法兰式液压联轴器抗冲击性能分析

吴　晖，周少伟

(1．海军驻第七○一研究所军事代表室，湖北武汉430064; 2．华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074; 3．中国船舶研究设计中心，湖北武汉430064)

法兰式液压联轴器抗冲击性能分析

吴晖1，2，周少伟3

(1．海军驻第七○一研究所军事代表室，湖北武汉430064; 2．华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉430074; 3．中国船舶研究设计中心，湖北武汉430064)

摘要:法兰式液压联轴器作为船舶动力传递的关键部件，在造船工业中得到了越来越广泛的应用，但目前对其抗冲击特性研究较少。本文基于非线性接触理论，建立某法兰式液压联轴器接触模型，获得最大负载工况下联轴器各部件的应力分布。在此基础上，基于现代冲击理论，分别采用频域法和时域法进行抗冲击特性分析。计算得到液压联轴器在冲击载荷作用下的应力分布，为舰载设备抗冲击性能评估和设计提供依据。研究结果表明，该型液压联轴器符合抗冲击性能要求。

关键词:法兰式液压联轴器;接触应力;抗冲击;频域;时域

Analysis of the anti-shock performance for flanged hydraulic coupling

WU Hui1，2，ZHOU Shao-wei3
(1．Military Representative Office in the 701 Institute，Wuhan 430064，China;2．School of Naval Archetecture and Ocean Engieering，Huazhong University and Technology，Wuhan 430074，China; 3．China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China)

Abstract:Flanged hydraulic couplingis an important junction and is being widely used in modem naval shaftingsystem．However，few researches have been studied on its anti-shock performance．Based on nonlinear contact theory，a finite element model of a flanged hydraulic coupling was built in this paper．The distribution of the contact stress was obtained in the working condition of maximum load．Furthermore，based on modern impact theory，its anti-shock performance was studied in both frequency and time domain withthe consideration of the contact stress．The stress was obtained from the anti-shock simulation which could be useful for anti-shock design and evaluation．The results indicated that the design of flanged hydraulic coupling met the requirement of anti-shock．

Key words:flanged hydraulic coupling; contact stress; anti－shock; frequency domain;time domain

0　引言

现代舰船在海战中必然面临各种爆炸引起的冲击载荷。随着导弹、激光炸弹以及水中兵器的发展，爆炸当量和冲击持续时间明显增加。精确制导技术的应用大大提高了武器命中率，使舰船面临的冲击环境进一步恶化［1］。在冲击环境下舰载设备可能由于无法承受大的加速度和位移而遭到破坏，从而导致舰船机动性、战斗力的丧失，陷于被动局面。因此，提高舰载设备的抗冲击能力对提高舰船生命力和战斗力具有重大意义［2－3］。法兰式液压联轴器是舰船动力传递的关键部件，在舰船设备中占有重要地位，在冲击安全级别中属A级(最高级)设备。因此，开展舰用法兰式液压联轴器抗冲击性能研究，对提高舰船生命力和战斗力都具有非常重要的意义。

1　液压联轴器工作原理

法兰式液压联轴器可避免因采用键槽而对轴系强度产生的削弱作用，具有传递扭矩大、对中性好等优点，在舰船推进系统中得到越来越广泛地应用。

常用液压联轴器一般分为套筒式和法兰式，其工作原理基本相同。液压联轴器的核心部件由2个钢制套管组成，如图1所示。内套外表面和外套内表面具有相同的锥度。液压联轴器安装时利用径向油压，使外套和内套均产生弹性变形(外套扩大，内套收缩)。在轴向油压推动下，外套逐渐向锥面大端移动。当外套到达设计位置后，释放径向油压，由于内/外套间的过盈配合致使外套、内套和传动轴相互抱紧。工作时依靠联轴器内/外套以及传动轴三者配合面间的摩擦力传递动力轴的输出扭矩与推力。

图1　液压联轴器结构组成剖视图Fig.1　Sectional view of the hydraulic coupling

2　抗冲击分析理论基础

2.1频域分析法

频域分析法是将设计冲击谱作为系统的冲击输入。通过对系统数学模型模态分析、模态分析结果合成，从而求得系统的冲击响应［4］。动态设计分析法是常用的频域分析法。设计冲击谱随舰艇类型、设备安装位置以及设备各级模态质量的不同而不同［5］。舰用液压联轴器属于A类设备，计算公为

式中: A0为加速度，m/s2; V0为速度，m/s; ma为模态质量，t。

根据文献［5］，采用NRL方法进行模态合成，如式(3)所示。

式中: xib为任一阶模态的最大响应; xia为对应a阶模态的响应; xi为合成后的响应。

根据文献［5］，频域抗冲击分析需对液压联轴器各部件的综合应力进行抗冲击性能校核，即将冲击模型计算得到的最大冲击应力与工作载荷作用下的最大工作应力进行绝对值相加，如下式:

式中:σ为综合应力;σdyn为冲击载荷下的最大冲击应力;σ0为最大负载工况下的最大工作应力。

液压联轴器由于过盈配合产生的接触应力以及传递扭矩与推力产生的应力均为连续工作应力，故频域法最终计算结果应包含上述应力值。

2.2时域分析法

DDAM法最大优点是节约计算资源，但也存在不足，如不能考虑阻尼效应、不能考虑非线性效应和间隙效应等。时域分析法是目前国内外广泛用于评价抗冲击性能的另一种计算方法。该方法采用实测的时间历程曲线或标准基础输入时程曲线作为设备的冲击输入载荷，对设备进行瞬态动响应分析。时域分析法可以对各种非线性因素进行精确仿真。本文采用德军标BV043/85中规定的双三角加速度时间历程曲线作为时域冲击载荷谱(见图2)。

图2　双三角形时域曲线Fig.2　Double triangle curve on time domain

表1　BV043/85抗冲击谱Tab.1 Shock spectrum of BV043/85

2)对于设备质量大于5 t的隔离系统，冲击谱速度和加速度需要进行折减，折减公式为:

式中: m为隔离安装的设备质量，t; m0为质量常数，恒等于5 t; A为折减后的加速度谱值，g; V为折减后的速度谱值，m/s。

计算输入载荷依据表1和图2来确定，图2中参数计算方法为:

3　数值建模

3.1接触应力分析数值建模

装配完成后的法兰式液压联轴器接触分析模型如图3所示。联轴器外套与内套存在过盈配合，内套与传动轴之间形成接触配合。在上述配合面间建立接触关系，并通过接触面间的几何过盈量来模拟接触面间的过盈配合。

施加边界时，连接法兰端面固支。同时，定义一个参考点，并传动轴端面建立耦合关系。通过在参考点施加最大工作扭矩和推力来模拟传动轴所传递的最大负载。

图3　液压联轴器接触分析网格模型Fig.3　Mesh model of hydraulic coupling contact analysis

3.2抗冲击分析数值建模

法兰式液压联轴器抗冲击模型包括传动轴、连接轴、法兰式液压联轴器及液压螺栓(液压螺栓设计原理同液压联轴器相似，由套筒、螺杆、螺母等主要部件组成，本模型中共含15个液压螺栓)，如图4所示。液压联轴器与连接轴连接，在传动轴及连接轴两外端面施加固支约束。冲击载荷经支承轴承从2根轴的外端面输入。

抗冲击计算频域法与时域法的网格模型相同，但接触面间的接触关系及边界条件有所不同。主要区别如下:

1)由于DDAM法不能考虑非线性因素，因此，采用DDAM法时联轴器内套与传动轴、联轴器内套与外套、液压螺栓套筒与螺杆、液压螺栓套筒与螺栓孔等接触面之间的关系均采用Tie绑定关系。

2)采用时域法建模时同样固支传动轴及连接轴外侧端面，三角冲击波施加在2根轴外端面上。为了精确计算联轴器抗冲击响应，并减少计算规模，联轴器外套、内套与传动轴三者间的接触面采用Contact接触定义，其余接触面采用Tie绑定连接。在2根轴的外端面施加某方向冲击载荷谱时，需先解除该冲击方向的固定约束。

3.3材料属性

本文以某舰船用法兰式液压联轴器为分析对象，对其最大负载工况下的接触应力及抗冲击性能进行研究。液压联轴器各部件及轴段材料属性如表2所示。最大负载工况下推进轴系所传递的扭矩为3 600 kN·m，推力为1 700 kN。

表2　各部件材料属性Tab.2　Material properties of each component

对液压联轴器而言，各接触面间的摩擦系数将对其性能产生很大的影响作用。通过试件测试获得不同接触面间的摩擦系数值，如表3所示。

表3　接触面摩擦系数Tab.3　Friction coefficient of contact surface

4　计算结果分析

4.1接触应力计算结果

最大负载工况下，液压联轴器工作应力仿真计

算结果如图5～图6所示。从计算结果分析可知，整个结构最大应力出现在内外套接触边缘。外套最大值为648.6 MPa，内套为333.5 MPa。液压联轴器所有零件应力均小于材料屈服极限，说明该液压联轴器能承受推进轴系的最大负载。

图5　最大负载工况下外套应力分布云图Fig.5　Jacket stress contours at maximum load conditions

图6　最大负载工况下内套应力分布云图Fig.6　Inner jacket stress contours at maximum load conditions

图7　垂向冲击外套应力分布云图Fig.7　Jacket stress contours upon vertical shock

图8　垂向冲击内套应力分布云图Fig.8　Inner jacket stress contours upon vertical shock

表4　垂向冲击时联轴器各部件综合应力值Tab.4　Mises stress of each components of hydraulic coupling upon vertical shock

依据文献［5］规定，抗冲击分析综合应力应小于材料屈服强度，故联轴器内/外套均符合抗冲击要求。

4.3时域法计算结果

在时域分析模型中，通过定义分析步，首先对液压联轴器进行最大负载工况下的受力分析，获得联轴器工作应力分布。在此基础上，再根据输入的时域冲击载荷进行动力学响应分析。最终所得到的计算结果即为冲击应力与工作应力的综合应力。

时域法计算结果如图9和图10所示。联轴器外套和内套最大应力点在整个计算时间历程内的应力变化时程图如图11和图12所示。从图中可知，联轴器外套与内套最大应力分别为738.76 MPa和370.10 MPa，出现在0.604 ms和10.863 ms时刻，均未超出材料屈服强度，符合抗冲击要求。

图9　外套应力分布(0.604 ms)Fig.9　Jacket stress contours (0.604 ms)

图10　内套应力分布(10.863 ms)Fig.10　Inner jacket stress contours (10.863 ms)

图11　联轴器外套最大应力点应力时历曲线Fig.11　The time history plot of the maximum stress point's stress on jacket

图12　联轴器内套应力最大点应力时历曲线Fig.12　The time history plot of the maximum stress point's stress on inner jacket

5　结语

本文基于非线性接触理论，建立了液压联轴器接触模型，获得了最大负载工况下的联轴器内/外套应力分布。基于现代冲击理论，建立了液压联轴器抗冲击分析模型，分别对某型法兰式液压联轴器进行了频域和时域抗冲击性能仿真计算。通过对数值计算结果分析得出以下结论:

1)通过对最大负载工况下的应力分析，发现在液压联轴器内外套接触边缘即外套尖角处出现最大应力，产生应力集中。这是联轴器的薄弱环节，在设计过程中应采取相应措施加以避免。

2)分别采用频域和时域法对联轴器进行抗冲击分析。计算结果表明，该型联轴器符合抗冲击性能要求。

3)通过对联轴器内/外套相同节点应力值的对比发现，2种方法计算结果比较接近。这样也达到了相互验证的作用，证明计算结果可信。

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作者简介:吴晖(1979－)，男，工程师，从事专业舰船设计。

收稿日期:2015－01－22;修回日期: 2015－03－16

文章编号:1672－7649(2015) 07－0038－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.009

中图分类号:U664．21

文献标识码:A