柴镇江，赵振宇

● （1.海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129；2.上海船舶设备研究所，上海 200031）

某船液压联轴节拉伤故障有限元分析

柴镇江1，赵振宇2

● （1.海军驻沪东中华造船（集团）有限公司军事代表室，上海 200129；2.上海船舶设备研究所，上海 200031）

某船液压联轴节在改进其活塞螺母结构后连续发生拉伤故障。本文应用有限元技术，对螺母改进前后不同结构形式的液压联轴节进行安装和拆卸过程的仿真分析。通过对不同结构下，由于接触边界效应引起的应力集中区域的应力、应变变化情况的对比分析，找到了拉伤故障的原因并得到了试验验证。

液压联轴节；有限元；边界效应；应力集中

0 引言

自上世纪五十年代末开始，液压联轴节在造船工业中逐步得到广泛应用，尤其是在调距桨推进轴系中，液压联轴节几乎成为标准设备。在推进轴系的轴段之间采用液压联轴节，不仅具有加工简单、拆装方便等优点，还可以改善联接件的受力情况。

液压联轴节主要由外套、内套、密封圈、螺母以及螺母防转组件等组成，内、外套间为锥度配合，如图1所示。安装时，以高压泵将液压油经由外套表面上的注油孔注入锥面之间，迫使外套膨胀；同时向轴向拉紧油缸中注油，如此推动外套沿轴线向锥度大端“上爬”。当到达指定位置后，依次卸去径向和轴向的油压，此时外套开始弹性收缩，压迫内套，抱紧被联接轴段。依靠内套内表面和轴段外表面间的摩擦力，实现联轴节传递扭矩和推力的功能。

图1 液压联轴节示意图

1 故障描述

图2为联轴节安装和拆卸过程，连接C、C1、C2三个油路，内外套结合锥面被油膜均匀衬垫后，提高C口油液压强推动外套向内套大端移动到指定位置后，先后卸载C1、C2和C口油液压强，形成锥度过盈连接完成安装。拆卸时重新连接C、C1、C2三个油路，提高C口油压到安装终了时刻的数值，然后向C1、C2口注油，直到外套与内套接合锥面重新被油膜均匀衬垫，降低 C口油液压强，平稳地将外套向内套小端滑动直到过盈状态消除，外套与内套分离结束拆卸过程。安装和拆卸过程外套运动的平稳性用百分表监控。

在某船液压联轴节为减重改进螺母结构后进行安装拆卸试验时，连续3套液压联轴节产品在拆卸时发生拉伤故障。拆检发现拉伤故障发生在内套小端外锥面与外套内径小端接触的边缘处，如图3所示。在排除泵油设备及油液清洁度等原因后结构变动成为问题分析的主要对象。

图2 液压联轴节安装及拆卸示意图

图3 液压联轴节拉伤发生位置示意图

2 故障还原分析

2.1 约束条件及载荷施加

针对上述故障分析结论在有限元软件中进行故障还原分析。建立活塞螺母改进前后和无螺母四种结构液压联轴节的有限元分析模型，边界条件如图4所示，轴与内同左侧端面约束其轴向位移。应用外套位移量和轴向活塞腔中油液压强同步加载方式模拟液压联轴节的安装和拆卸过程如图5所示，0到1为安装过程，1到0为拆卸过程。

图4 边界条件

图5 安装和拆卸过程载荷加载示意

对液压联轴节的各零件进行网格划分，如图6～图 8所示。图6中红色区域为内套与外套端面接触的应力集中区域（即是故障发生区域），取该区域外套边缘上一节点为检测点，监控不同螺母结构形式下该点在安装和拆卸过程中的应力变化，从而分析故障发生的原因。

图6 整个部件网格模型

图7 外套、内套、轴系网格模型

图8 原始螺母、改进螺母1、改进螺母2网格模型

2.2 分析结果

通过计算得到应力和变形结果如图9～图10。图9为不同螺母结构的液压联轴节外套检测点在外套“上爬”和“下退”过程中等效应力随位移量的变化曲线。从图中可以看出外套在“上爬”、“下退”过程中等效应力在存在波动的现象，这是由于外套在“上爬”、“下退”过程中，位于活塞腔处薄壁内套受到螺母与外套的牵拉作用，同时随着外套的轴向移动内套受到外套的箍紧力不断变化，又因为内套与轴存在间隙，所以薄壁套会随外套的移动发生不规则的翘曲，这种翘曲导致了外套小端接触应力随外套轴向位移而发生波动。在“上爬”和“下退”过程中改进螺母 1、2的接触压力和等效应力曲线几乎重合；原始螺母和无螺母的接触压力和等效应力曲线几乎重合。

由于外套的翘曲和“下退”过程中内套受压在外套“下退”方向形成微小台阶使得下退受阻，因此下退过程中改进螺母1、2和原始螺母、无螺母结构外套关注点的最大接触压力分别为 500MPa、380MPa较上爬过程最大接触压力分布高出228MPa、140MPa。改进螺母1、2和原始螺母、无螺母结构外套关注点的最大等效应力高达750MPa（外套屈服强度为 750）、530MPa较上爬过程高出 200MPa、110MPa。

从图10中可以看出，四个液压联轴节计算模型在安装到位时外套最大等效应力出现的位置相同，由于螺母结构差异导致最大等效应力数值有所偏差。内套与外套接触边界、螺母受压面与内套连接处附近的等效应力分布及变形状态受螺母结构影响较大。与无螺母模型相比，内套在外套箍紧力、油腔压力、和螺母径向位移约束的综合影响下形成波浪扭曲变形。三个螺母由于端面受压时刚度不同，因而内套的扭曲变形有所差异。从变形状态和应力分布可以看出，在安装终了时刻，原始螺母受力和变形状态最优，改进螺母2结构次之，改进螺母1效果最差，但改进螺母1和改进螺母2的结果相差不在10MPa以内。由此可见螺母刚度对安装终了时刻结构的应力和变形分布影响很大。

图9 von Mises应力曲线

图10 四种结构内套关注位置附近的等效应力云图（100倍变形倍率）

3 结论

通过上述分析，该起事故的发生是因为螺母轴向刚度的降低导致内套活塞腔部分发生过度扭曲变形致使安装和拆卸过程中接触应力增大而引起。根据上述结论应用原始螺母进行试验，拉伤故障得到了消除。所以将螺母结构恢复到原始状态是必要的。同时对于活塞腔的径向高度、螺母的轴向厚度和内套与轴的间隙要保持在某一水平，来保证内套活塞腔部分不会发生过大的扭曲变形，从而保证液压联轴节产品的安装和拆卸性能。

[1]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2]马永明,黄少梅.船舶液压联轴节的计算分析[J].船舶工程,1996(5):42-46.

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Finite Element Analysis of Pull Failure of Hydraulic Coupling

CHAI Zhen-jiang1,ZHAO Zhen-yu2
(1.Navy Military Representative Office at Hudong-zhonghua Shipbuilding（Group）Co.,Ltd,Shanghai 200129,China；2.Shanghai Marine Equipment Research Institute,Shanghai 200129,China)

Pull failure occurs continuously after improving the piston nut structure of a boat’s hydraulic coupling.In this paper,the installation and removal process of hydraulic couplings are analyzed using finite element techniques,of which nuts are different structure forms.Though comparative analysis of stress and strain of tress concentration area,the pull failure reasons is found and has been verified by experiments.

hydraulic coupling; FEM; boundary effects; stress concentration

U664

A

柴镇江（1966-），男，高级工程师。研究方向：舰船轮机工程。