专利名称：一种船用曲轴红套过盈量的设计方法
技术领域：
本发明属于机械制造领域，具体地说就是一种船用曲轴红套过盈量的设计方 法，它适用于大型船用曲轴红套的设计和制造过程。
背景技术：
大型半组合船用曲轴是低速大马力柴油发动机最核心的部件之一，是大型船 舶的"心脏"。半组合式曲轴由曲拐、主轴颈、推力轴、法兰轴几部分组成。曲轴
制造流，M^要包括真空冶炼、真空浇注、锻造、热处理、粗加工、红套和整轴精 加工。这些流程中最关键的环节是如何制造具有良好冶金质量的锻件和如何将曲 拐和主轴等各部分连接在一起。实际过程中，在对各部分零件进行粗加工后，常 常采用红套的方法糊氐速柴油机曲轴的各部分连接起来。由于各部分零件体积巨 大(单拐重量在5 15吨)，红套过程要求使用主轴将各曲拐以一定的角度分布连 接在一起，组装精度要求很高，因此实施该过程需要相当的技巧和耐心。
红套是利用金属的热胀冷縮原理，力口热外部零件使零件上的孑L扩大，然后插
入具有一定过盈量的轴，随后冷却，M表面接触压力将几部分同质或异质材料
7乂久连接地在一起，是一种既经济又可靠的重要连接方式。许多无法通过整体铸
造或麟方法制造的大型轴类零件，均采用红套方法实现各部分的连接。与红套 过程的重要性相反的是，目前关于这方面的三维研究分析却很少，这是因为对于 两个或多个实体之间的接触分析是一个复杂糊璣性问题，红套过程涉及零件加 热和冷却过程，以及材料热膨胀变形、弹性变形和塑性变形。因此，红套过程是 一w禺合了传热、变形、接触等物理过程的综合问题。尤其对于像曲轴这样3時由
对称的几何体来说，由于红套 L周围的材料厚度不同，因此红套孔上不同位置的 变形也是不均匀的，因此可能会导致局部的应力集中，严重的甚至会因为设计不 当而导致红套孔开裂，造成巨大损失。
曲轴的红套过程为如图1所示，首先将曲拐2放平，加热曲臂一侧内表面， 使温度升高，红套孔发生膨胀，当膨胀后的红套 L直径超过主轴直径约lmm左 右时，停止加热，然后缓慢插入主轴1，直到主轴1上的挡环与放置在曲臂表面上的挡块相接触为止，最后整体冷却到室温，实现曲拐2与主轴1之间的紧密连 接，这个过程称为单套。然后，将所有单套在一起的各部分采用相似的红套方法 连接起来，直到各部分曲拐2和主轴1都被连接在一起，成为整体的曲轴，这个
过程称为复套。在整根曲轴的一端用推力轴3安装于曲拐2的一曲臂上，在整根 曲轴的另一端用法兰轴4安装于曲拐2的一曲臂上。
在现有工艺的曲轴红套工艺过程中，红套过盈量的选取往往依靠经验， 一些 研究者通过总结实验数据，认为当红套元件为钢铁材料的情况下，红套过盈量的 值可取为(1/550 1/660)Z),"为红套孔的直径，但该取值缺乏科学依据，未考虑 零件的使用状态，因此很难应用在像曲轴这样高精度要求的零件上。
随着现代工程力学理论和计算机纟莫拟技术的发展，采用模拟技术预测大型零 件的变形和受力状况已经进入实用阶段。国际上开发出很多模拟软件(如
ABAQUS,ANSYS,MARC等)来模拟金属在加工过程的结构变形和受力情况。 根据模拟结果，可以观察到零件上不同位置的应力应变分布情况，定量研究和分 析过程中的变形规律，这些是传统的经验方法或解析方法很难实现的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船用曲轴红套过盈量的设计方法，采用该方法可 以设计船用曲轴的红套过过盈量，使用该设计方法红套后得到的大型船用曲轴， 不但能够显著斷氏由于界面应力可能弓胞的红套孔月機，并且能使红套后的结构 承受额定的扭矩而不发生滑移。
本发明的技术方案是
本发明开发了一种船用曲轴红套过盈量的设计方法，其主要内容包括
1 )根据红套后整体结构的受力要求，通过解析方法确定红套过盈量的最小值。
2) 根据红套后材料不发生屈服的要求，通过解析方法确定红套过盈量的最大值。
3) 采用有限織行模拟，在最大值和最小值之间选取一个洽当的值，使得在 该过盈量取值条件下，整个系统受力最大的部位险好不发生屈服，此数值即作为 最佳过盈量的取i直。
所述步骤l)中，根据红套后整体结构的受力要求，通过解析方法确定红套过盈
量的最小值，其表达式为《mn=,,(，2) 、.^gf,其中n为主轴内半径，
6为红套界面处的半径，c为红套孔区域的外半径，丄为主轴与红套孔界面上的接
4触长度，7b,'拜为额定扭矩，//为摩擦系数，五为红套孔和主轴的弹性模量。
所述步骤2)中，根据红套后材料不发生屈服的要求，通过解析方法确定红套
过盈量的最大值，其魏式为《nax = 2f 、)4,其中"为主轴内半径，6为
红套界面处的半径，c为红套孔区域的外半径，o"、为材料屈服强度，￡为红套孔 和主轴的弹性模量。
戶脱步骤3)中，采用有限繊行模拟，在曲轴红套过盈量的最大值和最小值 之间选取一个洽当的值，使得在该过盈量取值条件下，整个系统受力的最大部位 恰好不发生屈服，此数值即作为最佳过盈量的取值；具体过程为建立实体零件 的几何模型，定义材料力学性能参数，剖分网格，设置边界^#和界面接触^#， 逐歩施加过盈量，进行有限元模拟计算，监视旨有限元系统受力最大的部位， 当该位置应力值达到屈服强度时，即可认为该时刻对应的过盈量为最佳过盈量。
本发明的有益效果是
1 、本发明采用数<翻科斤和有限元模拟相结合的手段确定了一种船用曲轴红套 过盈量的设计方法，采用该方法可以设计船用曲轴的红套过盈量，使用该设计方 法红套后得到的大型船用曲轴，不但能够显著降低由于界面应力可能弓胞的红套
孑L月機，并且使得红套后的结构能够承受额定的扭矩而不发生滑移，降低了制造 风险，提高了产品的成品率，縮短曲轴产品的生产周期。
2、 采用劍戯科斤和有限元模拟相结合的手段确定船用曲轴红套过盈量，减少
了i微次数，降低了研究费用。
3、 本发明建立的船用曲轴红套过盈量的设计方法适用于生产MANB&W(曼 恩比维)和WARTSKA (瓦锡兰)柴油机专利公司的全部机型曲轴曲拐部件，生 产新型号曲拐零件时，只须根据零件加工图纸即可得出过盈量的两个极限值，在 此基础上进行有限元模拟，确定最佳的过盈量值，可大大减少设计时间，降低研 制费用，縮短产品试制周期。
图l为曲轴红套过程示意图。
图2为简单红套过盈配合结构示意图。
图3为本发明建立的曲轴红套过程有限元模型。
图4为有限元模型中最大应力和塑性变形随过盈量的变化。
图中，1—主轴；2—曲拐；3—推力轴；4—法兰轴；5 —红套孔；6—曲臂。
5具体实航式
下面结合附图及实施例详述本发明。
本发明所建立的船用曲轴红套过盈量的设计方法的具体步骤如下 1)根据红套后整体结构的受力要求，通过解析方法确定了红套过盈量的最小 值t 。
对于如附图1所示的简单过盈配合状态，可简化为二维平面应变问题来研究。 曲轴工作状态的扭矩可表达为
式(i)
-摩擦系数； -界面压力； 6 -红套界面处的半径；
丄-主轴与红套孔在界面上的接触长度；
r。w^ -额定扭矩。
对于如附图l所示的红套结构来说，红套界面处的过盈量s可以认为是常量，
在红套过程中，红套孔的内径扩张量为&,主轴的外径收縮量为《，根据Hook
定律的张量形式，红套 L和主轴在界面处的弹性变形量可分别表示为
& = &。 = I.( 。+ v。p) 式(2)
￡。 、 g -分别代表红套孔材料的齊性模量禾柱轴材料的齊性模量； v。、 v,-分别代表红套 L材料的泊松比和主轴材料的泊松比； 。-红套孔界面处所承受的剪切应力； ,-主轴界面处所承受的剪切应力； 6 -红套界面处的半径；
s。、 s,-分别代表红套孔的应变量和主轴的应变量。 根据lame应力方程，红套 L和主轴在界面处的剪切应力，以及界面处的径向 应力可分别表达为
^錄P 納
6CT。
+fl2)
如2-a2)
式(5)式(6)
= =
a -主轴的内半径；6 -红套界面处的半径；c _红套孔区域的外半径；; -界面压力；
。、cr -分别代表红套 L界面处的径向应力和主轴界面处的径向应力;界面处总的变形量(过盈量)可表达为
e c r ,C2+62 、 Z / 》2+a2
￡。 d' 。， g 、y
因此，界面接触压力p可皿为
式(7)
式(8)
其中，
五,,
1
1 ,c +6 、1 》—+a 、
.("T^7T + V。) + TT.(T1"~I化)
式(9)
￡, 6— — a
& -代表包含几何因子的等效弹性模量；
对于曲轴红套而言，主轴与红套孔为相同材质，即￡。 v。=v,=￡,由此，式(8)可简化为(c2—62)(62_a2)
2W-a"3 -过盈量；
￡ -代表主轴与红套孔材质的弹性模j结合式(1)、 (10)可得
Amn = ~^-J~~~5-i---
顆 (c — 6 )(& — ^ )《mn -过盈量的最小值；￡ -代表主轴与红套孔材质的弹性模」
式(10)
式(ll)
72) 根据红套后材料不发生屈服的要求，通过解析方纟去确定了红套过盈量的最大值。
根据Tresca屈服准则，红套 L界面处所承受的最大剪切应力可表达为U=^^ 式(12)rmax —代表红套孔界面处所承受的最大剪切应力；
。、 。 一分别代表红套 L界面处所承受的剪切应力和红套 L界面处所承受的
径向应力；
当红套孔界面处的材料发生屈服时，满足 吋隨 式(13)a、 _材料屈服强度；
结合式(4) (6) (10) (12) (13)可得
五_代表主轴与红套孔材质的弹性模量；5隱—过盈量的最大值；
3) 采用有限皿行模拟，在曲轴红套过盈量的最大值和最小值之间选取一个恰当的值，使得在该过盈量取值条件下，整个系统受力的最大部位恰好不发生屈服，此数值即作为最佳过盈量的取值。
本发明中，红套的都艮元模拟为常规技术，其具体过程为建立实体零件的几何模型，定义材料力学性能参数，剖分网格，设置边界割特Q界面接触条件，逐歩施加过盈量，进行有限元模拟计算，监视S^有限元系统受力最大的部位，当该位置应力值达到屈服强度时，即可认为该时刻对应的过盈量为最佳过盈量。请参见文献 Kim HY, Kim C, Bae WB, Han SM. Development of optimization techniqueof warm shrink fitting process for automotive transmission parts (3D FE analysis). JMater Process Tech 2007; 187-188:458-462.
8[2] Ozel A, Temiz S, Aydin M D, Sen S. Stress analysis of shrink-fitted joints forvarious fit forms via finite element method. Mater Design 2005; 26:281 -289.。
如图2所示，本实施例的零件为MAN B&W专利公司的6S50MC-C型号曲轴曲拐，材质为S34MnV，主轴的外半径为b313.28mm,内孔半径为a二85mm，曲拐圆头部分半径为c^475mm，半^i:的红套过盈量为5mm，则红套 L5的原始半径为(313.28」)mm，主轴1与红套孔5接触长度L为215mm，红套孔5内壁和主轴1表面的粗糙度均为Ra 6.3，采用丙烷加热曲臂6下表面红套孔区域，曲拐加热时间、插入主轴操作时间和冷却时间分别为3小时、10分钟和34小时。根据S50型号柴油机的功率设计，曲轴承受的瞬间最大扭矩为2200kNm，摩擦系数//取0.2,弹性模量E取2.13GPa,应用公式(ll)，可得《^ = 0.45附m。
材料屈服强度 为360MPa，应用公式(14)，可得《犯=1.10附附。
为了在^和L之间选取一个洽当的值，建立有限元模型如图3所示，模型共203,999个单元，主轴和红套孑L之间的摩擦系数为0.2。在有限元模拟过程中，逐步增加过盈量的数值，监视整个有限元系统受力最大的部位。如图4所示，当过盈駄至U0.73 mm时，受力最大位置的材料恰好将要发生屈服，塑性变形量随后逐渐增大。因此，选定^0.73附附作为最佳过盈量。
实践表明，红套后的曲轴在红套孔处未发现裂纹，该曲轴产品在发动机上工作状态良好。采用本发明方法可设计MAN B&W和WARTSILA柴油机专利公司的全部机型曲轴红套过程的过盈量。使用该设计方法红套后得到的大型船用曲轴，不但能够显著降低由于界面应力可能弓胞的红套孔胀裂，并且使得红套后的结构能够承受额定的扭矩而不发生滑移，因此降低了制造风险，提高了产品的成品率，縮短曲轴产品的生产周期。
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权利要求
1、一种船用曲轴红套过盈量的设计方法，其特征在于具体步骤如下1)根据红套后整体结构的受力要求，通过解析方法确定红套过盈量的最小值；2)根据红套后材料不发生屈服的要求，通过解析方法确定红套过盈量的最大值；3)采用有限元进行模拟，在最大值和最小值之间选取一个恰当的值，使得在该过盈量取值条件下，整个系统受力最大的部位恰好不发生屈服，此数值即作为最佳过盈量的取值。
2、按照权利要求l戶脱的船用曲轴红套过盈量的设计方法，其特征在于所述 步骤1)中，根据红套后整体结构的受力要求，通过解析方法确定红套过盈量的最小值，其表赵为L，K) 2、'^f,其中"为主轴内半径，6为红套界面处的半径，c为红套孔区域的外半径，丄为主轴与红套孔界面上的接触长 度，7b，e为额定扭矩，^为摩擦系数，E为红套 L和主轴的弹性模量。
3、 按照权禾腰求l所述的船用曲轴红套过盈量的设计方法，其特征在于所 述步骤2)中，根据红套后材料不发生屈服的要求，通过解析方法确定红套过盈量的最大值，其魏式为l"f一，5,其中"为主轴内半径，6为红套界面处的半径，c为红套孔区域的外半径，R为材料屈服强度，￡为红套孔和主轴 的弹性模量。
4、 按照权利要求l所述的船用曲轴红套过盈量的设计方法，其特征在于所 述步骤3)中，采用有限^i4行模拟，在曲轴红套过盈量的最大值和最小值之间选 取一个洽当的值，使得在该过盈量取值^^牛下，，系统受力的最大部位恰好不 发生屈服，此数值即作为最佳过盈量的取值；具体过程为建立实体零件的几何模型，定义材料力学性能参数，剖分网格，设置边界剝特n界面接触条件，逐步施加过盈量，进行有限元模拟计算，监视整个有限元系统受力最大的部位，当该 位置应力值达到屈服强度时，即可认为该时刻对应的过盈量为最佳过盈量。
全文摘要
本发明属于机械制造领域，具体地说就是一种船用曲轴红套过盈量的设计方法，它适用于大型船用曲轴红套的设计和制造过程。根据红套后整体结构的受力要求，通过解析方法确定红套过盈量的最小值；根据红套后材料不发生屈服的要求，通过解析方法确定红套过盈量的最大值；采用有限元进行模拟，在最大值和最小值之间选取一个恰当的值，使得在该过盈量取值条件下，整个系统受力最大的部位恰好不发生屈服，此数值即作为最佳过盈量的取值。本发明红套后得到的大型船用曲轴，不但能够显著降低由于界面应力可能引起的红套孔胀裂，并且使得红套后的结构能够承受额定的扭矩而不发生滑移，因此降低了制造风险，提高了产品的成品率，缩短曲轴产品的生产周期。
文档编号G06F17/50GK101477587SQ200910010338
公开日2009年7月8日 申请日期2009年2月11日 优先权日2009年2月11日
发明者孙明月, 李依依, 李殿中, 陆善平 申请人:中国科学院金属研究所