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毕业论文网 > 开题报告 > 理工学类 > 轮机工程 > 正文

大型船舶轴系液压联轴器强度与抗冲击性能仿真分析开题报告

 2020-02-10 11:02  

1. 研究目的与意义(文献综述)

1. 目的及意义(含国内外的研究现状分析)

1.1. 研究目的

主动力装置是舰船最重要的设备之一。其输出的功率经传动装置和轴系带动螺旋桨,推动舰船前进。主动力装置通常包括主机、传动设备、舰船轴系和推进器等,其任务是产生推进动力,经由传动设备和轴系传动,通过推进器推动舰船正常航行。因此,舰船主动力装置的可靠性和稳定性都直接影响到舰船的正常运行。船舶推进轴系是船舶动力系统的一个重要组成部分,它包括从主机输出端推力轴承直到螺旋桨之间的传动轴以及轴上的附件。轴系在冲击载荷下的位移响应和轴承座的应力大小直接关系到船舶动力系统的生存能力。

联轴器是用来联接不同机构中的两根轴(主动轴和从动轴)使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中,有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成,分别与主动轴和从动轴联接。船舶系统和设备的抗冲击性能是非常重要的性能,必须在论证和设计阶段就进行评估和预测。液压联轴器是重要的轴系传扭件,在应用于船舶、轧机、汽轮机等设备上将承受复杂的动载荷,研究液压联轴器的动力学特性具有重要意义。

1.2. 研究意义

在重型机械,特别是舰艇船舶以及大型化工机械等设备中,联轴器的工作性直接影响到整台设备或机组的工作情况。由于这些设备需要传递的扭矩往往很大,而且越来越大,所以,所要求的联轴器的尺寸也越来越大,对联轴器的工作性能和使用寿命的要求也不断提高。一味增加轴的半径,一方面会增加整个设备的尺寸,使设备变得庞大、笨重,还会增加生产成本;另一方面,单纯的靠增加轴的径向尺寸并不能得到理想的效果,并不能很好的解决问题。

大型联轴器在工作过程中要求能够长期稳定运行。为保证所联接两轴的同心度、避免振动,一般大型的联轴器与轴的配合都采用过渡配合或过盈配合。较小尺寸的联轴器,靠机械敲打或推压等方式可以将联轴器与轴装配起来,但往往在装配过程中把联轴器套筒内壁和轴拉毛,而大型的联轴器靠机械敲打根本就不能装配。为避免拉毛和装配困难,大型联轴器在安装过程中一般采用热套或温差法进行装配。联轴器的维修拆卸更困难,强行的拆卸常常将联轴器和轴损坏,轻者也要把联轴器套筒内壁和轴拉毛,而且往往要花费很长的时间,严重影响设备的正常运行,并带来重大的经济损失。

与传统联轴器相比,液压联轴器利用过盈配合产生的摩擦力来传递扭矩和轴向力,具有结构简单、装拆方便和传扭能力强等优点。被连接的轴上不用开键槽,也不用安装键,通过很高的油压将轴壳弹性扩大后装配到轴上,油压释放后轴壳收缩,使轴和联轴器轴壳之间形成过盈配合,达到牢固连接的目的。液压联轴器在高压(60Mpa-120MPa)情况下长期运行的一种新型传动件,其所传递的扭矩与压力成正比。对提高传动设备的安全性和可靠性具有重要意义,目前已广泛应用于工程实践。液压联轴器的应用很好的解决了上述问题。液压联轴器最初应用于舰艇和船舶,现在也越来越广泛的应用于其他各个行业,并取得了良好的效果,具有很高的推广价值。

80%-90%的实验船、科考船、海巡船、拖轮、客滚船、挖泥船等特殊用途工程船的中间轴和艉轴连接形式通常采用液压套筒式联轴器联接,而且该结构形式在工程船中的运用呈现越来越广泛的趋势。

1.3. 国内外研究现状分析

1.3.1. 液压联轴器

如图1.1,液压联轴器主要由内套、外套、密封环、活塞压环和螺栓等零部件组成。内套较薄,是单独的一个零件,内套内表面呈圆柱面,圆柱面上会开有螺旋环槽,用来储油和容屑,以保护内表面和轴的外表面;内套外表面呈锥面,锥度很小(一般为1:80-1:100)。

图1.1 液压联轴器结构组成和工作原理图

1-内套;2-外套;3、4-螺孔;5-密封环;6-活塞压环;7-螺栓

外套较厚,而且现在多是双层组合式外套部件,由外套内层和外套外层组成。外套内层的内表面也呈圆锥面,并且具有与内套外表面相同的锥度;外套外层的外表面呈圆柱面。外套内层外表面和外套外层内表面是具有相同基本尺寸,且具有过盈配合尺寸公差的圆柱面,一般在装配之前,外套内层和外套外层都先以热套的方式装配成一体。在外套内层的内锥面上开有螺旋形环槽,并由油孔3与外部相连;外套内层一端与内层之间留有空间,并由油孔4与外部相连。外套上的油孔只有在液压联轴器装卸时与油管联接,工作和搬运时要用密封螺钉密封。

密封环用于外套内层一端与内套之间的空隙(背压油腔)内,用来封油,材料一般为耐油橡胶,具有弹性,其厚度一般为6-8mm,内锥面和外圆表面分别与内套外表面和外套内层内表面过盈配合。

活塞压环也用于背压油腔内,其内表面开有螺纹,与内套相配合,外表面呈圆柱面。活塞压环紧压在密封环外,保证密封环的密封效果。活塞压环端面留有圆柱盲孔,以便于装卸活塞压环。

外套端面上留有螺纹孔,可用于液压联轴器的起吊搬运或联接密封螺栓等。

1.3.2. 液压联轴器工作原理

如图1.1,内套套在两轴端部的外表面上,内套的内表面与轴的外表面有一定的间隙,其配合间隙一般为0.08-0.10mm,这个间隙能够保证,在自然状态下,内套与轴能够轻松的装配和拆卸。当外套紧套在内套的外表面时,自高压油孔3向外套内表面的环槽内泵入高压油,在内外套配合锥面之间形成高压油膜(形成径向油压)。

高压油的压力一方面将内套紧压在两轴的表面上,使内套与轴之间产生轴向和周向的摩擦力,即内套被固定;另一方面又作用在外套的内壁,使外套径向扩张,在临界时刻外套“悬浮”于高压油膜上,该状态下外套在轴向上一旦受力容易发生轴向移动。此时,利用中压油泵通过油孔4向背压油腔内泵油(形成轴向油压),由于活塞压环和密封环与内套连为一体,已被固定,所以背压油腔产生的轴向油压将外套推向内套外径较大的一端。不断泵入高压油和中压油,径向油压越大,泵油越多,外套径向变形越大,在背压油作用下其轴向位移也越多。一直等外套轴向完全移动到位后,将径向、轴向油压依次放出,油膜压力消失,外套的弹性恢复力使外套紧抱在内套上,内套紧压在两轴的端部表面上,并使内外套之间以及内套与轴之间产生很大的摩擦力,液压联轴器工作时就是利用此摩擦力来传递扭矩的,所以液压联轴器属于无键联接。

1.3.3. 故障归纳

表1.1 拆卸中出现的问题及原因分析

序号

原因分析

判断方法

1

造成联轴器大端漏油的原因:内外套的锥面接触不良,不能形成有效密封面

拆出后色油试丹检查

2

内套与外套之间相对移动距离不够

使用辅助外力加大移动距离

3

内套与外套之间存在异物造成漏油

拆出外套后检查接触面

4

内套椭圆变形或者是外套椭圆变形

拆出外套后测量检查

5

内套与中间轴之间存在拉伤、锈蚀等缺陷

轴向推动

6

内套与CCP轴之间存在拉伤、锈蚀等缺陷

轴向推动

1.3.4. 国内研究现状

上世纪90年代中后期,液压联轴器、液压螺栓等产品,开始在国内出现,也逐渐开始研究,并在各行业广泛推广应用。1996年,中国第二重型机械(集团)公司从国外引进、研制YAL380GC型液压联轴器,并成功运用于武钢冷轧厂双机平整机上。

孙洪军等人基于ANSYS环境提出一种船舶推进轴系动力学仿真方法,并首次探讨了主机在轴系动力学仿真中的影响。文中从模态分析和瞬态动力学分析两个方面入手,比较了带主机轴系模型与不带主机轴系模型在动力学分析中的差异。并通过一个工程实例,验证了该方法的适用性。

章向明等人针对液压联轴器不同材料双层组合式外套和同种材料3层组合式外套分析了其最佳分层半径,比较了3层组合式外套与单层和双层组合式外套的弹性极限承载能力。结果表明,3层外套的弹性极限承载能力比单层外套的弹性极限承载能力提高了31.4%;3层外套的弹性极限承载能力比双层外套的弹性极限承载能力提高了7.4%。

陈奇等人为了提高船用液压联轴器的承载能力,需对联轴器外套进行自增强处理。采用线性强化模型,得到了液压联轴器外套自增强卸载后的残余应力、自增强压力和安装后的应力公式。公式表明最佳径比不仅与材料的屈服极限、弹性模量、线性强化弹性模量有关,还与鲍辛格效应系数有关。结合《船标》中规定尺寸进行了自增强分析,结果表明自增强外套的承载能力与非自增强外套的相比提高近50%。

崔建波研究了液压联轴器在连接空心轴时其内套内侧的压力在轴向上的分布规律,为确定液压联轴器连接空心轴时的内套壁厚提供了设计依据;开发了与Pro/E软件结合的CAD专家系统,具有良好产品表现形式,以指导液压联轴器选型。邵勇等基于接触理论对某法兰式液压联轴器进行有限元分析,得出如下结论:在内外套过盈配合端部会出现应力集中现象,最大负载工况下的应力要小于油压法装配过程中产生的最大应力。张晓阳等基于现代冲击理论,研究了某舰船用法兰式液压联轴器的抗冲击特性,比较了采用频域和时域法的得到的冲击响应,两种方法相互验证了计算结果的可信性。

柴雪松应用ANSYS软件,比较分析了单层、多层组合筒外套液压联轴器应力分布状况,得出多层组合筒外套的环向应力在层间分布的更均匀。研究了液压联轴器内套与外套之间的配合锥度、过盈量对最大等效应力和接触压力影响,得出过盈量改变接触压力水平,不改变接触压力的分布规律;锥度改变了接触压力沿轴向的分布规律。探讨了多层组合筒外套液压联轴器连接空心轴时的结构应力和接触压力分布。章基于最大剪应力理论,研究了双层不同材料、三层同种材料组合筒外套的最大承载内压,并确定最优分层原则。同时基于第四强度理论、结合遗传算法,对多层组合筒液压联轴器进行了最大承载能力的单目标优化设计。

于国富等人对其创新,设计一种用于船舶舵系的液压联轴器结构,其不会对轴产生局部的疲劳效应,拆装简单方便。

1.3.5. 国外研究现状

液压联轴器是上个世纪80年代中后期瑞典的专利产品,国外对于液压联轴器的研究开展较早,技术也较为成熟,按照研究内容大致可分为三个阶段。第一个阶段开始于20世纪三十年代,这个阶段主要开展了液压无键联接技术的相关研究。该阶段液压无键联接技术主要运用于船舶螺旋桨与螺旋桨轴的联接,产品于20世纪五十年代末期开始在舰船中的应用逐步获得推广,这阶段属于液压联轴器技术的前期研究,并未形成液压联轴器相关产品,但解决了液压联轴器产品的关键技术。

第二阶段是有关液压联轴器产品的形成与推广。这一阶段主要由国外主流液压设备生产公司推动,其中瑞典斯凯孚(SKF)的子公司OK联轴节公司最早在液压联轴器领域研究并形成产品(图1.2),并于1976年申报了该技术的专利。此外,德国萨尔福公司的Griploc型超强扭矩液压联轴器、美国PIGRIM等公司的液压联轴器产品都较为成熟。目前液压联轴器在各国都取得了广泛的应用,并且由最开始的造船行业,扩展到其他需要易拆卸、大扭矩的行业,例如轧机、大型汽轮发电机组转子轴系、大型柴油发动机等场合,并且随着液压联轴器小型化发展趋势,液压联轴器会取得更广泛的运用。

第三阶段是液压联轴器产品相关标准的制定。20世纪70年代初,前苏联制订了液压联轴器的主要参数标准,明确规定了液压联轴器与轴过盈配合的接触压力、配合面锥度、材料的强度与冲击韧性等。美国动力机械工程学会在1985年颁布了主要适用于农业拖拉机的液压联轴器标准(1993修改发布)。2002年,英国发布国防标准-“主推进轴系设计要求”中,规定套筒式液压联轴器选用SKF的OK-HB系列,规定了普通型液压联轴器内套屈服极限不低于450MPa,外套的屈服极限不低于600MPa,增强型外套屈服极限不低于850MPa。

2. 研究的基本内容与方案

2.1. 研究的基本内容

(1)阅读文献,熟悉研究背景,了解联轴器结构种类与工作原理,并重点掌握液压联轴器相关内容;

(2)液压联轴器理论计算,并根据其工作环境建立强度与抗冲击性能模型;

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3. 研究计划与安排

第01-03周:查阅文献,完成开题报告和文献综述;

第04-08周:外文翻译;

第04-05周:厚壁圆筒理论计算;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] 沈荣瀛, 张智勇, 汪玉. 船舶推进轴系冲击响应[j].中国造船,2000,41(3):74-79.

[2] 孙洪军, 郑荣. 船舶推进轴系抗冲击动力学建模与仿真[j].噪声与振动控制,2003,8:16-18.

[3] 章向明, 施华民, 彭彪,等. 船用三层组合外套液压联轴器最优分层分析[j].海军工程大学学报,2006,18(3):18-22.

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