[發(fā)明專利]一種船用曲軸紅套過盈量的設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910010338.4
• 申請日: 2009-02-11
• 公開（公告）號: CN101477587A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫明月;陸善平;李殿中;李依依
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 張志偉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于機械制造領(lǐng)域，具體地說就是一種船用曲軸紅套過盈量的設(shè)計方法，它適用于大型船用曲軸紅套的設(shè)計和制造過程。

背景技術(shù)

大型半組合船用曲軸是低速大馬力柴油發(fā)動機最核心的部件之一，是大型船舶的“心臟”。半組合式曲軸由曲拐、主軸頸、推力軸、法蘭軸幾部分組成。曲軸制造流程主要包括真空冶煉、真空澆注、鍛造、熱處理、粗加工、紅套和整軸精加工。這些流程中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是如何制造具有良好冶金質(zhì)量的鍛件和如何將曲拐和主軸等各部分連接在一起。實際過程中，在對各部分零件進(jìn)行粗加工后，常常采用紅套的方法將低速柴油機曲軸的各部分連接起來。由于各部分零件體積巨大(單拐重量在5～15噸)，紅套過程要求使用主軸將各曲拐以一定的角度分布連接在一起，組裝精度要求很高，因此實施該過程需要相當(dāng)?shù)募记珊湍托摹?/p>

紅套是利用金屬的熱脹冷縮原理，加熱外部零件使零件上的孔擴(kuò)大，然后插入具有一定過盈量的軸，隨后冷卻，通過表面接觸壓力將幾部分同質(zhì)或異質(zhì)材料永久連接地在一起，是一種既經(jīng)濟(jì)又可靠的重要連接方式。許多無法通過整體鑄造或鍛造方法制造的大型軸類零件，均采用紅套方法實現(xiàn)各部分的連接。與紅套過程的重要性相反的是，目前關(guān)于這方面的三維研究分析卻很少，這是因為對于兩個或多個實體之間的接觸分析是一個復(fù)雜的非線性問題，紅套過程涉及零件加熱和冷卻過程，以及材料熱膨脹變形、彈性變形和塑性變形。因此，紅套過程是一個耦合了傳熱、變形、接觸等物理過程的綜合問題。尤其對于像曲軸這樣非軸對稱的幾何體來說，由于紅套孔周圍的材料厚度不同，因此紅套孔上不同位置的變形也是不均勻的，因此可能會導(dǎo)致局部的應(yīng)力集中，嚴(yán)重的甚至?xí)驗樵O(shè)計不當(dāng)而導(dǎo)致紅套孔開裂，造成巨大損失。

曲軸的紅套過程為：如圖1所示，首先將曲拐2放平，加熱曲臂一側(cè)內(nèi)表面，使溫度升高，紅套孔發(fā)生膨脹，當(dāng)膨脹后的紅套孔直徑超過主軸直徑約1mm左右時，停止加熱，然后緩慢插入主軸1，直到主軸1上的擋環(huán)與放置在曲臂表面上的擋塊相接觸為止，最后整體冷卻到室溫，實現(xiàn)曲拐2與主軸1之間的緊密連接，這個過程稱為單套。然后，將所有單套在一起的各部分采用相似的紅套方法連接起來，直到各部分曲拐2和主軸1都被連接在一起，成為整體的曲軸，這個過程稱為復(fù)套。在整根曲軸的一端用推力軸3安裝于曲拐2的一曲臂上，在整根曲軸的另一端用法蘭軸4安裝于曲拐2的一曲臂上。

在現(xiàn)有工藝的曲軸紅套工藝過程中，紅套過盈量的選取往往依靠經(jīng)驗，一些研究者通過總結(jié)實驗數(shù)據(jù)，認(rèn)為當(dāng)紅套元件為鋼鐵材料的情況下，紅套過盈量的值可取為(1/550～1/660)D，D為紅套孔的直徑，但該取值缺乏科學(xué)依據(jù)，未考慮零件的使用狀態(tài)，因此很難應(yīng)用在像曲軸這樣高精度要求的零件上。

隨著現(xiàn)代工程力學(xué)理論和計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，采用模擬技術(shù)預(yù)測大型零件的變形和受力狀況已經(jīng)進(jìn)入實用階段。國際上開發(fā)出很多模擬軟件(如：ABAQUS，ANSYS，MARC等)來模擬金屬在加工過程的結(jié)構(gòu)變形和受力情況。根據(jù)模擬結(jié)果，可以觀察到零件上不同位置的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，定量研究和分析過程中的變形規(guī)律，這些是傳統(tǒng)的經(jīng)驗方法或解析方法很難實現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種船用曲軸紅套過盈量的設(shè)計方法，采用該方法可以設(shè)計船用曲軸的紅套過過盈量，使用該設(shè)計方法紅套后得到的大型船用曲軸，不但能夠顯著降低由于界面應(yīng)力可能引起的紅套孔脹裂，并且能使紅套后的結(jié)構(gòu)承受額定的扭矩而不發(fā)生滑移。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

本發(fā)明開發(fā)了一種船用曲軸紅套過盈量的設(shè)計方法，其主要內(nèi)容包括：

1)根據(jù)紅套后整體結(jié)構(gòu)的受力要求，通過解析方法確定紅套過盈量的最小值。

2)根據(jù)紅套后材料不發(fā)生屈服的要求，通過解析方法確定紅套過盈量的最大值。

3)采用有限元進(jìn)行模擬，在最大值和最小值之間選取一個恰當(dāng)?shù)闹?，使得在該過盈量取值條件下，整個系統(tǒng)受力最大的部位恰好不發(fā)生屈服，此數(shù)值即作為最佳過盈量的取值。