基于SolidWorks的轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計與強(qiáng)度分析

劉海　張俊峰　曾凡琮　高星星　龐雄斌

摘 要：轉(zhuǎn)向裝置是漁藥噴施機(jī)的關(guān)鍵工作部件，它直接影響噴施機(jī)的噴施效果。本文在目前國內(nèi)研發(fā)出的噴施機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型的轉(zhuǎn)向器。為研究其強(qiáng)度特性，減少工作時的故障，應(yīng)用SolidWorks建立了轉(zhuǎn)向器的三維模型，用Simulation對其進(jìn)行了有限元分析，得到轉(zhuǎn)向器在工作時的變形和應(yīng)力大小，找出了其強(qiáng)度薄弱點。然后，對轉(zhuǎn)向器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，并應(yīng)用Simulation進(jìn)行靜態(tài)分析。結(jié)果表明，改進(jìn)后的轉(zhuǎn)向器的強(qiáng)度和剛度明顯提高，可為其優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向裝置；漁藥；噴施機(jī)；轉(zhuǎn)向器；有限元分析

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.08.008

漁藥的使用是水產(chǎn)養(yǎng)殖中一個必不可少的環(huán)節(jié)[1]。國內(nèi)目前研究出了一種無線遙控漁藥噴施機(jī)，該噴施機(jī)噴灑漁藥時不僅可以減輕勞動強(qiáng)度，還可以保障操作人員的安全，其平均行駛速度為0.8 m·s-1 [2-3]。但是，該機(jī)仍然存在著速度不高、無法剎車、轉(zhuǎn)彎半徑大以及無法倒車等問題。

針對上述問題，筆者設(shè)計出了一種用于漁藥噴施機(jī)的新型轉(zhuǎn)向裝置，并且對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析[4-5]。本研究利用Solidworks軟件中的Simulation對漁藥噴施機(jī)轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度進(jìn)行了分析，以為其優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)[6-7]。

1 材料和方法

1.1 轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計、結(jié)構(gòu)及工作原理

轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計。轉(zhuǎn)向裝置是漁藥噴施機(jī)的關(guān)鍵部件，是直接與噴水推進(jìn)裝置配合使用的部件。噴水推進(jìn)是近20余年來快速發(fā)展成熟起來的一種特殊的推進(jìn)方式，它利用噴水推進(jìn)裝置中推進(jìn)泵噴出的高速水流的反作用力推動水中載體前進(jìn)[8]。噴水推進(jìn)作為一種特殊的船舶推進(jìn)裝置，具有保護(hù)性能好、噪音低、傳動機(jī)構(gòu)簡單、適應(yīng)變工況能力強(qiáng)、船舶操縱性能佳等特點[9]。噴水推進(jìn)裝置只能提供動力，噴施機(jī)的轉(zhuǎn)向及倒車則是通過轉(zhuǎn)向裝置實現(xiàn)的。轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)不僅決定了噴施機(jī)的行進(jìn)速度，而且還影響著漁藥噴施的范圍、路線，進(jìn)而影響漁藥噴施的效果，從而導(dǎo)致水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量的減少，使養(yǎng)殖戶的收入減少。

在船舶操縱系統(tǒng)中，航向和航速控制是船舶控制最基本和最關(guān)鍵的[10-13]， 而噴水推進(jìn)式船舶與普通船舶不同，其在航向和航速的控制上存在著較大難度。比如說因為噴水方向改變，不僅使推力產(chǎn)生的力矩比舵操縱船舶大，而且會給船舶的推進(jìn)力帶來損失。因此，本研究所設(shè)計的轉(zhuǎn)向裝置應(yīng)既能滿足該船的控制要求，又能達(dá)到倒車的目的。

轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)：轉(zhuǎn)向裝置主要由氣缸、活塞桿、前板、舵機(jī)、舵機(jī)臂、連桿、導(dǎo)流管、定軸、尾管、支架組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

轉(zhuǎn)向裝置的工作原理。轉(zhuǎn)向裝置安裝于船體上，氣缸通過螺栓固定在船上，為雙桿雙軸氣缸，其中兩個活塞桿用于平衡，并通過氣缸做往復(fù)直線運(yùn)動。前板與活塞桿相連，隨活塞桿做直線運(yùn)動。舵機(jī)用螺絲固定在前板上，舵機(jī)可以用相配套的控制器控制擺動。舵機(jī)臂與舵機(jī)相連，并可以圍繞軸擺動。兩個連桿一端與兩相配合的導(dǎo)流管相連，另一端與舵機(jī)臂兩端相連，兩個連桿隨舵機(jī)臂運(yùn)動。導(dǎo)流管需要兩個配合使用，兩個導(dǎo)流管上各裝有一連桿，兩相配合的導(dǎo)流管通過定軸固定上下位置，而且可圍繞定軸擺動。定軸與上下兩支架相連。尾管與固定在船上的密封套配合，尾管軸線與兩相配合的導(dǎo)流管的中心線重合，并伸入兩相配合的導(dǎo)流管內(nèi)。支架用螺栓固定在船上，兩支架頂端與定軸固定。兩導(dǎo)流管通過各自的連桿靠舵機(jī)臂的帶動來改變方向。兩導(dǎo)流管靠氣缸推動活塞桿及舵機(jī)的回中固定進(jìn)行開閉，通過這種組合動作使船實現(xiàn)倒車或剎車。

1.2 轉(zhuǎn)向裝置支架有限元模型

轉(zhuǎn)向裝置中的定軸可以看做是懸臂梁，而兩支架由于水流沖擊導(dǎo)流管的原因會產(chǎn)生傾覆力，所以分別對兩構(gòu)件進(jìn)行分析。定義沿支架的基準(zhǔn)軸為Y方向，垂直于支架筋為X方向，平行于尾管方向為Z方向。

轉(zhuǎn)向裝置模型的建立：用SolidWorks軟件分別建立定軸與支架的三維模型，如圖 2和圖3 所示。為了研究兩者的強(qiáng)度特性，計算工作載荷下的變形，將模型進(jìn)行簡化和抽象，忽略一些圓角以及很小實體。

載荷的確定。定軸與導(dǎo)流管相連，根據(jù)在水中的試驗數(shù)據(jù)得知，噴施機(jī)的推進(jìn)力為42 N，噴施機(jī)空載時的平均速度約為1.46 m·s-1。當(dāng)導(dǎo)流管與噴水方向垂直時定軸受力最大。又因水流從噴口到導(dǎo)流管之間有一定距離會產(chǎn)生一定損失，根據(jù)孫存樓等人使用的噴水推進(jìn)器推力的動量計算法[14]，取水力損失系數(shù)εn=0.025。則確定定軸載荷為4.2 N×（1-0.025）=4.095 N。

1.3 靜態(tài)分析

用Simulation對裝配的定軸及支架進(jìn)行靜態(tài)分析，目的是分析在作業(yè)載荷下的變形和應(yīng)力大小，校核定軸及支架的強(qiáng)度，以進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)向裝置的結(jié)構(gòu)。

設(shè)計裝配體材料屬性如表1 所示。根據(jù)試驗情況和計算結(jié)果，模擬以8個螺絲固定住兩個成對使用的支架，在距離定軸底部31 mm處均勻施加載荷4.095 N。

對裝配體進(jìn)行實體網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格大小為4 mm，公差為0.2 mm，節(jié)點總數(shù)為5 316，單元總數(shù)為2 490。用Simulation軟件進(jìn)行靜態(tài)分析，結(jié)果表明，產(chǎn)生的最小應(yīng)力為1 037.2 N ·m-2，最大應(yīng)力為1.739 63 e+007 N·m-2（圖4）。其最大位移為0.053 947 4 mm，最小位移為0 mm（圖5）。最小應(yīng)變?yōu)?.554 93e-009，最大應(yīng)變?yōu)?.628 08e-005（圖6）。

2 結(jié)果與分析

從分析中可以看出，在試驗時，定軸與下支架的配合位置會承受較大的應(yīng)力，發(fā)生變形。從整個裝配的結(jié)構(gòu)看來，定軸的受力情況與懸臂梁的受力情況類似。分析結(jié)果與設(shè)計情況吻合，為了增加定軸的剛度，可以從尺寸上進(jìn)行改進(jìn)，而不需要改變其結(jié)構(gòu)，因為現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)較為簡單，改變結(jié)構(gòu)會增加不必要的成本。從上述分析結(jié)果可知，可以增大定軸的尺寸，從而增加強(qiáng)度和剛度。

3 結(jié) 論

本研究設(shè)計出一種新型轉(zhuǎn)向裝置，為漁藥噴施機(jī)提供了便利，在解決其轉(zhuǎn)向及倒車的基礎(chǔ)上，使其有一定的可靠性。利用 SolidWorks 三維建模和 Simulation 有限元分析對轉(zhuǎn)向裝置的關(guān)鍵受力部件進(jìn)行建模和靜態(tài)、變形、模態(tài)分析，確定了轉(zhuǎn)向定軸在作業(yè)時的應(yīng)力和應(yīng)變分布圖，以及變形位移情況。同時，分析結(jié)果還表明其結(jié)構(gòu)能滿足現(xiàn)有的強(qiáng)度和剛度要求。該研究結(jié)果為轉(zhuǎn)向裝置的下一步優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

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