船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)特征與運動規(guī)律

崔向海，王珂，曾燦飛

（1.中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200090；2.91184 部隊，山東 青島 266000）

在船舶的運輸過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)由于受到外力的作用，使船體發(fā)生各種各樣的變化，從而導(dǎo)致尾軸中心線出現(xiàn)偏差的狀況。軸線的偏差不僅會增大軸與軸承之間的磨損，在磨損情況下會造成全船的振動以及出現(xiàn)噪音。此外，萬向聯(lián)軸器撓性可以產(chǎn)生相應(yīng)的軸線自動對中的效果，能夠起到一定的減振作用，能夠很大程度上改善船舶的振動和噪音，因此，目前很多船舶都采用了萬向聯(lián)軸器，并且萬向聯(lián)軸器在減振方面也取得了良好的效果。十字軸可伸縮式的萬向聯(lián)軸器一般用于連接軸線相交的兩軸以傳遞運動，并且能夠在兩軸線的夾角發(fā)生變化時，傳遞扭距，從而保證所連接的兩軸能夠連續(xù)回轉(zhuǎn)。

1 萬向聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特點分析

船舶行業(yè)在工業(yè)生產(chǎn)中大多要面臨著非常嚴峻的航海環(huán)境，因此對于萬向聯(lián)軸器的制作和要求都有著嚴格的要求，否則一旦出現(xiàn)安全性問題，那么可能會給船舶上的人們造成嚴重的損失。因此如何對船用的十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器進行性能的提升，將是保證船舶航海安全的重要方法之一。因此本文要對船用的十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器進行結(jié)構(gòu)特征和運動規(guī)律的探討，經(jīng)過本文對于萬向聯(lián)軸器的分析發(fā)現(xiàn)目前船用的十字軸可伸縮式的萬向聯(lián)軸器在結(jié)構(gòu)組成往往具有如下特點。

首先，船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器有兩個十字軸承組件和中間的軸向移補償機構(gòu)組成。主要零件有十字軸以及傳扭軸承。主軸的角速度和角加速度往往會做周期性的變化，因此，如果角速度和軸間夾角變化較大時，會使主軸的加速度過大，從而產(chǎn)生慣性的力，引起了扭轉(zhuǎn)振動。并且軸線之間的夾角越大，那么所引起的扭轉(zhuǎn)振動就會越大，并且主軸的性能也會直接影響到萬向聯(lián)軸器能否進行正常的工作，所以必須要對萬向聯(lián)軸器進行動力學(xué)的仿真分析，這樣才有利于船用十字軸可伸縮式的萬向聯(lián)軸器更好地為船舶進行工作，從而減少震動。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

從萬向聯(lián)軸器機構(gòu)簡圖來進行分析， 十字軸萬向聯(lián)軸器主動軸轉(zhuǎn)角φ1、主軸轉(zhuǎn)角φ1 和從動軸轉(zhuǎn)角φ3 存在一定的關(guān)聯(lián)性。其關(guān)聯(lián)性可以通過以下公式來體現(xiàn)：

圖1 船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器

在上述幾組公式中， 1α代表的是主動軸與主軸所表現(xiàn)出的夾角， 3α則代表的是主軸與從動軸所表現(xiàn)出的夾角。

因此，可以獲得主動軸與主軸的角度關(guān)系，如下式所示：

通過兩者之間的關(guān)系分析后可以發(fā)現(xiàn)，若角速度ω1與軸間夾角 1α呈現(xiàn)為較大角度時，則會導(dǎo)致主軸角加速度更強，從而會形成相應(yīng)的慣性力偶矩。在這樣的情況下，會進一步加大附加動載荷，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動。同時，軸線間夾角也會表現(xiàn)為更大，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)振動愈大。主軸所呈現(xiàn)出的動態(tài)性能，在一定程度上對于萬向聯(lián)軸器運行起到?jīng)Q定性作用。所以，需要針對萬向聯(lián)軸器開展動力學(xué)仿真試驗。

2 船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器的動力學(xué)仿真分析

為了能夠系列的研究船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器在運動中的各項規(guī)律。那么就要對船用十字軸可伸縮式的萬向聯(lián)軸器進行在運動過程中各項數(shù)據(jù)的分析。但是由于在實際的萬向聯(lián)軸器運作時，不方便對各種數(shù)據(jù)進行提取。因此，在基于安全考量的要求下，本文通過采用相關(guān)的聯(lián)軸器進行動力學(xué)的仿真分析，并且具體操作要求如下所示。

2.1 構(gòu)建三維實體模型

結(jié)合AutoCAD 設(shè)計圖紙及有關(guān)的幾何參數(shù)，借助PRO/E軟件可以構(gòu)建萬向聯(lián)軸器和減速齒輪箱的三維實體模型，如圖2 所示。

圖2 萬向聯(lián)軸器三維實體模型

2.2 施加船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器一定的驅(qū)動和載荷

在實際工作中通過輸入軸連接，能夠使萬向聯(lián)軸器受到柴油機的驅(qū)動而進行勻速轉(zhuǎn)動，并且可以根據(jù)萬向聯(lián)軸器的工作狀態(tài)計算一定的轉(zhuǎn)速，所以為了能夠進一步的對萬向聯(lián)軸器進行仿真分析，需要根據(jù)萬向聯(lián)軸器的工作狀態(tài)施加一定的載荷，這樣才能夠使其旋轉(zhuǎn)方向與轉(zhuǎn)速相反。因此本文想要通過對動力學(xué)進行仿真分析，首先施加了船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器一定的驅(qū)動和載荷，讓萬向聯(lián)軸器處于正確的工作狀態(tài)下，再進行各項參數(shù)的分析。

2.3 施加船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器參數(shù)設(shè)置

為了能夠合理對船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器進行動力學(xué)仿真分析，必須要結(jié)合實際的運行情況，設(shè)定相應(yīng)的參考（如表1，表2 所示）。

表1 萬向聯(lián)軸器的主要參數(shù)

表2 減速齒輪箱的主要參數(shù)

3 船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器的仿真分析結(jié)果

為了能夠研究船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器的運動規(guī)律，本文通過設(shè)定參數(shù)和負荷的方式讓萬向聯(lián)軸器處在工作過程中，并對各種參數(shù)進行分析。

3.1 船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速仿真分析

通過對萬向聯(lián)軸器中的主動軸進行變化仿真。經(jīng)過分析得知在接觸碰撞之后各軸的轉(zhuǎn)速在剛開始時會有較大的波動，但是隨著聯(lián)軸器的不斷運轉(zhuǎn)。各軸的轉(zhuǎn)速變化規(guī)律會趨于穩(wěn)定的狀態(tài)，但是在萬向聯(lián)軸器的過程中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速越多，那么所帶動的軸轉(zhuǎn)動也就會越大，因此也就會在一定程度上產(chǎn)生些許的噪音?？梢哉f，船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)速，主要是產(chǎn)生噪音的來源。

3.2 船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器的角加速度仿真分析

通過構(gòu)建模型參數(shù)，對船用十字軸可伸縮式的萬向聯(lián)軸器進行角加速度的仿真分析，發(fā)現(xiàn)萬向聯(lián)軸器每個軸的角加速度變化是穩(wěn)定的，但是隨著機構(gòu)的運轉(zhuǎn)，對于整個機構(gòu)運作的影響微乎其微。因此，角加速度對于萬向聯(lián)軸器的正確運行影響并不大。但是十字軸可伸縮式的萬向聯(lián)軸器的角加速度也是在不斷微小變化中的，雖然變化幅度不大，相對于來說趨于穩(wěn)定。為了能夠進一步提升萬向聯(lián)軸器的應(yīng)用安全性，還需要不斷的改進。

3.3 船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器的慣性力偶矩仿真分析

通過所建立的模型參數(shù)，發(fā)現(xiàn)了船用十字軸可伸縮式完全聯(lián)軸器在運動過程中的慣性力偶矩也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。在萬向聯(lián)軸器運行時，由于主軸會發(fā)生不均勻的轉(zhuǎn)動，因此也會產(chǎn)生較大的慣性力。慣性力有句很可能在運行過程中引起軸系的扭轉(zhuǎn)振動。

3.4 船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器的軸差處受力仿真分析

在船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動時，由于四個軸叉之間的受力情況往往是比較接近的，因此，就從動軸叉頭和十字軸連接處的受力隨機構(gòu)的運轉(zhuǎn)，進行變化規(guī)律的分析，發(fā)現(xiàn)軸差處的受力先呈現(xiàn)遞增，隨后又縮減的均勻變化。軸差處的受力發(fā)生變化，會在一定程度上磨損軸差處的各項材料，久而久之不利于軸差處的穩(wěn)定性。

3.5 減速齒輪箱的大齒輪軸承受力變化規(guī)律分析

減速齒輪箱中大齒輪軸通常是由兩個軸承組成，其為輸入端軸承和輸出端軸承。齒輪箱看的兩個軸承在運行過程中，每旋轉(zhuǎn)一周所受力的最大值，會隨著夾角變化而出一定的規(guī)律。如果大齒輪軸在沒有掛重情況下，其會隨著萬向聯(lián)軸器折角的增加而讓軸承的受力則增大，所表現(xiàn)出的極值了會更大。

3.6 萬向聯(lián)軸器法蘭叉頭結(jié)構(gòu)強度仿真分析

萬向聯(lián)軸器的叉頭型線十分復(fù)雜，現(xiàn)有的設(shè)計大部分是建立在傳統(tǒng)經(jīng)驗公式基礎(chǔ)上的，為進一步分析法蘭叉頭的結(jié)構(gòu)強度，需要借助于有限元等先進分析手段。根據(jù)叉頭的受力和約束情況，在十字軸裝配孔表面施加扭矩載荷，并將法蘭面設(shè)定為固定約束，建立分析任務(wù)。求得法蘭叉頭的應(yīng)力云圖如圖3 所示。

圖3 法蘭叉頭應(yīng)力云圖

由圖3 可見，最大應(yīng)力發(fā)生在法蘭叉頭的叉耳根部，與法蘭叉頭的實際破壞情況相同，由此證實了分析的準確性。

4 試驗驗證

基于本文的研究成果，研制了某型萬向聯(lián)軸器，最大轉(zhuǎn)矩為190kNm，許用轉(zhuǎn)速為1250r/min，單關(guān)節(jié)角度補償為3°，回轉(zhuǎn)直徑為390mm，聯(lián)軸器長度為1900mm。對此，搭建了萬向聯(lián)軸器性能試驗臺并開展了性能試驗，如圖4 所示。

試驗過程中，萬向聯(lián)軸器軸承溫度穩(wěn)定，運行平穩(wěn)無異響，驗證了該型萬向聯(lián)軸器運行穩(wěn)定可靠，滿足技術(shù)指標要求。

5 結(jié)語

圖4 萬向聯(lián)軸器性能試驗

目前船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器在使用過程中一旦出現(xiàn)異?，F(xiàn)象就必須要及時停機檢查，研究人員要對船用十字軸可伸縮式萬向聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)特征和運動規(guī)律進行進一步分析，以便于萬向聯(lián)軸器能夠更好的為船舶服務(wù)，提高船舶運行的安全性。