新型船舶機艙設備拆裝工具的設計

孫世芳，顏金龍，倪科鴻，侯舟波

（浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學院，浙江 舟山316021）

引言

船舶機艙是船舶的核心部位，船舶動力系統(tǒng)為船舶航行提供充足的能量，各種輔助設備為船舶正常航行提供各種保障。伴隨著科技的進步，船舶動力裝置輸出的功率逐漸提高，各種配套裝置體積也逐漸增大，設備固定與拆卸技術(shù)要求更高。由于船舶機艙空間狹小，設備布置緊湊，不利于維修設備的操作，所以設備保養(yǎng)和維修工作困難。船舶設備各類螺栓的拆裝是船舶維修過程中的一個重要環(huán)節(jié)，其耗時的長短和效果直接影響船舶維修的進度甚至成敗。現(xiàn)階段我國船舶行業(yè)在船舶維修過程中對大型設備固定螺栓一般采用人工方式予以拆卸和安裝，拆裝過程耗時耗力，造成船舶維修周期較長，影響企業(yè)的經(jīng)濟效益。另外，螺栓安裝工藝要求不易得到保障，造成設備運行存在故障隱患，影響設備的使用周期，降低我國船舶維修國際聲譽。為提高船舶維修業(yè)技術(shù)含量，縮短船舶維修周期，從而提高勞動效率和企業(yè)的經(jīng)濟效率，開發(fā)新型船舶維修設備便具有現(xiàn)實意義。

1 螺栓拆裝設備的原理及結(jié)構(gòu)設計

1.1 螺栓拆裝扭矩的計算

螺栓連接預緊力的直接測量較難，通常選用《機械設計手冊》中相同型號螺栓預緊力參數(shù)作為參考。為實現(xiàn)較精確的預緊力計算，采用力學分析方法予以計算。一般螺栓預緊后螺桿出現(xiàn)一定的彈性形變，長度增加。在螺桿彈性拉力的作用下螺桿與螺母螺紋及螺母與連接體產(chǎn)生壓力，進而產(chǎn)生摩擦力矩。螺栓拆裝扭矩主要是由螺紋件的摩擦力T1（圖1.1.1 所示）和底部摩擦面的摩擦力T2（圖1.1.2所示）組成。一般螺紋連接時螺桿的軸向拉力F 為螺桿材料的（0.5-0.7）倍σs，螺紋連接預緊力矩MT為：

其中：F為軸向拉力，一般為螺紋材料屈服強度的0.5-0.7倍

DW：螺紋的大徑

d0：螺紋的小徑

ψ：螺紋的升角

ρ：螺型的

拆解螺母時的拆解扭矩M為：

其中K為拆卸安全系數(shù)（一般選取5-10）

圖1.1.1 螺紋連接接觸面

圖1.1.2 螺紋連接壓力面

為實現(xiàn)螺母的拆卸，選取內(nèi)六角中空結(jié)構(gòu)為套口結(jié)構(gòu)（圖1.1.3所示），可實現(xiàn)特種螺栓的拆裝。另外為實現(xiàn)普通螺栓的拆卸，增加傳力桿（如圖1.1.4所示），傳遞桿下端可安裝普通套筒，從而實現(xiàn)普通螺栓的拆裝。

圖1.1.3 套口外形輪廓

圖1.1.4 傳力桿結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 扭轉(zhuǎn)力矩傳遞結(jié)構(gòu)

傳遞結(jié)構(gòu)采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，將套口的扭轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)化為垂直方向的蝸輪蝸桿傳遞力矩。蝸輪蝸桿傳動方式具有傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞平穩(wěn)、噪聲小等特點，實現(xiàn)螺母的慢速穩(wěn)定拆解，并實現(xiàn)設備的小型化。在傳動扭矩過程中，蝸輪扭矩可直接由拆裝螺母所需扭矩折算獲得，蝸輪蝸桿傳遞扭矩過程中的受力分析如圖2.2.1所示：

圖1.2.1 蝸輪蝸桿受力分析

T1、T2 蝸輪蝸桿上的轉(zhuǎn)矩；

d1、d2蝸輪蝸桿上的分度圓直徑；

α：壓力角；

γ：蝸桿分度圓上的導程角；

其中，ZE：蝸桿材料的彈性系數(shù)

[σ]H：蝸輪材料的需用接觸應力

由1.2-1式至1.2-4式 可以確定傳遞扭矩與蝸輪蝸桿尺寸及材料之間的關系，設計的蝸輪蝸桿及附屬機構(gòu)如圖1.2-2

圖1.2.2 蝸輪蝸桿扭矩傳遞機構(gòu)示意圖

蝸輪中心安裝有套口，實現(xiàn)固定螺栓的固定。設備外殼設置兩個軸承，用于蝸輪的支撐與定位。外殼外側(cè)設置蝸桿，組成蝸輪蝸桿傳遞機構(gòu)。蝸桿安裝在傳遞軸上，外側(cè)設有距離套、支撐軸承。距離套可以保障軸承與蝸輪距離相對固定，軸承用于支撐傳遞軸。支撐軸承外側(cè)設置防滑墊片并配有鎖緊螺母，實現(xiàn)零件的固定。傳遞軸連接大端通過螺釘與滾筒端蓋連接，實現(xiàn)了整套系統(tǒng)的能量傳輸。

1.3 扭轉(zhuǎn)力矩的傳輸、設定及保護結(jié)構(gòu)

為確保整個動力系統(tǒng)的傳輸，并實現(xiàn)通-斷傳輸過程，選取摩擦離合器結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理如圖1.3.1所示：

圖1.3.1 摩擦式傳遞機構(gòu)工作原理圖

離合器傳遞的扭矩MT為

其中，rmin：摩擦區(qū)最小半徑；

rmax：摩擦區(qū)最大半徑；

q：摩擦區(qū)所承受的軸向的壓力；

f：摩擦區(qū)的摩擦系數(shù)；

由式1.3-1得：

設主動摩擦片為m，從動摩擦片為n，則摩擦面Z

設備傳輸?shù)呐ぞ豈T

為確保設備的正常、可靠的運轉(zhuǎn)，設置參數(shù)K為轉(zhuǎn)矩儲備系數(shù)，則

其中：

由1.3-2至1.3-6式即可求的離合裝置傳遞的扭矩和內(nèi)外摩擦片的尺寸和數(shù)量。

扭轉(zhuǎn)力矩由電動機輸出軸（圖1.3.2 所示）輸入離合裝置中，動力軸上安裝有內(nèi)摩擦片（圖1.3.3 所示），內(nèi)摩擦片與外摩擦片（圖1.3.4所示）在軸向壓力的作用下將電動機輸出軸的扭矩傳遞到離合器滾筒（圖1.3.5所示）。離合器滾筒與傳動軸大端連接，從而將扭矩傳遞到蝸輪蝸桿機構(gòu)。通過調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)壓力盤的軸向位置實現(xiàn)離合裝置軸向推力的調(diào)節(jié)，通過推力軸承8將軸向力傳遞到推力盤，進而傳遞到內(nèi)外摩擦片。當無軸向力時，內(nèi)外摩擦片產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，無扭矩的傳輸。

圖1.3.2 電機輸出軸結(jié)構(gòu)圖

圖1.3.3 內(nèi)摩擦式結(jié)構(gòu)圖

圖1.3.4 外摩擦片結(jié)構(gòu)圖

圖1.3.5 摩擦式離合器滾筒結(jié)構(gòu)圖

圖1.3.6 離合器結(jié)構(gòu)示意圖

Table1.1 離合器部件表

2 設備的結(jié)構(gòu)設計

該設備分為四部分：驅(qū)動裝置、離合裝置、蝸輪蝸桿裝置、設備外殼。驅(qū)動裝置采用雙向電機，實現(xiàn)正反驅(qū)動；電機輸出的扭矩在軸向力的作用下，經(jīng)過摩擦離合器的內(nèi)外摩擦片結(jié)合，將扭轉(zhuǎn)力矩傳遞給滾筒；滾筒端蓋連接傳動軸的大端，傳動軸安裝有蝸桿，蝸桿帶動蝸輪，蝸輪內(nèi)部的套口連接在拆裝的螺母，形成扭矩的傳輸過程。

3 結(jié)論

本文設計了一種螺栓拆卸設備，用于船舶機艙狹小空間內(nèi)機械設備固定螺栓的拆裝。該設備在確定其拆卸扭矩時采用了經(jīng)典力學分析方法進行計算，在實際操作過程中，螺栓在拆卸前用潤滑油進行潤滑，摩擦面的摩擦系數(shù)將會減小，從而導致最大拆卸扭矩降低；當螺紋間出現(xiàn)銹蝕，產(chǎn)生的銹蝕殘渣導致最大拆卸扭矩急劇增加，采用增大安全系數(shù)的方式進行處理，超過拆解裝置最大載荷時，保護裝置發(fā)揮作用。過載保護裝置采用液壓離合的方式，利用調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓實現(xiàn)內(nèi)部壓力的調(diào)整，從而實現(xiàn)不同的傳遞扭矩的傳輸，當過載時內(nèi)外摩擦片出現(xiàn)相對滑動，防止設備出現(xiàn)機械損傷。機艙空間狹小，拆裝操作空間較小，采用電動驅(qū)動減小了設備的體積，避免了氣動或液壓方式附屬設備的配置。該設備小巧靈活，在狹小空間內(nèi)實現(xiàn)設備的拆裝，并可保證螺栓預緊力矩符合技術(shù)要求。