摘 要:文章分析、探讨了有键锥度连接联轴器修后装复时推入量、轴向载荷、联轴器径向膨胀量等参数的确定及相互关系,并介绍了通过精确测量径向膨胀量准确确定过盈量的方法。该方法具有操作简单、联接可靠、装复方便的特点,对其它锥面连接装置同样适用,具有广泛的应用前景。
关键词:有键锥度联轴器 轴向载荷 起始点 推入量 径向膨胀量
中图分类号:U664文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)10(c)-0104-02
舰船尾轴与大轴的连接装置多为锥度连接的联轴器,在修理中,该联轴器的装复精度对整套设备能否长时间正常安全运行有着至关重要的作用。在整个联轴器装复过程中,联轴器装复是一项复杂而又细致的工作,其中过盈量的确认是联轴器乃至所有锥度联接安装是否正确的重要参数。本文试图找到一种通过测量、控制联轴器的外径膨胀量,进而得知锥面连接接触压力是否达到满足传动需求,从而确定是否达到过盈量的要求、达到正确安装到位的目的的方法,以便今后修船时参考。
1 一般船舶艉轴联轴器安装方法
1.1 法兰式可拆联轴器(锥度连接装置)基本结构
法兰式可拆联轴器的结构如图1所示。
轴端部外圆面呈圆锥面,联轴器内表面有同样锥度的圆锥面与轴端外圆面相配合。安装时,对联轴器沿轴向施加一定轴向力,使联轴器轴向移动。轴向力越大,联轴器的轴向移动量越多,联轴器的径向弹性变形越大。当按设计的推入量推入到位后,联轴器的弹性恢复力使联轴器与轴端锥面紧压在一起,联轴器与轴锥面之间产生足够的摩擦力,从而利用此摩擦力完成轴的扭矩及螺旋桨的轴向力的传递。
为了保证装复后具有设计所确定的传递载荷,修理后的装复中,必需保证形成所需的最小过盈量。与此同时还要保证轴与联轴器装配后不发生塑性变形,因此,正确的过盈配合联接至关重要。
1.2 常用的船舶艉轴联轴器安装方法
在实际修船中,联轴器的装复根据如下几个情况分别采取不同的方法:
(1)对于修理勘验时,可确认修前联轴器工作无疑问,并可照原位装复的联轴器,可采用记号法,即拆卸前在轴上标记上轴与联轴器的相对位置,作为控制是否装复到位的记号。
(2)对于联轴器与轴的配合已松动或锥面需要修理的,修理后的装配,一般采用如下两种方法:一是推入力法。按设计载荷沿轴向推送到位即可;二是推入量法。依据有关标准计算推入量,并按值推入到位。为保证安装后能满足能量传递要求,各种国家标准或行业标准对推入量的计算都有明确的规定。此两种安装方法在实际中都有使用,各有其弊端:
a)推入力法。该法在安装时,只是依据设计单位给出的轴向载荷,轴向加载到设计值即可。但由于安装过程中存在键的干涉,造成在此轴向载荷下并不能正确安装到位。在此值下,所安装的位置并非设计所需的最终安装位置。
b)推入量法。按此方法安装时,推入量起始点的确定就成联轴器装复的关键。按国家标准,以两相接触面积≥75％时的轴与联轴器的相对位置来确定推入量起始点,通常做法是在联接锥面采用着色剂的方法进行检验(每平方英寸必须有3～4个点)。然后按设计推入量推入到位。这种接触面积的测量与调整相当麻烦,往往需要反复拆装多次才能确定。即便如此,也不能保证所确定的推入量起始点是完全正确。因此,常因推入量起始点的确定不准确,造成实际推入量达不到设计要求,造成过盈量或过大、或不足。过盈量不足可导致在使用一段时间后出现轴与联轴器之间的连接松动,严重的甚至脱落。为避免类似情况的出现,工厂在装复时往往容易造成过盈量偏大,由此又可能导致轴与联轴器的结合表面产生塑性变形,直接影响联接强度及联接的可靠性。
为此,本文试图通过实例找到一种简便的方法来达到正确安装联轴器的目的。
2 通过测量联轴器外径的膨胀量来确定需要的过盈量的方法
2.1 套筒式无键联接联轴器与舱内有键联接联轴器比较
在套筒式无键联接联轴器的过盈装配中,常通过测量外径膨胀量的方法来控制装配质量。为此,比较套筒式无键联轴器与舱内的有键联轴器的结构发现,有键联轴器锥孔处的外径为机工面,其壁厚与无键联轴器的外套壁厚一样相对较薄,容易测量其外径的变化。
利用测量外径膨胀量的方法来控制过盈量一旦实现,就可以避开推入量法中因推入量起始点难以确定的问题。而且,此方法安装简单、容易操作,完全可以满足轴系联轴器装配质量要求。
2.2 推入量与联轴器外径的关系
一个锥度为k的轴与联轴器安装,为获得正确的过盈量,其需要的轴向推入量S,mm:
(1)
式中:δ为过盈量,mm;
k为配合面锥度;
R为配合面不平度平均高度平均值,其取决于表面光洁度,mm。
从上式可以看出,为获得必要的摩擦扭矩,在推入量确定后,过盈量以及表面接触压力取决于两相配合面的初始间隙,即联轴器与轴之间的配合。
在材料弹性范围内,接触压力、材料变形和过盈量之间的关系,如式(2):
(2)
式中:P为接触压力,MPa;
E为材料的弹性模量,MPa;
C为d/D。
假如轴和联轴器是由相同的材料制成,则联轴器在安装过程中的外径径向膨胀增大量△,mm可简化表达为式(3):
(3)
式中:d为轴的直径,mm;
D为联轴器外径,mm。
基于此理,用以检查能否达到需要的过盈量的方法,可以由确定联轴器外径在安装到位后的增大量来实现。
3 装配实例
为验证此想法的正确性,我们在某船的联轴器修理后装复中,尝试采用通过测量联轴器径向膨胀量的方法,控制过盈量,并据此以测定、推算联轴器是否安装到位。某船有键联轴器装复简图见图1,轴径300mm,联轴器壁厚40mm,设计安装推力为50吨(约20MPa)。
3.1 装复设备布置
装复时的设备布置示意图见图2。
在联轴器一端安装轴向推进装置。计量推入量的百分表由夹具固定在轴上,触点与联轴器的端面相接触。计量联轴器外径膨胀增大量的百分表由夹具固定在其它固定物上,其触点与联轴器的外套面相接触。
装复时,将轴推入联轴器套内,根据安装技术要求,首先给轴向推进装置施加轴向初始载荷,在此载荷下使联轴器与轴的锥面相贴合。在推进过程中,注意观察计量联轴器外径膨胀增大量的百分表的数值变化。当数值开始变化时,推进停止,此时,将计量推入量的百分表调至零点。
当推入量起始点确定后,向轴向推进装置施加轴向推进载荷,使联轴器沿轴向推进,同时观察并记录推入量与径向膨胀量的数值变化,当推入量达到设计计算的要求值时,停止施加轴向载荷,并根据径向膨胀量最终确定联轴器的装复完成。
3.2 测量结果
在此次联轴器装复中,我们对推入量与联轴器外径变化进行了测量记录,表1为其中一部分。由表1可看出,随着推入量的增加,联轴器外径也随着变化。对特定材料、尺寸和结构的联轴器与轴的联接,其满足过盈量要求的外径增大量应该也是一定的。
4 结论
(1)联轴器与轴的装复配合精度要求很高,对联轴器外套径向膨胀增大量的测量要求准确。外套膨胀量过大,其应力可能超过材料弹性变形强度极限,膨胀量过小,导致过盈量过小,使联接所产生的扭矩传递能力不足而工作不可靠。因此,必须制定可行的施工工艺来加以保证。
(2)在施加轴向初始载荷要缓慢,注意观察计量联轴器外径径向膨胀增大量百分表的变化,保证初始计量的准确。
(3)在整个安装过程中,要随时注意计量推入量百分表和计量联轴器外径径向膨胀增大量百分表的数值变化,精确测量推入量及膨胀量,保证最终的过盈量符合规定要求。在安装中可分几次进行,并每次记录的轴向载荷、推入量及膨胀量,以避免安装过程中的冲击,保证联轴器外套的径向膨胀量不致过大。
(4)对于修船单位而言,特定的船舶,其轴与联轴器的材料、尺寸、结构是一定的,因此,采用测量联轴器径向膨胀量来确定过盈量的方法应该是可行的。通过试验计算,完全可以确定不同型号船舶,其达到过盈量要求的联轴器径向膨胀量并形成相应的标准。采用此种方法对修船单位进行联轴器的装复,简单快捷,联接可靠。同时也适用于其它的锥面连接装置。尤其适用于轴径小及外套筒壁薄的锥面连接装置。