).新編液壓工程手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005.

[4]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[5]季永生.螺旋槳液壓螺母設(shè)計(jì)[J].船海工程，2012（6）：82-84.

[6]趙貫喜.超高壓液壓螺母的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].煤礦機(jī)械，2008（8）：1-3.

[7]陳就，羅明照.液壓自動(dòng)壓磚機(jī)拉伸器的設(shè)計(jì)[J].佛山陶瓷，2002（3）：21-23.

[8]張仁杰.液壓缸的設(shè)計(jì)制造和維修[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.