全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器萬向聯(lián)軸器布置的研究

張方華，史志賽，羅曉園，王建政

(1.船舶與海洋工程動(dòng)力系統(tǒng)國家工程實(shí)驗(yàn)室，上海 201108；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090)

0 引言

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器集舵、螺旋槳于一體，通過回轉(zhuǎn)支承或蝸輪蝸桿裝置，使螺旋槳及整個(gè)下齒輪箱單元繞豎直軸作360°旋轉(zhuǎn)。其作用是為船舶提供任意方向推力，從而大大提高船舶的機(jī)動(dòng)性、操縱性[1]。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的主動(dòng)力一般為船用柴油機(jī)。實(shí)際布置時(shí)，柴油機(jī)曲軸與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸的中心線不是共線，而是平行并有一定間距。此類柴油機(jī)飛輪與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸間的中間軸系，需采用2根萬向聯(lián)軸器，布置在中間軸系的拐角處。如果柴油機(jī)的額定功率、額定轉(zhuǎn)速等確定后，可對應(yīng)找到萬向聯(lián)軸器的類型。同一類型下，萬向聯(lián)軸器會(huì)有不同的長度范圍和最大角度。在中間軸系中布置萬向聯(lián)軸器時(shí)，涉及的參數(shù)較多，如：主機(jī)飛輪到全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸的水平距離、豎直間距，以及萬向聯(lián)軸器的長度范圍、短軸長度、軸系傾斜角度等，而現(xiàn)有文獻(xiàn)并未對此進(jìn)行探討，因此有必要研究相關(guān)參數(shù)的確定方法。

本文通過數(shù)學(xué)分析、實(shí)例計(jì)算等，給出參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終確定萬向聯(lián)軸器實(shí)際布置時(shí)角度、長度的辦法。

1 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的軸系布置

1.1 軸系布置特點(diǎn)

(1)有的船型(如港作拖船)因空間限制，柴油機(jī)與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器只能布置在不同船艙內(nèi)，通過中間軸系連接起來。

(2)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸的中心線位置較高，與基線距離較大，而柴油機(jī)位置一般比較低，曲軸中心線與基線距離較近，導(dǎo)致柴油機(jī)曲軸與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸的中心線在高度方向上有一定間距。

(3)為了滿足萬向聯(lián)軸器布置及相關(guān)要求，柴油機(jī)曲軸與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸的中心線通常采用平行布置。因此，柴油機(jī)與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器間的中間軸系一般包含1根斜線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高度方向、長度方向上的連接。而斜線與拐點(diǎn)處需各設(shè)置1個(gè)萬向聯(lián)軸器，用于實(shí)現(xiàn)變角度傳遞柴油機(jī)動(dòng)力。

1.2 萬向聯(lián)軸器布置的特點(diǎn)

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器軸系一般采用十字軸式萬向聯(lián)軸器。該聯(lián)軸器能實(shí)現(xiàn)兩軸連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，具有傳遞扭矩可靠、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)。當(dāng)兩軸線不在同一直線時(shí)，為消除單個(gè)萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速周期性波動(dòng)，保證主、從動(dòng)端的同步性，一般采用雙聯(lián)型式[3]，即每個(gè)萬向聯(lián)軸器包含2個(gè)十字軸式萬向節(jié)。

1.3 萬向聯(lián)軸器布置需滿足的條件

為了使主、從動(dòng)軸的角速度相等，布置萬向聯(lián)軸器時(shí)需滿足下列3個(gè)條件[2-3]：

(1)中間軸與主、從動(dòng)軸間的軸線折角相等。

(2)中間軸兩端的叉頭位于同一相位。

(3)主、從動(dòng)軸與中間軸3個(gè)軸的中心線在同一平面內(nèi)。

2 萬向聯(lián)軸器布置的分析

2.1 萬向聯(lián)軸器布置的參數(shù)簡介

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、柴油機(jī)、中間軸系常用的布置形式簡圖見圖1。萬向聯(lián)軸器的數(shù)量為2件，分別設(shè)置在中間軸系拐點(diǎn)處，且為可伸縮型。左側(cè)萬向聯(lián)軸器用于連接全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸與長軸組件，右側(cè)萬向聯(lián)軸器用于連接長軸組件與短軸組件，高彈性聯(lián)軸器設(shè)置在柴油機(jī)飛輪與短軸組件之間[5]。

①—全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器；②—萬向聯(lián)軸器；③—長軸組件；④—短軸組件；⑤—高彈性聯(lián)軸器；⑥—柴油機(jī)；b—萬向聯(lián)軸器十字軸中心與安裝接合面間的距離；H—全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸中心線與柴油機(jī)曲軸中心線間的距離；L—全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器豎直軸中心線與柴油機(jī)飛輪輸出端面間的距離；L1—全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器豎直軸中心線與輸入軸安裝接合面間的距離；L2—萬向聯(lián)軸器十字軸中心與L5端點(diǎn)的距離；L3—萬向聯(lián)軸器兩十字軸中心間的距離；L4—長軸組件的長度；L5—長軸組件中心線與柴油機(jī)曲軸中心線、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸中心線交點(diǎn)間的距離；L6—短軸組件的長度；L7—高彈性聯(lián)軸器兩端面間的距離；β—長軸組件中心線與全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸中心線或柴油機(jī)曲軸中心線間的夾角；L′—2件萬向聯(lián)軸器十字軸中心線間的水平距離。圖1 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、柴油機(jī)、中間軸系布置簡圖[4]

2.2 萬向聯(lián)軸器布置的參數(shù)分析

(1)考慮實(shí)際情況，β的取值范圍為β∈(0,90°)，β/2即軸線折角。為了保證4個(gè)軸線折角相等，根據(jù)三角形全等判定定理，設(shè)置4個(gè)相同的尺寸L2、2個(gè)相同的尺寸L3。

(2)一般情況下，柴油機(jī)、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的位置是基本確定的，即尺寸L、H是基本確定的。

(3)萬向聯(lián)軸器是標(biāo)準(zhǔn)、系列化產(chǎn)品，當(dāng)柴油機(jī)額定功率、額定轉(zhuǎn)速確定后，萬向聯(lián)軸器的型號基本確定，即尺寸b基本確定。而對于某一型號的萬向聯(lián)軸器，尺寸L3有最小值，并有一個(gè)伸縮范圍，即尺寸L3有最大值，因此尺寸L2、L3可根據(jù)實(shí)際情況確定。在實(shí)際軸系安裝過程中用到的對中工具長度為b+L2。

(4)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器為標(biāo)準(zhǔn)、系列化產(chǎn)品。在選定廠家后，尺寸L1是可以確定的。

(5)尺寸L4根據(jù)實(shí)際情況確定。由圖1可知，尺寸L5=L4+2L2+2b。

(6)尺寸L6根據(jù)實(shí)際情況確定，最小值需滿足布置、安裝、維修要求。

(7)尺寸L7在選定廠家、型號后可基本確定。

(8)尺寸L′=L-L1-L6-L7-2b。若尺寸L增大，L1、L6、L7、b減小，尺寸L′則增大。

(9)根據(jù)圖1，可以得到下列關(guān)系式：

(1)

(2)

(3)

(10)假設(shè)尺寸H、L′不變，將角度β看作尺寸L2的函數(shù)，求導(dǎo)可得下式：

(4)

若假設(shè)尺寸H、L2不變，將角度β看作尺寸L′的函數(shù)，求導(dǎo)可得下式：

(5)

若假設(shè)尺寸L′、L2不變，將角度β看作尺寸H的函數(shù)，求導(dǎo)可得下式：

(6)

由以上可知：若尺寸H、L2減小，尺寸L′增大，則角度β減小，有利于提高萬向聯(lián)軸器的使用壽命、傳遞效率。

2.3 萬向聯(lián)軸器參數(shù)的調(diào)節(jié)

2.3.1 減小尺寸H的辦法

(1)在結(jié)構(gòu)等方面允許的條件下，降低全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器輸入軸中心線的高度，提高柴油機(jī)曲軸中心線的高度。

(2)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、柴油機(jī)尾翹一定角度(順時(shí)針旋轉(zhuǎn))，一般不超過3°。尾翹一定角度后，在減小尺寸H的同時(shí)，增大了尺寸L′。

2.3.2 增大尺寸L′的辦法

(1)在結(jié)構(gòu)等方面允許的條件下，往船尾方向移動(dòng)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，往船首方向移動(dòng)柴油機(jī)，即增大尺寸L。

(2)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、柴油機(jī)尾翹一定角度。

(3)在可選擇或者允許的范圍內(nèi)，選取較小尺寸的L1、L6、L7、b。

(4)由于中間軸系的中心線一般平行于船中心線，若在結(jié)構(gòu)等方面允許的條件下，將中間軸系的中心線旋轉(zhuǎn)一定角度，在保證尺寸H不變時(shí)，可增大尺寸L′。

2.3.3 減小尺寸L2的辦法

尺寸L2與尺寸L3有關(guān)。在尺寸L3的限定范圍內(nèi)，選取較小值，在一定程度上可減小尺寸L2。

上述具體辦法的選擇，需根據(jù)實(shí)際情況確定。

3 萬向聯(lián)軸器布置的實(shí)例計(jì)算與分析

3.1 萬向聯(lián)軸器布置的實(shí)例參數(shù)

某港作拖船采用柴油機(jī)作為主動(dòng)力，配置全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，相關(guān)尺寸如下：

b=175 mm，H=1 446 mm，L=10 938 mm，L1=1 297 mm，L6=980 mm，L7=468 mm，L′=7 843 mm。

若尺寸L3確定，則可確定尺寸L2、L4、L5及角度β，且一般角度β≤15°[6]。尺寸L3需考慮在萬向聯(lián)軸器最小長度的基礎(chǔ)上，增加一定量，并且不能超過萬向聯(lián)軸器的最大長度，暫定尺寸L3=857 mm。

根據(jù)上述公式，可求得：β≈11.701 56°，L2≈430.74 mm，L4≈5 918.20 mm，L5≈7 129.69 mm。

3.2 L3的影響

增大、減小尺寸L3，可以得到相應(yīng)的尺寸L2、L4、L5及角度β。計(jì)算結(jié)果顯示，若在允許范圍內(nèi)選取較小的L3值，可減小角度β，但變化不是很明顯。

3.3 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和柴油機(jī)尾翹的影響

若保持尺寸L3=857 mm不變，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、柴油機(jī)分別尾翹1°、2°、3°(全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器以豎直中心線與船體安裝面交點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，柴油機(jī)以曲軸中心線與飛輪安裝面交點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn))，計(jì)算尺寸L2、L4、L5及角度β。計(jì)算結(jié)果顯示，在減小尺寸H的同時(shí)，增大了尺寸L′，角度β減小非常明顯。因此在允許的條件下，這是減小角度β的有效方式。

3.4 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和柴油機(jī)俯視中心線轉(zhuǎn)角的影響

若保持尺寸H=1 446 mm、L3=857 mm不變，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、柴油機(jī)尾翹0°，俯視的軸系中心線轉(zhuǎn)動(dòng)1°、3°、6°、10°，且保持全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器豎直中心線與船體安裝面的交點(diǎn)、柴油機(jī)曲軸中心線與飛輪安裝面的交點(diǎn)在船長方向的位置不變，計(jì)算尺寸L2、L4、L5及角度β。計(jì)算結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大，角度β越小，且若要明顯減小角度β，需要較大的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。因此，若在允許范圍內(nèi)，采用較大的轉(zhuǎn)動(dòng)角度可減小角度β。

3.5 設(shè)計(jì)流程圖

綜合上述分析、計(jì)算，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器萬向聯(lián)軸器布置的設(shè)計(jì)流程圖見圖2。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)論

(1)在允許范圍內(nèi)選取較小的L3值，可減小角度β，但變化不是很明顯。

(2)在允許范圍內(nèi)增大尾翹角度，可在減小尺寸H的同時(shí)，增大尺寸L′。此方法是減小角度β的有效方式。

(3)俯視圖軸系中心線需轉(zhuǎn)動(dòng)較大角度，才可有效減小角度β等。