7#锚链转盘设计.docx
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7#锚链转盘设计
7#锚链转盘的设计
TheDesignofthe7#anchorchainturntable
摘要
船用锚链转盘是服务于船舶辅机中船用锚链制造和生产的关键性设备,它在锚链生产过程具有重要作用,承接了锚链生产的四个重要过程,促进了我国船舶事业的发展,因此研究锚链转盘的设计具有重要的实际意义。
本文将以生产链径为Φ70~Φ122的M1、M2级船用锚链为应用背景,从总体方案设计、机械结构设计等方面论述了船用锚链转盘的设计与实现。
首先介绍了当今锚链生产的国内外现状,提出了本设计的实际生产意义;其次对锚链转盘进行方案设计,确定动力方案,选定液压马达和电动机;然后对转盘其他各零件进行总体结构设计;再利用solidworks三维软件对其进行三维建模并加以虚拟装配。
由于该转盘受到较大的冲击载荷,因此除结构设计外,还利用ANSYS模块对转盘的机架和机身进行有限元分析,并且进行强度校核,使转盘的设计得到了进一步优化。
本设计突破传统设计,借助solidworks三维软件进行计算机辅助设计和运用ANSYS模块有限元分析,对转盘结构进行优化设计,使其更好得运用到锚链生产流水线中。
关键词:
锚链转盘;锚链;机械设计;强度校核
Abstract
Anchorchainturntableofthemooringchainisservesinthemarineauxiliariestheshipwiththeanchorchainmanufactureandtheproductionkeyequipment,withenhancesanchorchain'slongitudinalstrength,expandedanchorchain'sapplicationscope,promotedourcountryshipsenterprise'sdevelopment.
Thisarticlewilltakeproducingthechaindiameterasφ70~φ122M1,theM2levelshipwiththeanchorchainastheapplicationbackground,fromaspectsandsoonsystemdesign,mechanismdesignelaboratedtheshiptopress-filesmachinedesignoftheanchorchaintorealize.Firsttotheanchorchainpress-filesmachinetocarryontheconceptivedesign,todefinitetheplan,topressesfilesmachinevariouscomponentstocarryonthegrossstructuredesign.ThencarriesonthethreedimensionalmodelingusetheSolidworksmodelingmoduletoitandperformsthehypothesizedassembly.Becausethepress-filesmachinereceivetheconstantimpactload,thereforebesidesstructuraldesign,butmustmoduletopress-filesmachinefuselageusingANSYStocarryonthefiniteelementanalysis,carriesonthefatiguestrengthexaminationtoit,causedtopressthefilesmachinedesigntoobtaintheoptimization.Thisdesignbreakthroughtraditiondesign,withtheaidofthecomputer-aideddesignandtheANSYSfiniteelementanalysis,topressesthefilesmachinestructuretocarryontheoptimizationdesign,madeittobebetterutilizesintheanchorchainprocessline.
Keyword:
Anchorchainturntable;Anchorchain;Machinedesign;Intensityexamination
第一章绪论------------------------------------------------------1
1.1研究背景--------------------------------------------------------1
1.2国内发展现状----------------------------------------------------2
1.3国外发展现状----------------------------------------------------3
1.4本文的主要工作内容----------------------------------------------4
第二章7#锚链转盘的设计-------------------------------5
2.1锚链转盘整体结构方案的确定--------------------------------------5
2.2锚链转盘运动方案的确定------------------------------------------7
2.2.1旋转动力方案介绍说明--------------------------------------7
2.2.2设计方案选定----------------------------------------------7
2.2.3计算确定主要参数------------------------------------------8
2.3十字臂电动机运动方案的确定--------------------------------------9
2.3.1设计方案介绍说明------------------------------------------9
2.3.2设计方案选定---------------------------------------------10
2.3.3计算确定主要参数-----------------------------------------11
2.4本章小结-------------------------------------------------------11
第三章7#锚链转盘其它零件的设计---------------------------13
3.1底面钢板-------------------------------------------------------13
3.2支撑无缝钢管--------------------------------------------------14
3.3滚动轮子轴承---------------------------------------------------15
3.4十字臂钢板-----------------------------------------------------16
3.5本章小结-------------------------------------------------------17
第四章7#锚链转盘三维模型的建立----------------------------17
4.1船用锚链转盘的组成---------------------------------------------17
4.2Solidworks软件简介及制图规范-----------------------------------17
4.2.1Solidworks软件简介---------------------------------------17
4.2.2Solidworks产品特色---------------------------------------18
4.3利用Solidworks绘制零件图---------------------------------------19
4.3.1Solidworks实体建模模块简介-------------------------------19
4.3.2利用Soliorks绘制7#锚链转盘各零件------------------------20
4.4利用Solidworks绘制装配图--------------------------------------28
4.4.1Solidworks装配模块简介----------------------------------28
4.4.27#锚链转盘虚拟装配---------------------------------------28
4.5本章小结------------------------------------------------------28
第五章7#锚链转盘身的疲劳强度校核-------------------------29
5.1利用对机身进行受力变形分析-------------------------------------29
5.1.1模块简介-------------------------------------------------29
5.1.2利用ANSYS模块对机身进行静载荷分析-----------------------30
5.2利用ANSYS模块对机身进行动载荷分析-----------------------------33
5.37#锚链转盘身的疲劳强度校核-------------------------------------33
5.4本章小结-------------------------------------------------------35
第六章结论与展望---------------------------------------------36
致谢--------------------------------------------------------------37
参考文献---------------------------------------------------------38
第一章绪论
1.1研究背景
船舶工业是现代大工业的缩影,是关系到国防安全及国民经济发展的战略性产业。
不但为水运交通、能源运输和海洋开发提供装备,而且又是海军舰船装备的主要提供者,也是国民经济和国防建设的战略性产业之一。
就现在来看,船舶工业也将要成为我国的一个支柱产业。
经过改革开放后二十多年的快速发展,船舶工业已成为我国为数不多的几个具备了较强国际竞争能力的外向型产业之一,成为世界船舶工业的一支重要力量。
在全球范围内船舶工业基地主要有三大块:
欧洲,日韩和中国。
近几年欧洲和日本的船舶工业发展趋于稳定,而韩国和我国的发展呈上升趋势。
到2015年,我国的船舶工业的发展形势将超过韩国,届时将会赶超韩国船舶工业的发展水平。
锚是用来抛锚固定和辅助调头靠泊的,是确保船舶安全的一种不可缺少的设备。
锚链在船上用来连接锚和船,因此提高锚链的质量能够降低安全隐患,提高船舶航行的安全性。
对于现代锚链转盘来说,主要存在问题有以下几个,首先,整个转盘装置的设计都是凭经验,有可能存在某些部位强度不够从而导致安全隐患或者强度富余过剩而造成了原材料的浪费;其次,随着生产的不断进行,锚链转盘转动90°过程中负载变化较大,如何在工作负载变化较大的情况下,保证转盘在较高的旋转速度的同时拥有较高的定位精度,从而提高生产效率,还有待于更进一步的研究。
锚链的制造工序大致如下:
下料→弯环→闪光对焊→去刺→压横档→手焊横档→热处理→滚抛→拉力试验→终检→油漆入库。
根据锚链的生产工艺,锚链制链机组是由:
自动提升上料机、加热机、自动送料机、自动编链机、闪光对焊机、去毛刺机、压档机和旋转转盘组成,可同时完成四条长链在不同工位上的制作。
其中旋转转盘是锚链生产中不可或缺的设备,它连接承载了锚链生产的四个关键过程。
如图1-1所示:
1.2
国内的发展现状
图1-1船用锚链加工现场
相对于国际先进水平而言,国内锚链生产行业明显还存在较大的差距,国际先进生产中自动化程度很高,在整个锚链的生产过程中只需在总控制室安排专业控制人员,加工车间的生产一线上都实行机械手控制操作,提高了锚链生产效率和质量,降低工人劳动强度。
而国内受到其他相关技术并不成熟的限制,生产加工中很多步骤基本上还是得靠工人手工操作,这降低了锚链生产的效率和质量,同时也增加了工人的劳动强度和危险性。
当然,我国船舶行业这些年进步显著,作为造船行业一个分支的锚链生产也一样有了显著的提高,只是与国际水平还有较大差距。
机械制造业日益受到国家的重视,机械行业在国家工业中所占的比重以及对就业的贡献都占据了重要地位,装备制造业为新技术、新产品的开发和生产提供了重要的物质基础,是现代化经济不可或缺的战略性产业。
即使是迈进“信息化社会”的工业化国家也都高度重视机械制造业的发展。
为了适应现代科学技术的迅速发展,机械设计在近30年来发生了相当大的变化。
设计方法更趋于科学、完善,计算精度更高,计算速度更快。
主要有以下方面:
1)基础理论不断深化和扩展。
例如摩擦学研究摩擦表面间的物理和化学性质,进一步探索薄层摩擦副的机理和计算问题;弹性流体动力润滑研究计算重载点、线接触的最小油膜厚度、摩擦力和摩擦温度等问题,以提高齿轮传动、滚动轴承等的寿命和可靠性等。
疲劳断裂从无限寿命设计发展到有限寿命设计;从常规疲劳强度设计发展到用特环弹塑性解的局部应力-应变法估算裂纹形成寿命,用裂纹扩展原理估算裂纹扩展寿命;并进一步发展微裂纹、短裂纹、长裂纹用微观-宏观结合的寿命估算理论等。
2)传统的机械设计偏重于零件、部件的静态设计,现正向以局部或整个机械系统为对象的动态设计方法扩展。
研究机械系统的动力学问题对发展高速机械具有重要意义。
3)为使产品设计更科学、更完善、更有市场竞争能力,新的设计方法不断出现,如优化设计、可靠性设计、系统设计、模块化设计、价值工程、造型设计、疲劳强度设计、蠕变设计、摩擦学设计、计算机辅助设计等。
4)由于电子计算机具有运转速度快、计算精度高、有记忆和逻辑判断功能等特点,在机械设计的各个领域中,正在得到越来越广的应用。
1.3国外的发展现状
随着信息技术产业的发展,机械制造业全球化生产的方式也发生了根本性的变化,这些变化主要发生在跨国公司,并将成为新型全球化生产方式发展下去。
这种变化的主要特征是,广泛利用别国的生产设施和技术力量,在自己可以不拥有生产设施和制造技术所有权的情况下,制造出成品,并进行全球销售。
机械制造企业在全球范围建立零部件的加工网络,自己负责产品的组装和营销。
原材料调配、零部件采购全球化已成为世界机械制造工业的发展趋势。
大型机械制造企业间的战略并购导致机械工业资源的重新配置,使得世界机械工业的竞争格局出现了协作型的局面
1.4本文的主要工作内容
本文将从机械结构上论述船用锚链旋转转盘的总体设计,使其能够对
链径,温度>730°的锚链进行加工,对锚链旋转转盘进行详细计算,其中包括旋转液压马达的确定;利用solidworks建立旋转转盘各零件的三维模型,且对其进行虚拟装配;利用ANSYS模块对转盘的机身进行强度校核,使其符合工作要求。
第二章7#锚链转盘的设计
2.1锚链转盘整体结构方案的确定
锚链转盘是锚链制链机组中不可或缺的设备,锚链在730°温度下在弯环机、压档机、去刺机、对焊机四个机组中同时工作,锚链转盘通过十字臂旋转承载着四个工作。
而十字臂固定在锚链转盘机架上通过机架最下面的液压马达动力旋转带动,其中每个十字臂上面又有电动机为动力拖动已加工好的锚链链环向中心靠拢以便弯环机、压档机、去刺机、对焊机四个工作机组加工相应的下一个链环的工作。
方案一:
老式锚链转盘整体框架主要由十字臂、中心支撑住、底面支撑板等组成,其实例图如图2-1所示。
图2-1老式锚链转盘整体框架图
这个整体框架方案比较落后,有不少缺点:
首先,整个框架周围没有保护栏设置,工人在操作过程中存在危险性系数较大;其次,该锚链整体框架中,只有一个中心支撑柱承受竖直重力,而锚链转盘在旋转过程十字臂上方承受很大的锚链重力,转动起来存在很大的水平扭力,因此,这个转盘可能会产生倾斜以至发生生产事故。
方案二:
该框架中竖直重力设计了四个竖直支撑钢管来分散承受,同时在每相邻两个竖直支撑钢管之间使用两根斜向钢管支撑,这样竖直和斜向刚刚再加上钢管上方的横梁钢板构成三角形设置,众所周知,三角形稳定性最高,而且斜向和竖直钢管通过横梁钢板构成一个局部整体,可以承载转盘在转动过程所产生的巨大水平扭力,这样有效地增加了机构的稳定性和安全性。
同时8根斜向钢管和4根竖直钢管有效地封闭,形成围栏,具有保护作用。
其整体框架实例图如图2-2所示:
图2-2:
新式锚链转盘整体示图
该锚链转盘主要由液压马达、旋转齿轮、底面钢板、竖直支撑的无缝钢管、斜向支撑的无缝钢管、钢管与地板连接的座套、十字臂、十字臂下面为减少锚链晃动的保护套筒、十字臂与竖直支撑钢管之间承接的八边形钢板、十字臂上带动锚链转动的滚轮、带动滚轮的电动机、齿轮、链条、螺钉、轴承、限位开关装置、PLC控制装置等。
其中锚链转盘整体机架主要部分在地面钢板的上面,但是地面钢板下面的液压马达带动上面的整个机架旋转。
2.2锚链转盘运动方案的确定
锚链生产直径范围:
取最大值计算:
锚链转盘每班工作时间:
当生产锚链为
时每班生产300环。
每班所生产的锚链最大重力:
最大扭矩:
2.2.1旋转动力方案介绍说明
(1)方案一
使用电动机作为动力,经过计算确定转盘水平转矩约为286650N.m,而即使通过一级齿轮传动,电动机最大额定转矩均难以达到这个的要求。
故此方案不行。
(2)方案二
使用液压缸作为动力,液压缸结构简单、工作可靠。
用它来实现往复运动时,可免去减速装置,并且没有传动间隙,运动平稳。
但是旋转动力要求间歇性启动和停止。
(3)方案三
使用液压马达作为动力,液压马达把压力能转换成机械能,压力油推动液压马达内的叶片旋转,从而带动与液压马达轴相连的机械做功。
可以利用很小的扭力,类似千斤顶一样,一个人就可以利用很小的力支撑起几千甚至上万吨都没问题,只要设计的比例足够这样,就方便了带动高载荷,低转速的设备。
2.2.2设计方案选定
设计依据:
(1)设备的用途工件条件。
(2)液压马达工作机构的结构特点、负载情况、速度要求。
(3)液压马达系统所选定的工作压力。
(4)材料、配件和加工工艺的现状。
(5)有关国家标准和技术规范等。
注意事项:
(1)在保证设计要求的前提下,尽量使结构简单、紧凑、尺寸小,采用标准形式和标准件,使设计、制造容易,装配、调整、维护方便。
(2)应尽量使马达在工作状态下承受最大负载,在载荷变动的工作环境中具有良好的稳定性。
(3)在确定与转盘水泥底板底座的固定时,必须考虑马达工作旋转中的因为载荷不稳定的跳动问题,为此,马达在固定后要考虑设置减少跳动而安装缓冲装置。
(4)使用时间过长后,为考虑液压马达方便维修,转盘底座下面水泥地板应该做好足够的空间为方便维修人员进入底部维修。
(5)液压马达结构设计完后,应对液压缸的强度、稳定性进行验算。
有关验算校核的方法详见材料力学的有关公式。
综上所述,方案三最为合理,即能够实现锚链转盘整体机架的平稳运转。
且结构简单,制造成本低,安装简单,且工作稳定,噪音较小,增加了液压马达的整体使用寿命和整个锚链转盘的工作平稳性,提高了锚链生产的工作效率。
2.2.3主要参数确定
锚链生产直径范围:
取最大值计算:
锚链转盘每班工作时间:
当生产锚链为
时每班生产300环。
每班所生产的锚链最大重力:
最大扭矩:
齿轮传动取传动比:
故所需液压马达转矩约为:
查阅机械设计手册:
选用型号为NJM-F12.5的柱塞马达
主要参数:
排量:
额定压力:
最大压力:
最高转速:
最大转矩:
2.3十字臂电动机运动方案的确定
2.3.1设计方案介绍说明
(1)方案一
电动机和十字臂滚动轮子之间通过皮带轮传动:
皮带轮传动特点:
①结构简单,适用于两轴中心距较大的传动场合;②传动平稳无噪声,能缓冲、吸振;③过载时带将会在带轮上打滑,可防止薄弱零部件损坏,起到安全保护作用;④不能保证精确的传动比,带轮材料一般是铸铁等。
(2)方案二
电动机和十字臂滚动轮子之间通过齿轮链条传动:
齿轮链条传动特点:
①它可以在两轴中心相距较远的情况下传递运动和动力;②能在低速、重载和高温条件下及灰土飞扬的不良环境中工作;③和带传动比较,它能保证准确的平均传动比,传递功率较大,且作用在轴和轴承上的力较小;④传递效率较高,一般可达0.95~0.97;⑤链条的铰链磨损后,使得节距变大造成脱落现象;⑥安装和维修要求较高,链轮材料一般是结构钢等。
2.3.2设计方案选定
综合上述两个方案比较,锚链在730°温度下在弯环机、压档机、去刺机、对焊机四个机组中同时工作,锚链转盘通过十字臂旋转承载着四个工作。
由此看来,锚链生产是在低速、重载、粉尘较多和高温的不良工作环境之中进行的,皮带轮传动很明显不适合在这个不良环境下使用,因此此处电动机和十字臂滚动轮子之间链条传动。
2.3.3十字臂电动机参数确定
取最大直径,
,十字臂电动机与加工台之间最大约为6个链环,而电动机竖直下方至少有两个以上的链环的重力可以提供作为动力,这样在前面的6个环中实际上需要电动机提供动力拖动的最大为4个。
每个链环质量:
4个链环重力:
取链条在滚动轮子上传动速度:
所以所需功率:
故电动机所需额定功率约为:
查阅机械设计手册:
选用Y132M-8型号电动机
主要参数:
额定功率:
满载转速:
2.4本章小结
在本章里面主要工作首先是确定了整个锚链转盘的整体框架结构方式,摒弃以前老式的中间单独靠一根支撑杆支撑的方式,转而采用全新分散的支撑方式,采用四根竖直钢管和八根斜向钢管一起共同构成局部支架来支撑上面的十字臂及其锚链链环;其次在整个锚链转盘中包含两个动力装置,一是整个锚链转盘最下面的液压马达带动整个转盘机架转到,二是每个十字臂上面的滚动轮子依靠一个小型电动机带动转动,以便锚链生产下一个环节的继续,本章
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- 锚链 转盘 设计