船用液壓螺母壁厚計算研究

金來 張裕東

摘 要：在船舶軸系中，液壓螺母用于無鍵螺旋槳的安裝。其結構尺寸受軸系設備的影響，但合理的設計不僅可以提高其安全性，還可以節約材料，降低造船成本。本文探討了液壓螺母壁厚計算的問題，為液壓螺母的設計和計算提供了參考。

關鍵詞：液壓螺母;壁厚;螺旋槳安裝

中圖分類號：U664.33文獻標識碼：A文章編號：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

液壓螺母用于無鍵螺旋槳的液壓安裝，是由液壓千斤頂安裝發展而來的[1]。液壓螺母使用時，將其安裝于艉軸上，此時根據螺旋槳安裝參數，泵入液壓油，產生壓力以后，活塞便對螺旋槳產生軸向推力，由于艉軸外圓與螺旋槳槳轂內孔有一定的錐度，產生的相對位移使螺旋槳與艉軸形成過盈配合，安裝示意圖如圖1所示。

1 結構設計與分析

液壓螺母主要由本體、活塞及密封件等組成，結構如圖2所示。液壓螺母設計時，活塞位移量應滿足螺旋槳安裝壓入量要求，保證艉軸與螺旋槳槳轂之間的過盈配合;液壓螺母輸出力（即活塞面積與油壓的乘積）應滿足螺旋槳安裝時的軸向推力要求;液壓螺母結構尺寸應滿足螺旋槳安裝要求。

根據中國船級社《鋼質海船入級規范》（2019），液壓螺母設計時，應滿足外徑[D0≥1.5dg]，高度[Η≥0.6dg][2]。船舶軸系中，液壓螺母的構造有少許差別，但其工作原理及計算方法幾乎是一致的。在機械設計手冊以及液壓缸的設計資料中，典型液壓缸結構未包含類似于液壓螺母結構的環形液壓缸型式[3-4]。目前，根據相關研究[5-7]，壁厚可以按式（1）進行計算。

[δ=PD2[σ]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[P]為最高允許壓力;[D]為缸體內徑;[[σ]]為缸體材料的許用應力。

為了保證液壓螺母安全可靠地工作，必須使工作應力與材料的許用應力之間滿足一定的關系，這就是強度條件。要保證液壓螺母在負載力的作用下不至于破壞，就需要確定液壓螺母本體材料的許用應力。材料的抗拉強度和許用應力之比被稱為安全系數。目前，學者對安全系數的設計認識并不一致，部分學者認為應以材料的彈性失效作為破壞準則，即結構上某一點的應力達到屈服極限時，整個結構便失去正常工作能力;而部分學者認為應根據材料的塑性失效為準則，即雖然局部發生屈服，但其他部分仍處于彈性狀態，處于彈性狀態的材料對屈服的局部起著限制作用，不會導致整個結構的破壞[8]。

液壓螺母作為螺旋槳安裝的一種安裝工具，使用時必須非常小心，為了避免出現突然高壓或者沖擊力的情況，防止推力過大而造成軸系安裝事故或產品報廢，安全系數可取小些。

另外，式（1）為液壓缸通用計算公式，并沒有給出使用條件或適用范圍。筆者認為，在不同的條件下，公式應有不同的修正范圍，特別是在超高壓的應用上，計算公式應有差別。

2 受力分析

為進一步分析液壓螺母本體的受力情況，取缸壁上一個小單元，研究其受力狀態，某點的應力狀態一定存在三個平面且相互垂直的三個主應力，即[σ1]、[σ2]、[σ3]都是正應力值，且[σ1]>[σ2]>[σ3]，如圖3所示。

用截面法可得，[σ1]、[σ2]、[σ3]分別為：

[σ1=DP2δ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[σ2=DP4δ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

[σ3=-P]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

3 壁厚計算公式的推導

在壓力的作用下，液壓螺母本體存在軸向拉應力和徑向應力，隨著本體向外膨脹，其在圓周切線方向上又存在環向拉應力。根據第四強度理論，建立的強度條件為：

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

將主應力值代入式（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）

計算缸體壁厚時，其強度條件應為：

[σ≤[σ]]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式（7）可以轉化為：

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

缸體壁厚為：

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

4 結論

隨著液壓技術的不斷發展，船舶上使用的液體壓力越來越趨向于高壓和超高壓。此時，合理的計算方法將具有一定的現實意義。在計算超高壓的液壓螺母壁厚時，可采用推導公式，但按推導公式計算值設計的液壓螺母，與國外同類產品相比，仍有一定的富余量。特別是在大直徑的液壓螺母中，壁厚的計算值較大，然而在單層缸筒壁厚設計中，純粹依靠增加壁厚來滿足強度的要求是不合理的，故合理的壁厚計算公式及其適用范圍的明確仍是今后需要探討的問題。

參考文獻：

[1]船舶鉗工工藝編寫組.船舶軸系及螺旋槳的修造與安裝[M].北京：人民交通出版社，1981.

[2]中國船級社.鋼質海船入級規范[S].北京：人民交通出版社，2019.

[3]雷天覺.新編液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學出版社，2005.

[4]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2004.

[5]季永生.螺旋槳液壓螺母設計[J].船海工程，2012（6）：82-84.

[6]趙貫喜.超高壓液壓螺母的設計計算[J].煤礦機械，2008（8）：1-3.

[7]陳就，羅明照.液壓自動壓磚機拉伸器的設計[J].佛山陶瓷，2002（3）：21-23.

[8]張仁杰.液壓缸的設計制造和維修[M].北京：機械工業出版社，1989.