錨機齒輪箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)及輕量化設(shè)計

張昊 黃一峰 劉全良

摘 要：為了降低漁船錨泊設(shè)備齒輪箱的重量，節(jié)約成本，避免資源浪費，需要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計研究。本文將響應(yīng)面輕量化化方法引入到漁船錨泊設(shè)備齒輪箱設(shè)計中，對齒輪箱進(jìn)行有限元分析，通過實驗設(shè)計建立響應(yīng)面模型，確定最終優(yōu)化方案，完成齒輪箱輕量化設(shè)計，輕量化后的齒輪箱質(zhì)量減輕了10.24%，最大等效應(yīng)力和位移也滿足安全范圍，實驗驗證該方法對齒輪箱的輕量化設(shè)計是有效的。通過本文的輕量化設(shè)計，將響應(yīng)面應(yīng)用于錨機齒輪箱中，實現(xiàn)了減重的目的，該方法對相似結(jié)構(gòu)問題的解決提供了一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：錨機;齒輪箱;輕量化;響應(yīng)面

中圖分類號：U664.4? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0094-04

錨機作為漁船甲板機械重要組成部分，對漁船有著十分重要的作用[1]。近年來輕量化設(shè)計技術(shù)得到快速發(fā)展，漁船作為主要的捕撈設(shè)備，對其進(jìn)行輕量化能夠提高經(jīng)濟(jì)性，降低資源消耗[2]。

齒輪箱作為錨機中主要的支撐部件，對其進(jìn)行輕量化設(shè)計，能夠有效降低錨機質(zhì)量。目前國內(nèi)學(xué)者對錨機做出大量輕量化研究，李曦[3]通過對齒輪箱的厚度進(jìn)行優(yōu)化，使得齒輪箱總體質(zhì)量降低21.4%，南京理工大學(xué)的史陰陽[4]對錨機的基座進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化后的基座質(zhì)量減輕了10.47%，張建[5]通過對比三種齒輪箱設(shè)計方案并進(jìn)行選擇，達(dá)到質(zhì)量減輕的目的，謝健[6]對甲板機械的輕量化設(shè)計理念進(jìn)行介紹，對錨機輕量化技術(shù)的應(yīng)用提供了參考。代理模型近年來發(fā)展迅速，被應(yīng)用于汽車、飛機和船舶等復(fù)雜結(jié)構(gòu)[7]。響應(yīng)面模型作為代理模型的一種，具有模型簡單、收斂速度快等優(yōu)點，受到科研人員的重視[8]，國內(nèi)外學(xué)者基于代理模型的輕量化技術(shù)也做出了大量研究，但基于響應(yīng)面模型的錨機輕量化技術(shù)較空缺[9-10]。本文根據(jù)錨機齒輪箱的作用和受力特點，采用響應(yīng)面模型對齒輪箱其輕量化分析設(shè)計。

1研究流程

1.1研究對象介紹

本文研究的錨機為兩級有檔錨鏈，起錨負(fù)載為38.3kN、過載拉力為57.4kN、支持負(fù)載為175kN、起錨速度≥9m/min，結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。本文主要對其齒輪箱進(jìn)行輕量化設(shè)計。

1.2輕量化流程

通過建立齒輪箱結(jié)構(gòu)模型，根據(jù)結(jié)構(gòu)和工況特點，確定設(shè)計變量和約束條件，并進(jìn)行實驗設(shè)計構(gòu)建響應(yīng)面，輕量化流程如圖2所示。在進(jìn)行求解時，可能出現(xiàn)結(jié)果不收斂現(xiàn)象導(dǎo)致求解失敗，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新調(diào)整，以求得計算結(jié)果。當(dāng)求得結(jié)果后，仍需要對結(jié)果進(jìn)行驗證，從而確定輕量化后的實驗數(shù)據(jù)能夠滿足安全使用要求。

2 錨機齒輪箱有限元分析

2.1有限元模型

齒輪箱采用Q235鋼材材料，屈服強度為235Mpa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7850kg/m3。齒輪箱有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。采用三面體和四面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)為267164，單元數(shù)為93530個。

2.2有限元計算

當(dāng)錨機在工作時，其支持負(fù)載要大于起錨負(fù)載，因此選取支持負(fù)載情況下的載荷對錨機進(jìn)行有限元分析，同時要考慮液壓馬達(dá)的扭矩、支撐錨鏈輪、主軸結(jié)構(gòu)等重力作用，利用有限元軟件ANSYS完成齒輪箱的有限元分析。

從圖4可以看出，齒輪箱的受力主要為出鏈方向的下側(cè)，最大等效應(yīng)力為82Mpa，但大部分的區(qū)域受力比較小，基本在36Mpa以下，支持負(fù)載下齒輪箱的強度要小于屈服值，從圖5可以看出最大變形區(qū)域在軸承座附近，最大變形位移為1.6e-4m，符合安全范圍。

3 齒輪箱輕量化

3.1 kriging響應(yīng)面理論

Kriging代理模型主要將待求的函數(shù)看成一種隨機過程，主要由回歸模型和靜態(tài)隨機過程所構(gòu)成，其表達(dá)式為：

3.2齒輪箱數(shù)學(xué)模型

本文研究的錨機齒輪箱主要由底板、前板、后板、圍板、側(cè)板、法蘭板和軸承座等結(jié)構(gòu)組成?？紤]到齒輪箱內(nèi)部齒輪的安裝和總體實現(xiàn)功能，因此對箱體的前板、側(cè)板、后板和法蘭板的高度不作改變，選取前板、后板和側(cè)板的厚度和各結(jié)構(gòu)的厚度作為設(shè)計變量，如圖6所示。

優(yōu)化數(shù)學(xué)模型包括設(shè)計變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。本文針對錨泊設(shè)備的齒輪箱進(jìn)行輕量化設(shè)計研究，其設(shè)計變量為：

其中x8為上側(cè)板的厚度。

目標(biāo)函數(shù)為：

其中，x1，x2，x3，…x8為底面板尺寸參數(shù)及厚度、上面板厚度和支撐構(gòu)件長度，W為基座重量，σ≤ [σ] 為強度約束條件。

3.3齒輪箱輕量化

為了獲得設(shè)計變量的最優(yōu)解，對齒輪箱進(jìn)行285次實驗設(shè)計，以便構(gòu)建響應(yīng)面。在實驗設(shè)計時，需要對設(shè)計變量取值規(guī)定范圍區(qū)間，如表1所示。

根據(jù)實驗設(shè)計數(shù)據(jù)，構(gòu)建齒輪箱設(shè)計變量對質(zhì)量響應(yīng)面，如圖7所示。從圖7可以得到設(shè)計變量對質(zhì)量呈線性關(guān)系，隨著設(shè)計變量的增大質(zhì)量也在增大。

根據(jù)響應(yīng)面模型，對齒輪箱進(jìn)行輕量化設(shè)計研究。通過篩選法對齒輪箱1000個樣本點進(jìn)行篩選，獲得質(zhì)量最小的樣本點，得到最優(yōu)方案，如表2所示。

3.4驗證分析

根據(jù)輕量化后的數(shù)據(jù)，構(gòu)建齒輪箱模型，并進(jìn)行有限元分析計算，分析結(jié)果如圖8、圖9所示，經(jīng)過分析可以得到：

（1）輕量化前，齒輪箱質(zhì)量為373.74kg，輕量化后，齒輪箱質(zhì)量為335.47kg，質(zhì)量降低了10.24%，節(jié)約了材料成本。

（2）輕量化后最大等效應(yīng)力為200Mpa，位移變形為0.2mm處于安全范圍。輕量化后，齒輪箱的應(yīng)力分布較之前均勻，應(yīng)力集中程度得到降低，齒輪箱材料利用率也得到了提高。

4 結(jié)論

通過對齒輪箱進(jìn)行有限元分析，對錨機的輕量化設(shè)計進(jìn)行研究，從而得到滿足安全使用的齒輪箱結(jié)構(gòu)，并達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。從本文中得到以下結(jié)論：

（1）傳統(tǒng)的齒輪箱材料利用率低，無法準(zhǔn)確表達(dá)各部分應(yīng)力分布情況，導(dǎo)致齒輪箱質(zhì)量大，不符合錨機輕量化要求。

（2）本文對錨機齒輪箱進(jìn)行輕量化分析，對齒輪箱中材料過多冗余的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，通過有限元分析得到輕量化后的齒輪箱的最大應(yīng)力和位移滿足使用要求。

（3）通過對輕量化后的齒輪箱進(jìn)行分析，本文設(shè)計的齒輪箱仍有優(yōu)化空間，該方法對類似問題具有一定借鑒意義。

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