新型錨鏈轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

□夏小裕 余海明

一、引言

錨鏈的質(zhì)量好壞直接影響船舶行駛的安全[1～2]。錨鏈轉(zhuǎn)盤是錨鏈制造環(huán)節(jié)中必不可少的專用型設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由十字臂及中心支柱組成，每個(gè)臂上懸掛一根錨鏈。錨鏈轉(zhuǎn)盤在工作過程中每5～10s就會(huì)旋轉(zhuǎn)90°，并完成一次加速、減速及定位循環(huán)。故錨鏈轉(zhuǎn)盤在工作時(shí)不僅要承擔(dān)軸向載荷，還要承擔(dān)極大的交變水平扭矩，而現(xiàn)有結(jié)構(gòu)僅靠一根中心支柱來支撐，存在著結(jié)構(gòu)不合理、可靠性差等缺陷。

圖1 現(xiàn)有錨鏈轉(zhuǎn)盤整體結(jié)構(gòu)圖

本文將提出一種新型錨鏈轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，并根據(jù)錨鏈的生產(chǎn)過程規(guī)格以及制鏈機(jī)組的工況進(jìn)行其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步采用ADAMS進(jìn)行其動(dòng)力學(xué)分析，最后采用ANSYS對(duì)錨鏈轉(zhuǎn)盤的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析與優(yōu)化。

二、錨鏈轉(zhuǎn)盤的整體設(shè)計(jì)

(一)工作原理。十字臂是通過液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)底座錨鏈輪架，每個(gè)十字臂安裝有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，上面有加工環(huán)節(jié)向中心運(yùn)動(dòng)最后都堆放在轉(zhuǎn)盤底座上，這樣可以使掛在轉(zhuǎn)盤外的未成型的鏈環(huán)達(dá)到一定高度使壓檔機(jī)、去毛刺機(jī)、焊接機(jī)及彎環(huán)機(jī)這四臺(tái)機(jī)器進(jìn)行下一個(gè)鏈環(huán)的生產(chǎn)[3～4]。

(二)整體設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)了如圖2的錨鏈轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，其中在豎直方向的重力通過設(shè)計(jì)四根豎直鋼管來分擔(dān)支撐，而且在每兩根相鄰豎直鋼管之間還設(shè)計(jì)使用兩根斜向鋼管支撐，形成了穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)。這樣設(shè)計(jì)有利于增加機(jī)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性，其實(shí)物如圖3所示。

圖2 新型錨鏈轉(zhuǎn)盤三維模型

圖3 新型錨鏈轉(zhuǎn)盤實(shí)物圖

(三)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)。取最大鏈徑d=122mm，錨鏈轉(zhuǎn)盤每2.5min轉(zhuǎn)動(dòng)90°，4個(gè)鏈環(huán)同時(shí)完成一道工序，可以得出10min加工好4個(gè)鏈環(huán)，加工好的錨鏈不是立刻運(yùn)走而是等到生產(chǎn)一班結(jié)束時(shí)運(yùn)走，設(shè)一班時(shí)間為8小時(shí)。每班生產(chǎn)鏈環(huán)192個(gè)鏈環(huán)，故底盤受重力為367,996N。根據(jù)GB/T 9439-2010，決定選用灰鑄鐵HT200。估算底盤所受壓應(yīng)力σ≤200MPa，初步估算所有錨鏈堆在底盤上直徑為4,900mm，取底盤鑄鐵直徑為4,900mm，設(shè)計(jì)厚度為20mm。

圖4 旋轉(zhuǎn)底盤三維模型

在選用鋼管規(guī)格時(shí)，根據(jù)GB/T 8162-2018，確定4根豎直鋼管規(guī)格為：橫截面積為121×10mm，長度為3600mm，8根斜向鋼管規(guī)格為：橫截面積為76×10mm，長度4,000mm。鋼軌材料選用45#鋼，掛在轉(zhuǎn)盤上方的錨鏈約有52個(gè)，已知每個(gè)錨鏈重量為195.6kg則預(yù)估鋼管所受承載力為9,9677N，而所有鋼管組合成8個(gè)支點(diǎn)，所以每個(gè)支點(diǎn)所受平均承載力約為12,460N。根據(jù)受力面積公式求得面積A為3,454mm2，根據(jù)：

(1)

得σmax=3.6MPa，完全滿足使用情況。其次校核8根斜向鋼管，由于斜向鋼管與豎直平面呈24.41°，故把豎直方向的里分解成平行于鋼管和垂直于鋼管的力：

FNmax=Gsin24.41°=5,149N

且受力面積S為4,459mm2，所以：

滿足使用情況。

十字臂是錨鏈轉(zhuǎn)盤中最重要的零部件，錨鏈機(jī)組在加工完一個(gè)錨鏈后是通過十字臂上的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鏈輪傳動(dòng)從而將已加工好的錨鏈源源不斷地從四周的懸掛臂上拖向中心的旋轉(zhuǎn)底盤上。根據(jù)普通有檔鏈環(huán)[3]最大鏈徑Φ122mm得知其寬度為439mm，所以設(shè)計(jì)十字臂每條臂的寬度為1,000mm，兩邊厚度為100mm。護(hù)檔長度至少為兩個(gè)錨鏈環(huán)長度2L=1,464mm，其板厚設(shè)計(jì)為50mm。十字臂每條臂膀中間必須設(shè)計(jì)加一個(gè)橫梁以便斜向鋼管在它上面的焊接。

最后進(jìn)行十字臂動(dòng)力設(shè)備的設(shè)計(jì)，十字臂中間都有24個(gè)軸承座以便安裝滾動(dòng)軸承，軸承座高300mm，中間開有軸承孔，前端安裝軸承，里面設(shè)計(jì)成空心軸形式，比鏈輪軸承檔稍大，不會(huì)妨礙鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最后將軸承安裝進(jìn)去后還會(huì)有軸承外圈壓蓋和孔內(nèi)壁將軸承兩端固定[5]。因?yàn)殄^鏈生產(chǎn)環(huán)境比較惡劣，所以選擇鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，它由驅(qū)動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、密封裝置、潤滑系統(tǒng)等組成。

三、基于ADAMS的錨鏈轉(zhuǎn)盤的動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)構(gòu)想，在ADAMS中建立的運(yùn)動(dòng)函數(shù)式為[6～7]：

STEP(time,60.0d,10.0,90.0d,0.0)

+STEP(time,30.0d,10.0,60.0d,10.0)

+STEP(time,0.0d,0.0,30.0d,10.0)

圖5 motion-1的分析結(jié)果曲線示意圖

在ADAMS的后處理界面中進(jìn)行曲線的繪制，選擇motion_1進(jìn)行曲線的繪制，曲線繪制結(jié)果見圖5。

可以較為清晰地看到轉(zhuǎn)盤在工作時(shí)的受力變化情況，一方面，在開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，錨鏈轉(zhuǎn)盤的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)加速的過程，受到錨鏈的向后的力，在接近勻速運(yùn)動(dòng)后錨鏈轉(zhuǎn)盤上的錨鏈運(yùn)動(dòng)起來了，所受的力曲線如圖上升，勻速時(shí)，錨鏈?zhǔn)艿綉T性力會(huì)繼續(xù)往前，然后勻速時(shí)變?yōu)榱?，在減速時(shí)正好與前面相反。通過觀察曲線圖(圖5)，我們觀察到最大扭矩為300,000Nm。

四、錨鏈轉(zhuǎn)盤的靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(一)利用ANSYS對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析與優(yōu)化。機(jī)架主要有十字臂，八邊形框架，旋轉(zhuǎn)底盤等支撐原件組成，如果變形，會(huì)發(fā)生在這幾個(gè)主要的零部件上，所以本次分析我們主要分析十字臂，和位于機(jī)架下部分的旋轉(zhuǎn)底盤。為了解其內(nèi)部受力情況，用ANSYS進(jìn)行分析[8]。

錨鏈轉(zhuǎn)盤在滿載的情況下，負(fù)重610,000N，均分到4個(gè)豎直支撐桿上，每桿受力152,500N。圓形旋轉(zhuǎn)底盤是位于最下面的承重板，是整個(gè)模型建立的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)厚度20mm，直徑4,900mm，其有限元分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)底盤受力云狀圖

從十字臂單個(gè)伸出臂(圖7)的分析情況來看，末端的變形是最大的，八面形邊框與十字臂的接觸應(yīng)該靠外一點(diǎn)，也就是說，從十字臂的設(shè)計(jì)角度來看。八面形邊框應(yīng)該再大一點(diǎn)，減小十字臂的變形。八邊形框架(圖8)變形最嚴(yán)重的在十字臂放置的地方。

圖7十字臂云狀圖 圖8 八邊形框架云狀圖

(二)整體受力分析。整個(gè)錨鏈轉(zhuǎn)盤機(jī)架在工作時(shí)受到的有兩種類型的力和力矩，一種是重力，另一種是轉(zhuǎn)動(dòng)的水平扭矩。根據(jù)在ADAMS中的分析，所得出的扭矩大小為3×107Nm。

圖9 位移變化分圖

如圖9所示是運(yùn)算結(jié)果位移量在算例中顯示的情況，最大位移是13.6mm。相對(duì)于整體直徑7,000mm的錨鏈轉(zhuǎn)盤來說，變形量微乎其微，完全符合設(shè)計(jì)要求。

通過分析表明，錨鏈轉(zhuǎn)盤的結(jié)構(gòu)有優(yōu)化的空間，其中，錨鏈轉(zhuǎn)盤底部旋轉(zhuǎn)鋼板下面的圓柱凸起可以優(yōu)化成圓錐行的凸臺(tái)，減少變形，保證工作的繼續(xù)進(jìn)行。八變形框架可以選擇更大的八邊形框架，可進(jìn)一步減少錨鏈轉(zhuǎn)盤十字臂外部套筒處變形。

五、結(jié)語

本文以錨鏈轉(zhuǎn)盤為研究對(duì)象，首先分析了現(xiàn)有錨鏈轉(zhuǎn)盤存在的問題；然后進(jìn)行了新型錨鏈轉(zhuǎn)盤的整體方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行了轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)；接著考慮到轉(zhuǎn)盤在工作中承受的沖擊載荷較大，通過ADAMS對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，探究轉(zhuǎn)盤框架受扭矩影響產(chǎn)生的變形；最后對(duì)轉(zhuǎn)盤進(jìn)行靜力學(xué)分析，探討錨鏈轉(zhuǎn)盤的整體的變形情況，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的優(yōu)化。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的錨鏈轉(zhuǎn)盤更加可靠，能有效減少潛在事故，保障工人人身安全。