HD型转叶式舵机疲劳性能基本研究

第２ ６卷 第 ６期 ２０ ０９年 １ ２月
江苏船舶
ＪＡ Ｉ ＮＧＳ ＨＩ ＵＳ Ｐ
Ｖ０ ． Ｎｏ ６ Ｉ２６ ． Ｄｅ ． ０ ｃ ２ ｏ９
ＨＤ型转 叶式 舵机 疲劳性 能基 本研 究
莫 国影 ， 曾勇军
（ 南京中船绿 洲机器有限公司技术 中心 ， 江苏 南京 ２０ ３ ） １０ ９ 摘 要： 舵机是航行船舶必配的关键设备 ， 需要在海上作业 ， 工况 恶劣 ， 对零件 的可靠性要 求很高 。通过建立 转
中图分类号 ： ６４ ４ Ｕ ６ ． １ 文献标识码 ： Ａ
０ 引言
舵 机是 航行 船 舶必 配 的关键 设 备 ， 是典 型 的机
转叶式舵机是通过缸体 固定在船体上， 并且缸 体与所有零件都接触 ， 所以装配时选择缸体为放置 的第一元件 ， 转子、 静叶和缸盖与其之间的约束分别 如图 １ａ （ ）一（ ） 示 。 ｃ所
叶式舵机主要承力构件缸体 、 缸盖和转子的三维模型 ， 利用 Ａ Ｓ ＳＷｏｋ ｅｃ Ｎ Ｙ ｒｂ ｎｈ软件进行有 限元分析 ， 本文对 ＨＤ
型转 叶式舵机的疲 劳性能进行研究 ， 为该型舵 机的结构优化设计 奠定基础 。
关键词 ： 叶式舵机 ； 转 三维模型 ； 有限元分析 ； 疲劳性能研究
为结构设 计优化 奠定 了基 础 。
（） 盖 ｃ缸
图 １ 零件之问的约束关 系
转叶式舵机工作时具有 自身特点， 以三叶舵机 缸体为例 ， 工作状态下有 ３ 个高压 区， 个低压 区。 ３ 因此， 为了有限元分析时便于加载 ， 在建模时要将缸 体内壁和底面进行分面 ， 内壁分面结果如图２所示。
ｓｐｒｔｎ 静叶 和 缸 盖 之 间 接 触 类 型 为 ｎ ｅａａ ｅａａｉ ， ｏ ｏｓｐｒ—
ｔｎ ｉ 。另外 ， ｏ 还要定义材料 的属性 ， 各零件材料属性 见表 １ 。
表 １ 零 件材 料属 性表
属性
材 料
转子
缸体
缸盖
Ｑ ４ ０—１ Ｑ ￣０一ｌ Ｑ ４ ０—１ Ｔ０ ８ Ｔ￣ ０ ８ Ｔ０ ８
图 ４ 网格计 算结果
２ １ 网格 划分 ．
网格划分是有 限元分 析前处理 中很重要 的步 骤， 往往 网格划分的精细度决定 了计算结果 的可靠 度， 用户需要权衡计算成本和 网格划分份数之 间的 矛盾。细密的网格会使计算结果更精确 ， 但是会增 加 Ｃ Ｕ的计算 时间和需要更大的存储空间； Ｐ 在理想 的情况下 ， 户需 要 的 网格 密 度 是 结果 不 再 随 网格 用 的加密而改变 的密度。因此 ， 不是网格越密分析结 果越理想 。本文采用 自由智能网格划分方法 ， 自由
１ 三维模 型 的建 立
模型总体坐标系采用右手迪卡尔坐标系统 ， 采
用 毫米 （ ｍｍ） 牛 顿 （ 、 （ ） 位 制 。先 分 别 建 、 Ｎ） 秒 ｓ 单 立转 子 、 缸体 、 缸盖 和静 叶的零件模 型 ， 再进 行装 配 。 零件 建模 时优先选 用基准平 面为绘 制草 图的平 面。
第 ６期
莫 国影 等 ： Ｄ型转 叶式舵 机疲 劳性 能基 本研 究 Ｈ
２ １
２ 结 构 静 力 分 析
结 构 分 析 是 有 限元 分 析 最 常用 的一 个 应 用 领 域。根据求解类型 的不 同， 结构分析又可 以分为很
多种 ， 本文分析是求解静力载荷 作用下结构的位移 和应力问题 ， 属于静力分析范畴， 应用有限元分析软 件 Ａ Ｓ ＳＷｏ ｂｎｈ Ｎ Ｙ ｒ ｅｃ 进行 线性静力分析。在前处 ｋ 理之前要定义各零件之间的接触关系 ， 缸体和静叶 之间接触类型为 ｂｎｅ ， ｏｄｄ 缸体 和缸盖之间为 ｂｎ． ｏｄ ｅ ， 子和静叶 、 ｄ转 缸体、 缸盖之 间接触类 型均 为 ｎ ｏ
（） ａ 转子
船来说， 由于转叶式舵机体积小、 噪声低 ， 性能可靠 ， 也越来越多地替代往复式舵机， 在德 国生产 的护卫 舰、 驱逐舰、 扫雷舰几乎全部采用转叶式舵机。 疲劳破坏是机械结构件失效的主要形式 。转叶 式舵机在船上拆装困难， 给修理带来很大的困扰 ， 这 就需要它的结构很可靠 ， 尽量避免维修 。转叶式舵 机的主要承力零件为转 子、 缸体、 缸盖和静叶， 毛坯 都是铸造件 ， 在保证结构可靠 的同时 ， 了节省材 为 料， 减少不必要的浪费， 对其进行疲劳性能的研究就 尤为重要 。本文对转子、 缸体、 缸盖和静叶的装配体 建立三维有限元模型并进行结构分析和疲劳分析 ，
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
杨氏模 量 Ｅ ＭＰ ／ ａ
１７ ．３×１５ ０
１７ ．３×１ ０
１７ ． ３×１ ５ ０
泊松 比
密度 （ ｇ・ ｌ ） ｋ ｎ 抗拉强度 ６ＭＰ ／ ａ 屈服强度 ／ ａ ＭＰ
０３ ．
Ｏ３ ．
０３ ．
７４ ．５×１３ ７ ４ ０ ．５×１ ３ ７ ４ ０ ． ５×ｌ ０ ４Ｏ ０ ３０ ２ ４０ ｏ ２０ ５ ４Ｏ Ｏ ２０ ５
０舶
网格对单元形状无 限制 ， 并能够 自动识别应力集 中 位置。网格划分参数设置如图 ３ 所示 ， 网格计算结
果 如 图 ４所示 。
电液一体化产品。舵机与舵 、 自动操舵系统一起构 成 了船舶的转向系统。体积小、 重量轻、 噪音小、 寿 命长的 Ｈ Ｈ ｄ ｕｃ 型转叶式舵机 ， Ｄ（ ｙｒ ｌ ） ａｉ 在船舶配套 行业得到迅速的发展。据统计 ， 在我国出口船中， 有
８％ 以上外商 指定要 用转 叶式舵机 。 国内重要船 舶 ０ 用转 叶式舵 机 的趋 向也越来 越 明显 。尤其 对军用 舰
收 稿 日期 ：０ ９—０ ２０ ４—１ ０
作者简介： 莫国影（９ ２一 ， ， １８ ） 女 南京中船 绿洲机器有限公司硕士研 究生 ， 从事转叶式舵机 的设 计工作 ； 曾勇军 （９ ４一） 男 ， １７ ， 南京 中船 绿洲机器有限公 司高级工程师， 主要从事转叶式舵机的设计工作 。