可调距螺旋桨桨毂结合面有限元分析

龙晨曦，曾文会，王 朋，饶运清

1 引言

全回转推进器可以360°旋转，可调距螺旋桨转动桨叶调节螺距，从而在各种工况下都充分吸收主机功率，改善海上平台的操纵性和续航能力[1]。来源于高服役性能海洋动力定位装备制造的基础研究，研究对象是3500kW全回转推进器的可调距螺旋桨。

影响可调距螺旋桨寿命的主要因素是密封圈压缩量变小引起密封圈的泄露，接触压力小于介质内压[2]。螺旋桨装配时预紧力的不同，以及在不同温度、转速及调距角度的实际工况下工作时[3-5]，其相应的桨毂和法兰之间的间隙（图1结合面1）不同，这个间隙直接影响密封圈的压缩量；不同工况还会使得桨毂和曲柄销盘（图1结合面2）的摩擦压力不同[6]，不仅会改变调距灵敏性，长期摩擦磨损还会使密封圈压缩量变小，如图1所示。研究分析不同工况下桨毂结合面的间隙和接触应力，可以为服役性能的评估提供数据，对后续螺旋桨服役寿命的计算必不可少。

2 螺旋桨有限元模型的建立

桨毂结合部位的桨叶、桨叶法兰和曲柄销盘取自武汉船用机械有限责任公司提供的零件，桨毂按照图纸建立。装配好后在Workbench中画出六角盲孔光杆螺栓。

2.1 定义材料属性和建立接触

零件的材料属性根据查资料及相关实验所得结果，如表1所示。

表1 螺旋桨的材料属性Tab.1 Material Property of the Propeller

进行前处理时要建立接触关系，Workbench中有绑定、无分离、粗糙接触、无摩擦和摩擦五种接触。绑定接触不能有相对滑动或分离，无分离接触允许切向有无摩擦的少量滑动，粗糙接触要求只存在静摩擦而不会有切向滑移，无摩擦接触是单边接触，摩擦接触是真实摩擦情况[7]。

根据实际装配需求，采用绑定接触来模拟螺栓螺纹与螺栓孔的连接；螺栓头与桨叶法兰为摩擦接触，摩擦系数为0.1；桨叶法兰与曲柄销盘（图1结合面3）、桨毂与曲柄销盘边缘（图1结合面2）也采用摩擦系数是0.1的摩擦接触；其他表面不关注其接触，使用多体部件。

2.2 网格划分以及边界条件的设定

进行网格划分时为保证分析精度，在重要的位置特殊处理。细化螺栓的网格以保证螺栓连接的精度；为了分析结合面对应位置的变形，在法兰和曲柄销盘的接触面（图1中结合面3）、桨毂和曲柄销盘边缘的接触面（图1中结合面2）建立同心点，并使接触面网格匹配；桨毂和法兰边缘（图1中结合面1）是可产生法向分离的多体，要在两个面上的对应位置都创建同心点。网格划分时可以在这些点上产生节点，以便在后处理中显示这些点的形变和应力。

螺旋桨是轴对称的结构，取其1/4分析，以桨毂轴线为Z轴建立圆柱坐标系，桨毂的两个截面作边界周期面建立圆柱对称，划分网格时插入匹配，保证周期面上节点对应，如图2所示。

图2 螺旋桨的有限元模型Fig.2 Finite Element Model of the Propeller

2.3 加载

影响螺旋桨结构性能的温度、离心力和预紧力的加载方式及取值范围根据实际工况而定。

涉及到温度载荷要进行热力耦合，先做稳态热分析[3]。在螺旋桨结构中，油腔覆盖的表面为润滑油的温度，范围为（25～60）℃。外表面加载海水温度19℃。离心力是由物体转动产生的，给转动的结构施加转速来模拟离心力[1，4]。整个装配体施加螺旋桨的工作转速，桨毂内表面施加圆柱约束使其只能产生切向位移[9]。转速的范围取（60～180）r/min。扭矩系数的范围，如表2所示。

根据装配工艺卡片上螺栓的拧紧说明，施加3500N·m力矩，预紧力矩Mt与预紧力P0之间的换算关系为：

Mt=K×P0×d

式中：d—螺栓公称直径；K—扭矩系数。

表2 扭矩系数的范围Tab.2 Range of the Torque Coefficients

装配工艺卡片指出，螺纹涂二硫化钼作密封润滑用，一般加工表面有润滑的螺栓预紧力为（320～390）kN。盲孔螺栓连接有三种仿真方式：建立实际形状相互配合的螺纹最符合实际，但计算时间太久；螺栓截面法在光滑螺杆上取一截面建立预紧力单元，在该截面上施加预紧力，可以模拟出接近实际情况的螺栓接触；多点约束法在螺纹区域建立绑定约束，无法模拟螺栓处的应力[10]。

Workbench中在螺栓的光杆上施加螺栓预紧力，配合绑定接触模拟螺栓预紧力。

3 有限元分析结果

分析各变量对螺旋桨的影响，表面形变反映结合面的间隙，摩擦应力作为调距灵敏度和摩擦磨损的判断依据。初始状态下润滑油温度为30℃，转速为150r/min，预紧力为390kN，桨叶位于初始位置。后处理结果显示如下：

根据温度分布云图，螺旋桨的温度由油腔向外逐渐减小，法兰边缘与桨毂上边缘结合部位的形变两侧分化，形变较大位置的间隙及磨损量是使橡胶圈失效的关键，如图3所示。

图3 法兰边缘形变（左）及桨毂上边缘形变（右）Fig.3 Directional Deformation of Flange Edge and Hub Edge

桨毂与曲柄销盘有轻微滑移的状态，桨毂与曲柄销盘边缘接触的摩擦应力和接触压力的大小分布不均匀，外圈的摩擦压力和接触应力比内圈大，如图4所示。

图4 桨毂与曲柄销盘的摩擦应力（左）和接触压力（右）Fig.4 Frictional Stress and Contact Pressure of the Hub and Crank

4 不同工况螺旋桨桨毂结合面的性能

螺旋桨处在不同的温度场中，改变转速和调距时各参数也会出现变化；此外螺栓施加的预紧力在一定范围内取值，也会导致结果的差异。

4.1 不同温度下的结果

海水及环境的温度为19℃，桨毂内部表面浸润在润滑油中，预警温度是65℃，因此每5℃计算一次从25℃到60℃时的结果。此时转速为150r/min，预紧力取最大390kN，桨叶位于初始位置。

图5 形变和应力随温度变化曲线Fig.5 Curves of Deformation and Stress with Changing Temperature

对比法兰上各点形变与桨毂上边缘的形变可以看出，25℃时法兰和桨毂在最值区域是分离的，随着温度的升高接触区域逐渐增大，55℃时完全接触。由于接触面积的增大且接触位置的应力逐渐增大，使得螺旋桨调距变得越来越困难。参数随温度的变化趋势图可以看出，随着温度的升到，各表面最大形变也逐渐升高，且在（25～35）℃时的变化较小，之后随温度升高形变的增幅变大；桨毂和曲柄销盘的最大接触压力与摩擦应力都随着温度的升高而逐渐升高，且增幅较大，如图5所示。润滑油的温度在35℃以下时O型圈压缩量相对较小但符合设计值，调距的摩擦力较小。

4.2 不同转速下的结果

螺旋桨正常工作时转速的范围为（60～180）r/min，每30r/min计算一次结果。此时温度为25℃，预紧力为390kN，桨叶位于初始位置。

图6 形变和应力随转速变化曲线Fig.6 Curves of Deformation and Stress with Changing Rotational Speed

对比法兰上各点变形量与桨毂上边缘的变形量可以看出，（60～90）r/min的时候法兰和桨毂在最值区域是分离的，转速提高到120r/min时开始接触，转速达到180r/min时几乎全部接触。

转速由低到高变化时，表面最大形变随转速升高而变大，且在（120～150）r/min 时变化较小，（150～180）r/min 之间增幅大，螺旋桨在转速小于150r/min工作时O型圈压缩量较小符合设计；桨毂与曲柄销盘的接触压力和摩擦应力都随着转速的升高而逐渐变大，如图6所示。因此在使用时应减少螺旋桨在大于150r/min的情况下的工作时间。

4.3 不同预紧力下的结果

一般加工表面有润滑的预紧力为（320～390）kN，每10kN取一个值进行计算。此时温度为30℃，转速为150r/min，桨叶位于初始位置。预紧力逐渐增大时，螺栓的等效应力也在缓慢的增长。各表面的最大形变随预紧力增大的趋势呈抛物线形，从320kN增大到370kN时逐渐减小，之后到390kN逐渐增大，且在（380～390）kN时增幅较大，因此合适的预紧力应为370kN或较小。桨毂与曲柄销盘的接触压力和摩擦应力都随着预紧力的升高而逐渐变大，如图7所示。

图7 形变和应力随预紧力变化曲线Fig.7 Curves of Deformation and Stress with Changing Bolt Pretension

4.4 调距时的变化

螺旋桨调距范围为±15°，每5°取一个值进行计算。此时温度为30℃，转速为150r/min，预紧力为390kN。

图8 形变和应力在调距时的变化曲线Fig.8 Curves of Deformation and Stress with Changing Screw Pitch

由于螺旋桨关于调距的旋转轴不对称，调距时各参数并没有明显的变化趋势，如图8所示。为使推进器获得所需要的工作状态，需要调距和改变转速同时进行，了解到不同的调距角度间隙的变化和摩擦力的变化情况可以为实际工作环境下的调距提供数据支持，通过衡量调距和转速的影响，选择最佳的工作状态。

5 总结

利用有限元分析软件ANSYS Workbench对可调距螺旋桨实际工况进行仿真分析，主要的结论如下：

（1）受桨叶转动影响，形变两侧分化；法兰与曲柄销盘靠螺栓进行连接，在预紧力的作用下应力在螺栓附近较大。

（2）随着温度的升高，桨毂与曲柄销盘的接触压力和摩擦应力逐渐变大，使得调距变得困难。同时也使得各个表面的接触面积逐渐变大，在（25～35）℃时的形变增幅较小。

（3）转速由低到高变化时，桨毂与曲柄销盘的接触压力和摩擦应力都随之变大。表面最大形变随转速升高而变大，在150r/min之前变化较小，之后螺旋桨性能较差，应避免长时间高转速运行。

（4）预紧力逐渐增大时，桨毂与曲柄销盘的接触压力和摩擦应力都随着预紧力的升高而逐渐变大，调距灵敏度变差。表面最大形变随预紧力增大的趋势呈抛物线形，在370kN取到最小值且在（380～390）kN时变化较大。因此预紧力应选370kN或略小。

（5）温度对接触压力的影响最为显著，随温度升高接触压力的增幅最大，转速和预紧力的影响相对较小，因此应严格控制温升。

通过实际工况下螺旋桨调距灵敏性的分析，可以确定最佳预紧力的大小，对推进器在使用过程的评估提供了仿真数据支持，了解实际工作中温度、转速和调距对螺旋桨调距灵敏性的影响。后续的工作中，输出结合面上对应节点的形变和等效应力的数据，可以分析密封圈的压缩程度以及接触面上摩擦磨损的情况，进行实际工况下服役寿命的分析。