內嵌式收油機掃油臂回轉支撐受力計算與有限元分析

楊前明　王　偉

（山東科技大學機械電子工程學院，青島266590）

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內嵌式收油機掃油臂回轉支撐受力計算與有限元分析

楊前明王偉

（山東科技大學機械電子工程學院，青島266590）

摘要：針對內嵌式收油機掃油臂回轉支撐機械結構特點，在系統分析其海上作業工況的基礎上，對回轉支撐及其聯接螺栓進行設計與強度校核。運用Soildworks軟件中的Simulation有限元分析插件對回轉軸及連接螺栓組進行仿真與分析，結果表明回轉支撐機械結構設計方案合理，回轉軸及聯接螺栓組設計滿足強度要求。本文提出的回轉支撐聯接結構方案及其強度計算校核方法為本文研究對象后續設計提供理論依據，也為同類技術設計提供借鑒。

關鍵詞：溢油回收回轉支撐傾覆力矩螺栓組強度有限元分析

引言

船載雙內嵌溢油回收機是海上溢油回收的重要裝備之一，由于海面作業受風力與海浪引起的載荷作用，收油機受力情況復雜多變，這給收油機回轉支撐設計提出更高的要求。文獻［1］針對收油機圍油欄布放運動速度控制進行了分析研究，給出了在允許條件下，速度控制與調節的基本方法；文獻［5］對于收油船與圍油欄海上作業組件受負載情況進行了討論分析。本文在這個基礎上，依據強度設計理論對回轉支撐及其聯接方法進行安全性分析與可靠性設計，并應用有限元軟件進行仿真分析驗證。

1 收油機系統受力計算

1.1 結構組成及布放原理

圖1所示是船載雙內嵌溢油回收機組成結構簡圖，主要包括浮筒、掃油臂組件、回轉支架組件、回轉軸、馬達減速機總成、收油船、圍油欄、收油機總成等部分。當掃油臂2伸出并在回轉支架3帶動向外擺出時，安裝在掃油臂前端的機械手抓取浮筒1隨掃油臂旋轉擺出并布放圍油欄7，與此同時收油機總成8上安裝的圍油欄卷筒在液壓馬達驅動下旋轉實現圍油欄展開，其卷筒線速度與掃油臂端部線速度相同［1］，圖1所示為圍油欄全部展開時作業位置。當卷筒驅動馬達反轉，且掃油臂反方向擺動時，圍油欄收回。

圖1 掃油臂圍油欄系統示意圖

1.2 圍油欄組件受力計算

船載式收油機由于其特殊海況作業氣候環境特點，受到海風作用與海浪沖擊，受力狀況較為復雜。為方便受力分析，做三點假設如下：①假定圍油欄及浮筒由海水浮力支撐，其重量忽略不計；②假定圍油欄卷筒端線速度與掃油臂端線速度相同［1］，掃油臂與卷筒兩端引起的圍油欄內張力忽略不計。③掃油臂在抓取過程中浮筒上下波動造成的垂直分力忽略不計。

圖1中S1為船體行進方向、S2為海浪沖擊載荷F1及海風作用載荷F2的作用方向。圖2所示為圍油欄風力海浪沖擊力分布示意圖，圍油欄上部作用風載荷F2，下部作用海浪沖擊載荷F1，有關計算表述如下：

圖2 圍油欄受力分布

式中，ρ為海水密度，取1.025×103kg/m3；qv為海水流動單位體積流量，m3/s；v01為海水實際流入流速，m/s，即船行速度與海水流速的差值；P1為風壓，kg/m2,4級海況條件下取9kg/m2；A為圍油欄水上部分風作用面積，m3。

風力與海浪聯合作用于圍油欄，形成對于掃油臂末端作用力，即圍油欄作用于掃油臂端部（浮筒）的拽力FL:

式中，α、β分別為F3、F5的力作用線的方向與水平方向的夾角。

1.3 回轉支撐受力計算

圖3（a）是回轉支撐結構示意圖，圖中液壓馬達與減速機組件8驅動外嚙合齒輪副9，帶動回轉支架2連同掃油臂4旋轉；圖3（b）是回轉支撐結構放大示意簡圖。由圖可以看出，回轉支架2坐落在回轉軸3下部的凸臺上，兩者之間由銅墊5支撐?；剞D軸通過下部法蘭6上的一圈螺栓組與安裝底座7相連?？芍剞D軸及其下部法蘭上的螺栓組是主要的承力部分。

對于圍油欄與回轉支撐系統綜合分析，可將施加在回轉支撐上的外力歸納為掃油臂系自重引起的傾覆力矩Mq、液壓馬達驅動作用的扭矩Tu與圍油欄作用于掃油臂端部形成的扭矩Th。

對于回轉支撐有力平衡方程：

式中，Mg為回轉支架及掃油臂組件部分重量產生的傾覆力矩，N·m；實際估算取73kN·m；Mr為齒輪副徑向力產生的傾覆力矩，N·m，實際估算取3.26kN·m。

圖3 回轉支撐受力模型

式中，G為回轉支架及掃油臂組件部分自身重力，N；L為重力作用點到回轉軸軸心的距離，m。

式中，T1為輸出轉矩，N·m；V為液壓馬達排量，ml/r；P為液壓回路壓力，MPa；ηm為機械效率；i為減速機減速比；d1為主動齒輪的節圓直徑，對于標準齒輪即為分度圓直徑，mm；H為力作用點到螺栓組結合面的距離，mm。

圖3中回轉支撐在銅墊5支承下勻速回轉，銅墊及下回轉軸凸臺提供軸向約束，將其作為推力軸承來考慮。回轉支撐與銅墊接觸面上產生摩擦、產生的摩擦扭矩Tu施加在回轉軸下部法蘭螺栓組6上，表述如下：

式中，μ（Ts,Δω）為接觸面的動摩擦因數；Ts為接觸面表面溫度，℃；Δω為回轉部分角速度差，rad/s；F（t）為作用在銅墊表面的壓緊力，N。此處等于掃油臂及回轉支撐組件的重力G；Z為摩擦面數，取Z為2；R0為銅墊的外徑，m；R1為銅墊的內徑，m；Tu為螺栓組承受扭矩，N·m。

由于掃油臂及回轉支撐的自重一定、并假定回轉支撐勻速運轉。在工況一定情況下，取動摩擦因數μ=0.15。根據式（3）可知，由銅墊上、下兩個端面傳遞，最終作用在螺栓組上的扭矩Tu是一定值，因此為抵抗這個力矩對螺栓組的轉動效應所施加在螺栓上的預緊力也可以隨之確定。

2 立柱支撐聯接強度計算

2.1 聯接螺栓強度計算

（1）中和軸確定。圖4所示是立柱回轉軸支撐聯接示意圖，回轉軸與安裝底座采用12個對稱分布螺栓聯接。假定下部法蘭剛性足夠大，受載后安裝底座在與下部法蘭結合面處產生一定程度的彎曲變形［3］。由于傾覆力矩較大，假定中和軸位于O-O軸線,中和軸左側法蘭底部受壓、右邊螺栓受拉力。根據力學截面幾何性質，中和軸左右部分對其O-O軸的面積矩相等，即有下式成立：

圖4 回轉軸聯接示意簡圖

式中，As為受拉螺栓截面面積，mm2；Li為螺栓距中和軸距離，mm；n為螺栓數目；δ為受壓區面積，mm2；L為受壓區形心距中和軸距離，mm。

計算確定出的中和軸應位于最左側螺栓1之左，實際計算時近似并偏安全地取中和軸為位于最左側螺栓軸線處的O-O軸。在傾覆力矩Mq的作用下，回轉軸螺栓組以O-O軸為回轉軸線產生一個轉動的趨勢。

（2）預緊力計算。預緊力估算取決于螺栓組承受的傾覆力矩Mq與摩擦扭矩Tu［11］所需的預緊力Fw與F0。

式中，FW為預緊力，N；σs為螺栓材料屈服點，MPa；As為螺紋公稱應力截面積，mm2。

式中，F0為保證結合面不產生滑動的單個螺栓最小軸向作用力，N；Ks為防滑系數，設計中取Ks=1.1～1.3；Tu為螺栓組承受扭矩，N·m；f為結合面的靜摩擦系數，f取0.15；γi為第i個螺栓的軸線到螺栓組對稱中心O的距離，m，這里均為γ；n為螺栓數目。

計算可知，Fw=73790N，遠大于F0=9905N，因此對螺栓組每個螺栓施加值為Fw的預緊力可保證整體聯接的可靠性。

2.2 螺栓最大軸向載荷

螺栓組中承受最大軸向拉力為：

式中，Li為螺栓軸線到中和軸距離，mm。Lmax為距中和軸最遠的螺栓軸線到中和軸的距離，mm；n為螺栓數目；Mq為螺栓組承受的總傾覆力矩，N·m。

2.3 強度校核

第一強度理論認為，最大拉應力是引起材料斷裂的主要因素。本設計中，在傾覆力矩作用下，認為螺栓組無其它干擾、整體受拉，按照第一強度理論條件對螺栓進行校核。最大載荷螺栓強度條件：

式中，σl為當量應力，MPa；σlp為螺栓的許用拉應力，MPa；As為螺栓載荷截面積（危險截面計算面積），mm2；K0為預緊系數，設計中取K0=2.0～4.0；Kc為螺栓的相對剛度系數，設計中取K0=0.2～0.3；實際計算結果，最大受力螺栓承受的當量應力為σl=761MPa，小于許用拉應力σlp=783MPa。

由此可知回轉支撐承受一定動態載荷，其螺栓組強度滿足系統強度、剛度要求，具有一定的裕量，能夠保證所選螺栓數量與截面尺寸滿足強度要求，不發生失效。

3 仿真與分析

為進一步了解回轉軸及其螺栓組強度是否滿足要求，采用Soildworks軟件中的simulation有限元分析插件對兩部分進行仿真分析［4］。

3.1 三維建模

圖2所示為回轉支撐受力模型，傾覆力矩通過回轉支架作用在回轉軸上，因此在Soildworks中將回轉驅動部分組件，包括回轉支架、掃油臂與回轉軸進行建模，導入Simulation插件中進行應力分析［6］。圖5是回轉部分的三維建模。

圖5 回轉部分的三維建模

選用插件中提供的【螺栓接頭】功能，圖6所示為定義的螺栓接頭界面。

圖6 定義螺栓接頭界面

3.2 仿真分析

圖7所示是根據仿真結果獲得的螺栓組應力分布曲線，圖中橫坐標表示螺栓序號，縱坐標代表螺栓所受的軸向拉應力［7］。

（1）由圖7分析可以看出，受力最大的螺栓為距中和軸最遠的螺栓7，其所承受的軸向拉應力約為755MPa，小于螺栓材料許用應力783MPa；

圖7 螺栓組應力分布曲線

（2）螺栓承受的軸向拉應力與其距中和軸的距離有關，螺栓軸線距中和軸越近，所受軸向拉應力就越?。?/p>

（3）螺栓組受力情況仿真結果與前述計算基本符合，說明對于螺栓組分析所采用的參數及條件假設合理，螺栓強度設計滿足要求。

圖8所示為回轉軸應力分析云圖，分析可知:

圖8 回轉軸應力云圖

回轉軸受到最大應力發生在回轉支架與回轉軸相鉸接的軸承處?；剞D軸承受的最大應力在其材料的許用強度范圍內，因此回轉軸不會發生強度不足造成的失效破壞。

4 結論

以掃油臂回轉支撐為研究對象，給出了復雜海況作業條件下聯接設計及其螺栓強度校核方法；建立研究對象的三維模型，運用有限元進行應力模擬分析；理論計算與模擬分析結果表明螺栓軸向拉應力與理論計算值基本吻合，回轉軸支撐設計方法及其聯接滿足強度設計安全要求。

參考文獻

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Mechanical Calculation and Finite Element Analysis of Revolving Support on the Sweep Arm of Embedded Oil-spilled Recovery Equipment

YANG Qianming, WANG Wei
（College of Mechanical and Electronic Engineering ,Shandong U-niversity of Science and Technology, Qingdao 266590,China）

Abstract:The designing of the revolving support and the strength checking for coupling bolts have been completed basing on the mechanical behavior analysis systematically under offshore work condition according to mechanical structure features of revolving support on the Sweep Arm of embedded oil-spilled recovery equipment. Simulation and analysis about the central shaft and bolt group have been finished using Finite Element Analysis（FEA）plug-in in Soildworks software. The results show that the structure design of revolving support was reasonable and the design of strength of the central shaft and bolt group could meet the requirements of technology well. The research methods adopted in this paper on calculation and checking of the bolt connection structure as well as mechanical strength of revolving support would provide a theoretical basis for the future works of object and reference for similar products.

Key words:oil-spilled recovery, revolving support, overturning moment, strength of bolt group, finite element analysis

基金項目：國家科技支撐計劃資助項目（2012BAC14B05）。