船用液压螺母壁厚计算研究

金来 张裕东

摘 要：在船舶軸系中，液压螺母用于无键螺旋桨的安装。其结构尺寸受轴系设备的影响，但合理的设计不仅可以提高其安全性，还可以节约材料，降低造船成本。本文探讨了液压螺母壁厚计算的问题，为液压螺母的设计和计算提供了参考。

关键词：液压螺母;壁厚;螺旋桨安装

中图分类号：U664.33文献标识码：A文章编号：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

液压螺母用于无键螺旋桨的液压安装，是由液压千斤顶安装发展而来的[1]。液压螺母使用时，将其安装于艉轴上，此时根据螺旋桨安装参数，泵入液压油，产生压力以后，活塞便对螺旋桨产生轴向推力，由于艉轴外圆与螺旋桨桨毂内孔有一定的锥度，产生的相对位移使螺旋桨与艉轴形成过盈配合，安装示意图如图1所示。

1 结构设计与分析

液压螺母主要由本体、活塞及密封件等组成，结构如图2所示。液压螺母设计时，活塞位移量应满足螺旋桨安装压入量要求，保证艉轴与螺旋桨桨毂之间的过盈配合;液压螺母输出力（即活塞面积与油压的乘积）应满足螺旋桨安装时的轴向推力要求;液压螺母结构尺寸应满足螺旋桨安装要求。

根据中国船级社《钢质海船入级规范》（2019），液压螺母设计时，应满足外径[D0≥1.5dg]，高度[Η≥0.6dg][2]。船舶轴系中，液压螺母的构造有少许差别，但其工作原理及计算方法几乎是一致的。在机械设计手册以及液压缸的设计资料中，典型液压缸结构未包含类似于液压螺母结构的环形液压缸型式[3-4]。目前，根据相关研究[5-7]，壁厚可以按式（1）进行计算。

[δ=PD2[σ]]                                           （1）

式中，[P]为最高允许压力;[D]为缸体内径;[[σ]]为缸体材料的许用应力。

为了保证液压螺母安全可靠地工作，必须使工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系，这就是强度条件。要保证液压螺母在负载力的作用下不至于破坏，就需要确定液压螺母本体材料的许用应力。材料的抗拉强度和许用应力之比被称为安全系数。目前，学者对安全系数的设计认识并不一致，部分学者认为应以材料的弹性失效作为破坏准则，即结构上某一点的应力达到屈服极限时，整个结构便失去正常工作能力;而部分学者认为应根据材料的塑性失效为准则，即虽然局部发生屈服，但其他部分仍处于弹性状态，处于弹性状态的材料对屈服的局部起着限制作用，不会导致整个结构的破坏[8]。

液压螺母作为螺旋桨安装的一种安装工具，使用时必须非常小心，为了避免出现突然高压或者冲击力的情况，防止推力过大而造成轴系安装事故或产品报废，安全系数可取小些。

另外，式（1）为液压缸通用计算公式，并没有给出使用条件或适用范围。笔者认为，在不同的条件下，公式应有不同的修正范围，特别是在超高压的应用上，计算公式应有差别。

2 受力分析

为进一步分析液压螺母本体的受力情况，取缸壁上一个小单元，研究其受力状态，某点的应力状态一定存在三个平面且相互垂直的三个主应力，即[σ1]、[σ2]、[σ3]都是正应力值，且[σ1]>[σ2]>[σ3]，如图3所示。

用截面法可得，[σ1]、[σ2]、[σ3]分别为：

[σ1=DP2δ]                                        （2）

[σ2=DP4δ]                                        （3）

[σ3=-P]                                         （4）

3 壁厚计算公式的推导

在压力的作用下，液压螺母本体存在轴向拉应力和径向应力，随着本体向外膨胀，其在圆周切线方向上又存在环向拉应力。根据第四强度理论，建立的强度条件为：

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

将主应力值代入式（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）

计算缸体壁厚时，其强度条件应为：

[σ≤[σ]]                                      （7）

式（7）可以转化为：

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

缸体壁厚为：

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

4 结论

随着液压技术的不断发展，船舶上使用的液体压力越来越趋向于高压和超高压。此时，合理的计算方法将具有一定的现实意义。在计算超高压的液压螺母壁厚时，可采用推导公式，但按推导公式计算值设计的液压螺母，与国外同类产品相比，仍有一定的富余量。特别是在大直径的液压螺母中，壁厚的计算值较大，然而在单层缸筒壁厚设计中，纯粹依靠增加壁厚来满足强度的要求是不合理的，故合理的壁厚计算公式及其适用范围的明确仍是今后需要探讨的问题。

参考文献：

[1]船舶钳工工艺编写组.船舶轴系及螺旋桨的修造与安装[M].北京：人民交通出版社，1981.

[2]中国船级社.钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2019.

[3]雷天觉.新编液压工程手册[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[4]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004.

[5]季永生.螺旋桨液压螺母设计[J].船海工程，2012（6）：82-84.

[6]赵贯喜.超高压液压螺母的设计计算[J].煤矿机械，2008（8）：1-3.

[7]陈就，罗明照.液壓自动压砖机拉伸器的设计[J].佛山陶瓷，2002（3）：21-23.

[8]张仁杰.液压缸的设计制造和维修[M].北京：机械工业出版社，1989.