阅读说明：本技术 一种水面舰船舵系无键连接设计方法 (design method for keyless connection of rudder system of surface ship ) 是由 徐明彩 彭戈 黄广明 尤培培 于 2019-08-19 设计创作，主要内容包括：一种水面舰船舵系无键连接设计方法,其步骤包括：无键连接部分需传递扭矩的确定；无键连接部分尺寸的确定；配合面间所需压力和最小过盈量的计算；连接零件在最大过盈时的强度校核；承座的推入量和推入力计算；液压螺母设计,通过以上步骤,可计算出无键连接部分需传递扭矩、无键连接部分尺寸、配合面间所需压力和最小过盈量、承座的推入量和推入力以及液压螺母的尺寸。本发明可应用于水面舰船舵系无键连接的设计,可克服有键连接加工难度大、装配工艺复杂、拆卸困难等问题。(A design method for a ship rudder system of a surface ship without key connection comprises the following steps: determining torque to be transmitted by the non-key connection part; determining the size of the part without key connection; calculating the required pressure and the minimum interference magnitude between the matching surfaces; checking the strength of the connecting part in the maximum interference; calculating the pushing amount and the pushing force of the bearing seat; the hydraulic nut design can calculate the torque transmission of the part without key connection, the size of the part without key connection, the pressure and the minimum interference magnitude required between matching surfaces, the pushing amount and the pushing force of the bearing seat and the size of the hydraulic nut through the steps. The invention can be applied to the design of the rudder system of the surface ship without key connection, and can overcome the problems of large processing difficulty, complex assembly process, difficult disassembly and the like of the key connection.)

一种水面舰船舵系无键连接设计方法

技术领域

本发明涉及一种水面舰船舵系无键连接的设计方法，属于船舶特种装置技术领域。

背景技术

目前我国水面舰船舵系舵杆与舵叶、舵杆与舵柄的连接采用有键连接方式，其中有支撑管悬挂舵舵杆和舵叶采用4个键连接，无支撑管的悬挂舵舵杆和舵叶采用1个键连接。有键锥形连接是利用舵杆同舵承座的锥形表面之间的摩擦力和键来传递扭矩。存在加工难度大、装配工艺复杂、拆卸困难等问题。因此，业界迫切需要一种适用于水面舰船的新的舵系连接方式，以克服有键连接的缺点，降低舵系加工难度、简化拆装工艺。

舵系的无键连接是将舵杆(舵销)和承座的结合面加工成一定锥度的锥面，当用一定的轴向力将作为包容件的承座套压到作为被包容件的轴上时，配合面之间产生一定的过盈量，配合面上便形成一定的径向压力，进而，当连接承受一定的扭矩时，配合面上产生摩擦阻力或摩擦阻力矩，以抵抗和传递外载荷。

发明内容

本发明旨在提供一种适用于水面舰船舵系无键连接的设计方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下的技术方案实现：无键连接部分需传递扭矩的确定；无键连接部分尺寸的确定；配合面间所需压力和最小过盈量的计算；连接零件在最大过盈时的强度校核；承座的推入量和推入力计算；液压螺母设计。

进一步，无键连接部分需传递扭矩的确定，根据原苏联的水动力图谱进行水动力计算，确定舵系受力。考虑到实船应用的安全余量，无键连接部分需传递的扭矩以2倍水动力计算所得的扭矩代入计算。

所述无键连接部分尺寸的确定，考虑水面舰船舵系受力较民船大，在水面舰船舵系无键连接设计中，锥度应为1:12～1:20，在无支承管的情况下，锥体长度应不小于2.5倍下舵承处的舵杆直径；在有支承管的情况下，锥体长度应不小于2.5倍舵杆在支承管内下端支承处的直径。

所述配合面间所需压力和最小过盈量的计算，在已知载荷的条件下，计算步骤如下：

1舵杆和承座连接套合面最小正压力P_fmin

式中：F_x——舵杆所受的轴向力(N)

T——舵杆需传递的扭矩(N·mm)

d_m——连接锥体的平均直径(mm)

l_f——锥体长度(mm)

μ——摩擦系数，0.15

2舵杆直径比和舵杆承座直径比

舵杆承座直径比q_a＝d_m/d_a，d_a为承座外径

舵杆直径比q_i＝d_i/d_m

3承座传递载荷所需最小直径变化量

Δ₁＝(p_fmind_mC_a)/E_a

式中：

ν_a——承座材料的泊松比

E_a——承座材料的弹性模量

4舵杆传递载荷所需最小直径变化量

Δ₂＝(P_fmind_mC_i)/E_i

式中：

ν_i——舵杆材料的泊松比

E_i——舵杆材料的弹性模量

5舵杆和承座连接传递载荷所需的最小有效过盈量

Δ'＝Δ₁+Δ₂

6舵杆和承座连接套合面由于粗糙度引起的过盈量损失

由于舵杆和承座连接套合面加工的粗糙度会产生部分过盈量损失，其大小取决与该表面加工的粗糙度和精度，过盈量损失Δ"＝4R_z，式中R_z为套合面粗糙度平均高度的平均值。

7舵杆和承座锥体连接传递载荷所需的最小过盈量

因为舵杆为锻钢件，承座为铸钢件，它们的线膨胀系数大致相同，所以安装时由温度引起的过盈量损失可不计入。

所需最小过盈量为：

Δ_min＝Δ'+Δ"

所述连接零件在最大过盈时的强度校核，在选定的标准过盈配合下，校核步骤如下：

1舵杆和承座连接由于本身材料性能所允许的最大正压力p_fmax

由上一部分计算所得的是舵杆和承座连接传递载荷所需的最小过盈量，实际装配时压入量不能无限大，否则如果舵杆和承座连接表面所受的正应力大于材料本身的屈服极限，则舵杆和承座会损坏。所以需要计算舵杆和承座的最大过盈量Δ_max。此时在舵杆和承座连接的正压力p_fmax作用下，套合面的正应力不超过各种材料屈服强度的70％。承座材料一般选取ZG230-450H或ZG275-485H。

按第四强度理论，承座锥孔内表面的合成正应力σ_amax为：

σ_amax≤[σ_a]＝0.7σ_a

所以，承座锥孔内表面不产生屈服变形的最大正压力

同理，舵杆锥体表面不产生屈服变形的最大正压力

最大正压力p_fmax则取p_afmax和p_ifmax中的小者。

2承座锥孔内表面由最大正压力p_fmax产生的最大过盈量Δ'₁

Δ'₁＝(p_fmind_mC_a)/E_a

3舵杆锥体表面由最大正压力p_fmax产生的最大过盈量Δ"₂

Δ"₂＝(p_fmind_mC_i)/E_i

4舵杆和承座锥体连接由于材料性能所允许最大过盈量

Δ_max＝Δ'₁+Δ"₂+Δ"

所述承座的推入量和推入力计算，在选定的过盈量下，计算步骤如下：

经过前两部分计算后，要安全传递所需扭矩的过盈量应为Δ_min＜Δ＜Δ_max。

则实际推入量s＝Δ/K，式中K为锥度。在设计时，建议实际过盈量Δ接近Δ_max为宜。

而Δ＝p_fd_m(C_a/E_a+C_i/E_i)+Δ"

则

推入力为P＝πp_fd_ml_f(K/2+μ')，式中μ′为滑动摩擦系数，μ′＝0.02。

所述液压螺母设计，水面舰艇无键连接液压螺母的设计参考CCS进行，具体如下：

螺母的尺寸

螺纹外径：d_g≥0.65d_c；

螺母长度：h_n≥0.6d_g；

螺母外径：d_n≥1.2d_u或1.5d_g，取较大者。

螺母材料一般选用锻钢。

通过以上方法，可计算出无键连接部分需传递扭矩、无键连接部分尺寸、配合面间所需压力和最小过盈量、承座的推入量和推入力以及液压螺母的尺寸，较好地解决了水面舰船舵系无键连接的设计问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是有支撑管的悬挂舵有键连接示意图。

图2是无支撑管的悬挂舵有键连接示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明。本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明而不用于限制本发明的保护范围。本发明优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

现详细说明根据本发明的一种水面舰船舵系无键连接设计方法。

1首先根据水动力计算得到无键连接部分需传递的扭矩T＝2×82.971＝165.82kNm，舵杆轴向受力F_X＝20000N。

2确定下舵承处舵杆直径为d_c＝310mm，与承座连接锥度K＝1/12，锥体长度l_f＝770mm。

3计算出舵杆和承座连接套合面最小正压力P_fmin

舵杆承座直径比q_a＝d_m/d_a＝278/416＝0.668，d_a＝416mm为承座外径

舵杆为实心舵杆，直径比q_i＝d_i/d_m＝0

承座传递载荷所需最小直径变化量

Δ₁＝(p_fmind_mC_a)/E_a＝11.83×278×2.91/206000＝0.046mm

式中：

ν_a＝0.30，承座材料(ZG230-450)的泊松比

E_a＝206000MPa

舵杆传递载荷所需最小直径变化量

Δ₂＝(P_fmind_mC_i)/E_i＝11.83×278×0.70/206000＝0.011mm

式中：

ν_i＝0.30，舵杆材料(35CrMo)的泊松比

E_i＝206000MPa

舵杆和承座连接传递载荷所需的最小有效过盈量

Δ'＝Δ₁+Δ₂＝0.046+0.011＝0.057mm

舵杆和承座连接套合面由于粗糙度引起的过盈量损失

过盈量损失Δ"＝4R_z＝4×0.0016＝0.0064mm，式中R_z＝1.6μm,为套合面粗糙度平均高度的平均值。

舵杆和承座锥体连接传递载荷所需的最小过盈量和推入量

所需最小过盈量Δ_min＝Δ'+Δ"＝0.057+0.0064＝0.0634mm

所需最小推入量s_min＝Δ_min/K＝0.0634×12＝0.761mm

4舵杆和承座连接由于本身材料性能所允许的最大正压力p_fmax

承座锥孔内表面不产生屈服变形的最大正压力

舵杆锥体表面不产生屈服变形的最大正压力

则最大正压力p_fmax＝52.01N/mm²

承座锥孔内表面由最大正压力p_fmax产生的最大过盈量Δ'₁

Δ'₁＝(p_fmind_mC_a)/E_a＝52.01×278×2.91/206000＝0.202mm

舵杆锥体表面由最大正压力p_fmax产生的最大过盈量Δ"₂

Δ"₂＝(p_fmind_mC_i)/E_i＝52.01×278×0.70/206000＝0.049mm

舵杆和承座锥体连接由于材料性能所允许最大过盈量和推入量

Δ_max＝Δ'₁+Δ"₂+Δ"＝0.202+0.049+0.0064＝0.2574mm

s_max＝Δ_max/K＝0.2574×12＝3.089mm

5计算在选定过盈量下，承座的推入量和推入力

经过上计算后，要安全传递所需扭矩的过盈量应为Δ_min＜Δ＜Δ_max。

取Δ＝0.25mm，

则实际推入量s＝Δ/K＝0.25×12＝3.00mm

推入力

P＝πp_fd_ml_f(K/2+μ')＝3.14×50.0×278×770×(1/24+0.02)＝2072457.57N

6螺母的尺寸

螺纹外径：d_g≥0.65d_c＝0.65×310＝201.5mm，实取202mm；

螺母长度：h_n≥0.6d_g＝0.6×201.5＝120.9mm，实取125mm；

螺母外径：d_n≥1.2d_u＝1.2×246＝295.2mm

或1.5d_g＝1.5×201.5＝302.25mm，取较大者，实取305mm。

本发明的优点在于综合考虑了水面舰船无键连接部分传递扭矩、无键连接部分尺寸、有支承管悬挂舵的无键连接技术以及舵杆承座等主要材料选择等，该设计方法可应用于水面舰船舵系无键连接的设计，可克服有键连接加工难度大、装配工艺复杂、拆卸困难等问题。

本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。