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某大型集装箱船舵杆与舵柄连接方式研究 金 彩,吴金星,刘金花(武汉船用机械有限责任公司,湖北 武汉 4 3 0 0 8 4)摘要 船舶建造正趋于向大型化发展,大型船舶的配套的舵柄体量也随之增大,采购成本及其施工难度也会相应增加。目前,船舶舵柄与舵杆多采用无键油压和有键干压两种连接方式。本文分析研究舵柄与舵杆的连接方式,获得满足要求、便于施工、零件轻量化的最优连接方式,具有重要工程意义;结合船级社规范要求,以某大型集装箱船为例,在舵柄与舵杆的无键油压、有键干压两种传统的安装方式基础上,提出有键油压的第三种连接方式;将三种连接方式对比,并采用有限元方法进行强度校核,得出压入力、压入量、材料屈服强度等方面的结论,从而获得满足实船要求、便于船厂施工、舵柄轻量化的最优连接方式。关键词 舵柄;舵杆;有键油压连接中图分类号:T H 1 3 1 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 7 2 9 7(2 0 2 3)0 0 3 0 0 7d o i:1 0.1 2 0 8 7/o e e t.2 0 9 5-7 2 9 7.2 0 2 3.0 2.0 5R e s e a r c h o n t h e C o n n e c t i o n b e t w e e n T i l l e r a n d R u d d e r o f a L a r g e C o n t a i n e r S h i pJ I N C a i,WU J i n x i n g,L I U J i n h u a(W u h a n M a r i n e M a c h i n e r y P l a n t C o.,L t d.,W u h a n H u b e i 4 3 0 0 8 4,C h i n a)A b s t r a c t S h i p c o n s t r u c t i o n i s t e n d i n g t o l a r g e-s c a l e d e v e l o p m e n t,t h e s i z e o f t h e s u p p o r t i n g t i l l e r o f l a r g e s h i p s a l s o i n c r e a s e s,t h e p r o c u r e m e n t c o s t a n d c o n s t r u c t i o n d i f f i c u l t y w i l l a l s o i n c r e a s e s c o r r e s p o n d i n g l y.A t p r e s e n t,t h e t i l l e r a n d t h e r u d d e r o f t h e s h i p m a i n l y a d o p t t w o c o n n e c t i o n w a y s:h y d r a u l i c-k e y e d c o n n e c t i o n a n d d r y-k e y e d c o n n e c t i o n.B y a n a l y z i n g a n d s t u d y i n g t h e c o n n e c t i o n m o d e s b e t w e e n t i l l e r a n d r u d d e r,t h i s p a p e r o b t a i n s t h e o p t i m a l c o n n e c t i o n m o d e w h i c h m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s,i s c o n v e n i e n t f o r c o n s t r u c t i o n.T h e p a r t s a r e l i g h t w e i g h t,w h i c h h a s i m p o r t a n t e n g i n e e r i n g s i g n i f i c a n c e.C o m b i n e d w i t h t h e r e q u i r e m e n t s o f c l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y,t h i s p a p e r t a k e s a l a r g e c o n t a i n e r s h i p a s a n e x a m p l e,a n d o n t h e b a s i s o f t h e t w o t r a d i t i o n a l c o n n e c t i o n m e t h o d s,p u t s f o r w a r d t h e t h i r d c o n n e c t i o n m e t h o d o f h y d r a u l i c-k e y e d c o n n e c t i o n m e t h o d.T h e t h r e e c o n n e c t i o n m e t h o d s a r e c o m p a r e d i n t h e p a p e r,a n d t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d i s u s e d t o c h e c k t h e s t r e n g t h,a n d t h e c o n c l u s i o n s o f p u s h u p l o a d,p u s h-u p a n d m a t e r i a l y i e l d s t r e n g t h a r e o b t a i n e d.I n t h e e n d,a n o p t i m a l c o n n e c t i o n m o d e w h i c h m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f r e a l s h i p i s o b t a i n e d,w h i c h i s c o n v e n i e n t f o r s h i p y a r d c o n s t r u c t i o n.T h e d e s i g n e d t i l l e r i s l i g h t w e i g h t.K e y w o r d s t i l l e r;r u d d e r;h y d r a u l i c-k e y e d c o n n e c t i o n0 引 言随着航运业竞争日趋激烈,现代船舶建造向大型、高效、低碳、智能化方向发展,这也对船舶航行的舵机提出更高的要求。目前,我国建造的大型船舶如3 0万吨级油轮、2 0 0 0 0T E U以上集装箱船和4 0万吨矿砂船等配套的舵机均为大型柱塞式舵机,舵柄与舵杆等扭矩传递部套体量随吨位越来越大,对其生产制造及其安装要求也越来越高1。开展柱塞式舵机连接方式的研究,从而获取更为轻量化、安装便捷的可靠结构,有着重要的工程意义。作者简介:金彩(1 9 8 3),女,本科,高级工程师,主要从事船舶机械方面的研究。第1 0卷 第2期 2 0 2 3年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E QU I P ME N T A N D T E C HN O L O G YV o l.1 0,N o.2J u n.,2 0 2 3第2期金彩,等:某大型集装箱船舵杆与舵柄连接方式研究3 1 1 柱塞式舵机扭矩传递原理柱塞式舵机的舵柄与舵杆常用的连接型式可分为带键连接和无键连接两种。无键连接的舵柄和舵杆设计有一定的锥度(一般不大于11 0),依靠舵柄与舵杆的过盈来传递扭矩2。根据键的数量,有键连接的舵柄又可分为双键和单键。由于其加工工艺性及安装工艺性较差,双键连接的舵柄已很少使用。目前使用较多的是单键锥度连接的舵柄,依靠键及舵柄与舵杆的锥度共同传递扭矩。舵柄与舵杆连接型式按压装方式又可分为干燥装配(干压)和液压装配(油压)两种3。油压型式的舵柄内孔设计了环形油槽,舵柄与舵杆压装时利用液压泵向舵柄内孔加注压力油使内孔膨胀,配合舵杆上的液压螺母可达到快速压装的目的,如图1所示。相比干压的安装方式,油压安装效率更高,且利于拆卸。2 舵柄与舵杆方案本文以某大型2 4 0 0 0T E U集装箱船为例(配套舵机要求最大工作扭矩为1 1 3 0 k Nm,舵柄臂半径为1 1 6 0mm,入L R船级),在传统的舵柄与舵杆无键油压、有键干压的两种连接型式的基础上,提出第三种有键油压的连接型式。按照L R船级规范对舵柄与舵杆连接的要求4,对舵柄的各部位主要尺图1 舵柄与舵杆压装示意图(油压)F i g.1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t i l l e r a n d r u d d e r a s s e m b l y(h y d r a u l i c-f i t)寸及压入力、压入量等压装参数进行设计。舵柄与舵杆压入力:Pu=0.8 PMltC T Mk3+t2 (1)舵柄与舵杆压入量:w=9 6 1 0-6pMC T Mt(1-f2M)(2)其中,PM为要求的平均压紧应力,N/mm2;lt为锥体长度,mm;C T M为连接器锥体的平均直径,mm;k3为连接常数;t为锥形连接器的锥度;fM为轮毂与轴径比值。各参数具体取值方式参照L R规范表1 3.2.1 0(b)。根据L R规范的计算和设计要求,得出无键油压、有键干压和有键油压3种舵柄方案设计参数,见表1所示。表1 不同连接方式的舵柄设计参数对比表T a b.1 C o m p a r i s o n t a b l e o f d e s i g n p a r a m e t e r s o f t i l l e r w i t h d i f f e r e n t c o n n e c t i o n序号舵柄与舵杆连接方式舵柄高度/mm舵杆规范直径/mm内孔设计锥度压入量/mm压入力/k N要求舵柄屈服/M P a舵柄重量/T1无键油压1 9 0 08 9 01/2 02 8.82 8 7 8 63 0 8.4 52 8.12有键干压1 0 3 08 9 01/2 01 9.34 0 0 9 02 0 2.41 83有键油压1 0 3 08 9 01/2 02 4.91 3 2 4 32 6 0.7 41 83 建模及网格可靠性分析3.1 理论基础及参数为保证仿真结果的可靠性及准确性,首先应确定所研究对象的基础性能及所处环境5、6。本文利用有限元分析软件A N S Y S对3种结构进行强度分析和校核,得出舵柄在相应工况状态下承受舵扭矩的应力状态。对于结构的静强度分析,按照第四强度理论校核7,V o n-M i s e s等效应力e q v应当满足以下条件:e q v=12(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2 (3)其中,e q v为等效应力;1、2和3分别为第1、2和3主应力;为许用应力强度。分析中考虑各材料的塑性,硬化模量设置为2 0 0 0M P a。连接部套设计材料性能见表2。3 2 海洋工程装备与技术第1 0卷表2 连接部套设计材料性能表T a b.2 D e s i g n m a t e r i a l p e r f o r m a n c e t a b l e f o r c o n n e c t i o n p a r t s材料名称弹性模量/G P a泊松比 屈服强度/M P a舵柄S C 4 8 082 1 00.32 9 5舵杆/2 1 00.34 3 0键5 02 1 00.33 2 03.2 模型建立及网格划分根据以上实例设计出的3种舵柄组件,建立3种舵柄、舵杆和键(含有键连接型式)的几何模型,均为装配前的初始状态。分析时,舵柄下移一定距离,得到舵柄舵杆键装配后的模型。移动舵柄模型在几何处理阶段完成。在WO R K B E N C H软件中,使用实体来模拟舵柄、舵杆、键结构。对于接触关键区域,进行局部网格加密处理,面网格尺寸为2 0mm9。网格模型如图2所示。图2中,(a)所示为无键油压连接方式的网格模型,共3 8 4 8 1 6个节点,1 4 0 1 0 1个单元;(b)所示为有键油压连接方式的网格模型,共5 3 6 7 2 0个节点,3 8 0 1 5 6个单元;(c)所示为有键油压的网格模型,共7 4 9 3 6 7个节点,5 2 4 7 2 8个单元。(a)无键油压(b)有键干压(c)有键油压图2 3种连接方式的网格模型F i g.2 M e s h m o d e l s o f t h r e e c o n n e c t i o n m o d e s3.3 网格划分可靠性论证3.3.1 单元类型合理性仿真分析模型中包含3个实体,如图3所示,各实体的单元类型及网格尺寸见表3。分析中使用了S o l i d 1 8 7、S o l i d 1 8 5两种类型的三维固体结构单元。该类型的单元适用于三维实体结构分析,与舵柄结构特性相符,所以认为分析选取的单元类型是合理的1 0。图3 模型结构示意图F i g.3 S k e t c h m a p f o r m o d e l s t r u c t u r e表3 模型的单元类型T a b.3 E l e m e n t t y p e o f m o d e l s实体单元类型单元类型说明舵柄S o l i d 1 8 7三维8节点固体结构单元键S o l i d 1 8 7三维1 0节点四面体固体结构单元舵杆1+舵杆2S o l i d 1 8 7三维1 0节点四面体固体结构单元 3.3.2 网格收敛性有限元分析采用的网格可以得到收敛的模拟结果。如果仿真分析不收敛,得不到应力、变形计算结果;如果部分收敛,在A N S Y S计算结果显示时,“t i m e”后面会有“U n c o n v e r g e d”字样;该计算结果并未出现不收敛及部分收敛的提示,仿真结果收敛,如图4所示。3.3.3 网格尺寸无关性论证以一种工况(过盈+扭矩)的有键油压的型式,对比设定网格与加密网格的舵柄计算结果,如表4和图5所示。第2期金彩,等:某大型集装箱船舵杆与舵柄连接方式研究3 3 图4 A N S Y S分析收敛曲线F i g.4 C o n v e r g e n c e C u r v e o f A N S Y S a n a l y s i s表4 网格无关性分析中的网格设置T a b.4 G r i d s e t t i n g i n t h e a n a l y s i s o f g r i d i n d e p e n d e n c e位置设定网格尺寸加密后网格尺寸舵柄3 5mm2 5mm接触面细化2 0mm1 5mm(a)设定网格尺寸下舵柄综合应力分布云图(a)C o m p o s i t e s t r e s s d i s t r i b u t i o n c l o u d f o r r u d d e r h a n d l e a t s e t g r i d s i z e(b)加密后网格尺寸下舵柄综合应力分布云图(b)C l o u d o f i n t e g r a t e d s t r e s s d i s t r i b u t i o n i n t h e r u d d e r h a n d l e a t t h e d e n s e g r i d s i z e图5 两种网格舵柄综合应力云图对比F i g.5 C o n t r a s t o f t h e t w o c o m b i n a t i o n s t r e s s c l o u d s w i t h d i f f e r e n c e g r i d从以上计算结果可以看出,两种网格尺寸下,结构应力计算结果相差不大。说明分析所选用的网格是合理的,是满足精度要求的。4 仿真结果与分析4.1 仿真结果4.1.1 无键油压舵柄与舵杆过盈且施加扭矩的计算结果1 1如图6和7所示。舵柄最大综合应力为2 9 7M P a,舵柄内表面较多区域超过2 9 5M P a;舵轴最大综合应 图6 无键油压舵柄和舵杆综合应力分布云图F i g.6 C o m b i n a t i o n s t r e s s d i s t r i b u t i o n c l o u d o f t i l l e r a n d s t o c k f o r h y d r a u l i c f i t-k e y l e s s c o n n e c t i o n3 4 海洋工程装备与技术第1 0卷图7 无键油压结构径向位移云图(剖视图)F i g.7 R a d i a l d i s p l a c e m e n t c l o u d f o r h y d r a u l i c f i t-k e y l e s s c o n n e c t i o n s t r u c t u r e(s e c t i o n v i e w)力为2 2 7M P a,舵轴上平均应力为1 7 7M P a,小于屈服强度4 3 0M P a。4.1.2 有键干压舵柄与舵杆过盈且施加扭矩的计算结果,如图8 1 0所示。舵柄最大综合应力为3 1 7M P a,键槽附近局部表面区域超过2 9 5M P a,但仅结构表面局部小区域应力超过屈服强度。舵杆最大综合应力为4 2 0M P a,舵杆上平均应力为1 7 8M P a,小于屈服强度4 3 0M P a。键的最大综合应力为3 2 5M P a,超过屈服强度3 2 0M P a的局部尖点区域。图8 有键干压舵柄和舵杆综合应力分布云图F i g.8 C o m b i n a t i o n s t r e s s d i s t r i b u t i o n c l o u d s o f t i l l e r a n d s t o c k f o r d r y f i t t i n g w i t h k e y图9 有键干压键综合应力分布云图F i g.9 C o m b i n a t i o n s t r e s s d i s t r i b u t i o n c l o u d o f t h e k e y f o r d r y f i t t i n g w i t h k e y图1 0 有键干压结构径向位移云图 剖视图F i g.1 0 R a d i a l d i s p l a c e m e n t c l o u d f o r d r y f i t-k e y e d c o n n e c t i o n s t r u c t u r e(S e c t i o n v i e w)4.1.3 有键油压舵柄与舵轴过盈且施加扭矩的计算结果,如图1 1 1 3所示。舵柄最大综合应力为3 1 2M P a,出现在舵柄键槽边缘,局部尖点超过屈服强度2 9 5M P a,舵柄孔内表面应力2 4 7M P a。舵轴上最大综合应力为4 0 1M P a,小于屈服强度4 3 0M P a。键的整体应力不大,最大应力约2 2 1M P a,小于屈服强度3 2 0M P a。第2期金彩,等:某大型集装箱船舵杆与舵柄连接方式研究3 5 图1 1 有键干压舵柄和舵杆综合应力分布云图F i g.1 1 C o m b i n a t i o n s t r e s s d i s t r i b u t i o n c l o u d s o f t i l l e r a n d s t o c k f o r d r y f i t t i n g w i t h k e y图1 2 有键油压键综合应力分布云图F i g.1 2 C o m b i n a t i o n s t r e s s d i s t r i b u t i o n c l o u d o f t h e k e y f o r h y d r a u l i c f i t t i n g w i t h k e y4.2 仿真结果分析根据以上仿真分析结果,得出如下结论:3种连接型式的舵杆强度均满足强度要求;图1 3 有键油压结构径向位移云图 剖视图F i g.1 3 R a d i a l d i s p l a c e m e n t c l o u d f o r h y d r a u l i c f i t t i n g w i t h k e y s t r u c t u r e(s e c t i o n v i e w)有键干压的连接方式中,键局部尖点区域超出其材料屈服;无键油压的连接方式中,舵柄内表面超过屈服强度的区域较多,现有材料屈服强度不能满足要求,如采用,需提高舵柄材料性能;有键干压和有键油压两种连接方式,舵柄、舵杆、键的应力均有局部小区域应力超过屈服强度,但结构主体应力小于屈服强度,局部小区域超出屈服强度均为应力集中尖角部位。工程应用中,可通过增加圆角等方式消除1 2。再综合表1中的设计计算结果,进一步结合工程实际,得出3种连接方式的对比结果,见表5。无键油压的舵柄设计最高,最重,不利于舵机舱空间布置、现场施工及后续维修,且对材料强度要求高,加大了毛坯铸造难度及风险。有键干压的舵柄高度、压入量及材料的强度要求均较低,但所需舵柄与舵杆的压入力非常大,现场压装施工以及后续舵系的维修拆卸困难。有键油压的舵柄集成了无键油压和有键干压舵柄的优势。表5 不同连接方式对比表T a b.5 C o m p a r i s o n t a b l e o f d i f f e r e n t c o n n e c t i o n m o d e s序号连接方式舵柄高度/mm舵柄重量/t对舵柄材料屈服性能要求/M P a安装难易程度安装空间需求维修性能经济性1无键油压1 9 0 0(最高)2 8.1(最重)2 9 7(最高)易大优差2有键干压1 0 3 01 82 9 5难小差优3有键油压1 0 3 01 82 4 7易小优优5 结 论本文论证对比了某大型船舶舵柄与舵杆3种连接方式,得出最优化的有键油压的连接方式,为日趋大型化船舶舵柄与舵杆的轻量化设计及更为简便的压装方式设计提供了有力的理论论证;提出的3 6 海洋工程装备与技术第1 0卷有键油压的连接方式可广泛应用于大型船舶。由于中小型船舶的设计扭矩本身不大,舵柄及舵杆体量、压入力及压入量也相对较小,压装过程也相对容易,因此该连接方式同样适用于中小型船舶,但必要性不大。参 考 文 献1金彩.舵机系统设计与仿真研究D.武汉:华中科技大学,2 0 1 9.2中国船级社.钢质海船入级规范S,2 0 1 8.3武汉船机.舵机船内安装要领Z.2 0 2 0.4L R.R u l e s a n d R e g u l a t i o n s f o r t h e C l a s s i f i c a t i o n o f S h i p sS.2 0 2 1.5E d w a r d L y s h e v s k i.S e r g e y O p t i m a l S t r u c t u r a l S y n t h e s i s,M o d e l i n g,a n d C o n t r o l o f M i c r o m e c-H a t r o n i c S y s t e m s J.M e c h a t r o n i c s,2 0 0 1,1 1(7):8 3 7 8 5 1.6H o f m a n n F,A r c h a m b e a u F,C h a i z e C.C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c A n a l y s i s o f a G u i d e T u b e i n a P WR J.N u c l e a r E n g i n e e r i n g a n d D e s i g n,2 0 0 0,2 0 0(1 2):1 1 7 1 2 6.7成大先.机械设计手册M,第六版,第4卷.北京:化学工业出版社,2 0 1 6.8J I S 1 9 8 9 G 5 1 0 1碳钢铸件S.1 9 9 1.9田建辉.有限元分析及A N S Y S 1 8.0工程应用M.北京:机械工业出版社,2 0 1 9.1 0田永利.机电一体化系统建模技术与仿真软件的研究与分析J.机械设计与研究,2 0 0 3,(4):1 5 1 8.1 1唐国元,王建军.轮机工程仿真技术M.武汉:华中科技大学出版社,2 0 2 1.1 2濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计M.北京:高等教育出版社,2 0 1 9.