CN105512407B - 锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法，卷筒装置是由卷筒筒体、卷筒轴、右侧法兰、啮合牙块、中间法兰、左侧法兰、轮毂等组成，该设计方法按照如下步骤进行：提取卷筒装置的关键参数，建立三维参数化模型；搭建整机的虚拟样机利用动力学仿真模拟分析锚绞机卷筒装置收放缆绳的过程，并提取所需载荷；对卷筒装置的零部件进行有限元分析；理论分析优化措施和计算公式的可行性并优化模型，确定结构尺寸最佳的锚绞机卷筒装置。该方法改变了以前粗放型的经验设计，采用理论分析和虚拟样机仿真以及有限元分析相结合的方法进行科学的零部件强度计算及优化设计，使锚绞机卷筒装置的性能、重量等技术指标达到国际先进水平。

Description

锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法
技术领域
本发明涉及一种轻量化设计方法，具体来讲是一种锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法。
背景技术
目前船舶工业技术不断向“绿色船舶”发展，船舶重要配套设备之一锚绞机产品在技术上也要向着节约能源、环保方向发展：即降低总体重量节约材料，减少能耗提高传动效率、提高环保指数降低振动和噪音污染。随着航运事业的快速发展，船舶的吨位越来越大，锚绞机承受的载荷也越来越大，目前，我国的锚绞机与国外产品相比，明显存在体积大、重量偏重、整机效率偏低等缺陷，滚筒作为锚绞机的关键零部件，目前主要是依靠经验公式来进行设计，由于缺乏精确强度计算，只能采用较高的安全系数来保证其安全性能，这使得滚筒的尺寸和重量变得越来越大。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的缺陷，提出一种锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法，该方法简单、安全，适用性强。
为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：
一种锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法，卷筒装置是由卷筒筒体、卷筒轴、右侧法兰、啮合牙块、中间法兰、左侧法兰、轮毂等组成，卷筒轴上安装一对轮毂，左侧法兰和右侧法兰分别焊接在这一对轮毂上，在左、右侧法兰间的卷筒轴外侧焊接有卷筒筒体，卷筒筒体的两端开口分别与左侧法兰、右侧法兰固定连接，在卷筒筒体上套接有中间法兰，轮毂在其延伸出左侧法兰或右侧法兰部设有啮合压块，该设计方法按照如下步骤进行：
步骤1参数建模，提取卷筒装置的关键参数，建立三维参数化模型；步骤2动力学仿真，搭建整机的虚拟样机利用动力学仿真模拟分析锚绞机卷筒装置收放缆绳的过程，并提取所需载荷；步骤3有限元分析，对卷筒装置的零部件进行有限元分析；
步骤4理论分析，理论分析优化措施和计算公式的可行性并优化模型，确定结构尺寸最佳的锚绞机卷筒装置。
本发明进一步限定的技术方案为：
进一步的，步骤1中参数建模具体为：以轮毂端面及轴线为基点建立坐标系，计算锚绞机卷筒装置的转动惯量，生成分析模型并结合其他零部件建立动力学仿真用的整机虚拟样机。
进一步的，步骤2中动力学仿真具体为：在动力学仿真软件中搭建缆绳缠绕在锚绞机卷筒装置上，模拟锚绞机卷筒装置收放缆绳工作。
进一步的，步骤3中的有限元分析具体为进行两种工况下的有限元分析：一种是卷筒额定工况，通过对卷筒轮毂内表面施加圆柱约束，并释放其切向自由度，对牙块啮合面施加固定约束，施加的载荷通过取三个关键点的方法，在卷筒筒体工作区的左右两端以及中间出绳位置施加远端力，方向沿筒体切向来完成的；一种是卷筒支持负载工况下各零部件的有限元分析；卷筒支持负载工况下，锚绞机卷筒装置需与刹车一起分析，卷筒轮毂加圆柱约束，轮毂一端以及刹车上运动零件加轴向位移约束，紧边拉杆加固定约束，施加的载荷也通过取三个关键点的方法，在卷筒筒体工作区的左右两端以及中间出绳位置施加远端力，方向沿筒体切向来完成的，螺杆加预紧力，刹车轮毂设置摩擦系数。
进一步的，步骤4中的理论分析具体为：把卷筒额定工况下三个关键点的采集数据和 自动汇总，提取各零部件应力应变最大值与设定的极限值进行对比后，并结合锚绞机卷筒装置的重量值，自动调整参数大小，再次进行循环分析，得到最终的优化模型。
进一步的，步骤2中动力学仿真的技术关键点有两个分别为：一是把缆绳离散成小圆柱体，二是提取载荷并进行数据处理，采用两种方法进行，一是运用动态分析时的数据求平均值的方式；一种是利用静平衡原理，采用将输入端固定，在卷筒拉力作用下系统处于某静平衡状态时的各个力元上的受力，其分析结果只要用于其他零部件的载荷输入。
进一步的，步骤4中的理论分析具体为：设定卷筒筒体直径为Φ1，卷筒筒体长度为L,轮毂内孔直径Φ2，轮毂外圆直径Φ3，牙块内孔半径R1，牙块外圆半径R2,牙块的接触应力与牙块的高度、(R1²-R2²)成反比，而牙块的重量与牙块的高度、(R1²-R2²)成正比；要减轻重量，牙块的接触应力就会变大，但是只要保证在材料的许用范围内即可；所有牙块减轻重量的办法有：牙块高度变小，或者牙块内外圆半径满足(R1²-R2²)变小；考虑到牙块在锚绞机卷筒装置中的位置，其牙块的高度值太小，离合器离合时会发生干涉，所以采用改变牙块内外圆半径满足(R1²-R2²)变小的方法进行牙块的优化设计；通过整个优化过程的分析得出结合：轮毂内孔直径φ2，轮毂外圆直径φ3的数值可以根据关系式φ3=1.3*φ2来设计；卷筒筒体直径φ1和卷筒筒体长度L，可以按照L=2*φ1来设计，牙块的参数尺寸按照(R1²-R2²)值最小来设计。
进一步的，轮毂内孔直径φ2，轮毂外圆直径φ3的数值可以根据关系式φ3=1.3*φ2来设计；卷筒筒体直径φ1和卷筒筒体长度L，可以按照L=2*φ1来设计，牙块的参数尺寸按照(R1²-R2²)值最小来设计。
本发明由于采取以上技术方案，具有如下优点：通过相关研究，改变以前粗放型的经验设计方法，采用理论分析和虚拟样机仿真以及有限元分析相结合的方法进行科学的零部件强度计算及优化设计，研制出了一种新型的轻量化锚绞机卷筒装置，使锚绞机卷筒装置的性能、重量等技术指标达到国际先进水平。经过研究并进行总结梳理把研究过程和经验固化下来，就可形成锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图。
图中：卷筒筒体1，卷同轴2，右侧法兰3，牙块4，中间法兰5，左侧法兰6，轮毂7。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的流程示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
锚绞机卷筒装置如图1所示，由卷筒筒体1、卷筒轴2、右侧法兰3、啮合牙块4、中间法兰5、左侧法兰6和轮毂7等组成，卷筒轴上安装有一对轮毂7，左侧法兰和右侧法兰分别焊接在这一对轮毂上，在左、右侧法兰间的卷筒轴外侧焊接有卷筒筒体，卷筒筒体的两端开口分别与左侧法兰、右侧法兰固定连接，在卷筒筒体上套接有中间法兰，轮毂在其延伸出左侧法兰或右侧法兰部设有啮合压块，该设计方法按照如下步骤进行：
步骤1参数建模，提取卷筒装置的关键参数，建立三维参数化模型；具体为：以轮毂端面及轴线为基点建立坐标系，计算锚绞机卷筒装置的转动惯量，生成分析模型并结合其他零部件建立动力学仿真用的整机虚拟样机。
步骤2动力学仿真，搭建整机的虚拟样机利用动力学仿真模拟分析锚绞机卷筒装置收放缆绳的过程，并提取所需载荷；具体为：在动力学仿真软件中搭建缆绳缠绕在锚绞机卷筒装置上，模拟锚绞机卷筒装置收放缆绳工作。该部的技术关键点有两个分别为：一是把缆绳离散成小圆柱体，二是提取载荷并进行数据处理，采用两种方法进行，一是运用动态分析时的数据求平均值的方式；一种是利用静平衡原理，采用将输入端固定，在卷筒拉力作用下系统处于某静平衡状态时的各个力元上的受力，其分析结果只要用于其他零部件的载荷输入。
步骤3有限元分析，对卷筒装置的零部件进行有限元分析；具体为进行两种工况下的有限元分析：
一种是卷筒额定工况，通过对卷筒轮毂内表面施加圆柱约束，并释放其切向自由度，对牙块啮合面施加固定约束，施加的载荷通过取三个关键点的方法，在卷筒筒体工作区的左右两端以及中间出绳位置施加远端力，方向沿筒体切向来完成的；
一种是卷筒支持负载工况下各零部件的有限元分析；卷筒支持负载工况下，锚绞机卷筒装置需与刹车一起分析，卷筒轮毂加圆柱约束，轮毂一端以及刹车上运动零件加轴向位移约束，紧边拉杆加固定约束，施加的载荷也通过取三个关键点的方法，在卷筒筒体工作区的左右两端以及中间出绳位置施加远端力，方向沿筒体切向来完成的，螺杆加预紧力，刹车轮毂设置摩擦系数。
步骤4理论分析，理论分析优化措施和计算公式的可行性并优化模型，确定结构尺寸最佳的锚绞机卷筒装置。具体为：设定卷筒筒体直径为Φ1，卷筒筒体长度为L,轮毂内孔直径Φ2，轮毂外圆直径Φ3，牙块内孔半径R1，牙块外圆半径R2,牙块的接触应力与牙块的高度、(R1²-R2²)成反比，而牙块的重量与牙块的高度、(R1²-R2²)成正比；所有牙块减轻重量的办法有：牙块高度变小，或者牙块内外圆半径满足(R1²-R2²)变小；考虑到牙块在锚绞机卷筒装置中的位置，其牙块的高度值太小，离合器离合时会发生干涉，所以采用改变牙块内外圆半径满足(R1²-R2²)变小的方法进行牙块的优化设计；通过整个优化过程的分析得出结合：轮毂内孔直径φ2，轮毂外圆直径φ3的数值可以根据关系式φ3=1.3*φ2来设计；卷筒筒体直径φ1和卷筒筒体长度L，可以按照L=2*φ1来设计，牙块的参数尺寸按照(R1²-R2²)值最小来设计。把卷筒额定工况下三个关键点的采集数据和 自动汇总，提取各零部件应力应变最大值与设定的极限值进行对比后，并结合锚绞机卷筒装置的重量值，自动调整参数大小，再次进行循环分析，得到最终的优化模型。
最终得到最优设计参数为：轮毂内孔直径φ2，轮毂外圆直径φ3的数值可以根据关系式φ3=1.3*φ2来设计；卷筒筒体直径φ1和卷筒筒体长度L，可以按照L=2*φ1来设计，牙块的参数尺寸按照(R1²-R2²)值最小来设计。

Claims (6)

1.一种锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法，其特征在于，所述卷筒装置是由卷筒筒体、卷筒轴、右侧法兰、啮合牙块、中间法兰、左侧法兰、轮毂等组成，所述卷筒轴上安装一对轮毂，所述左侧法兰和右侧法兰分别焊接在这一对轮毂上，在左、右侧法兰间的卷筒轴外侧焊接有卷筒筒体，所述卷筒筒体的两端开口分别与左侧法兰、右侧法兰固定连接，在所述卷筒筒体上套接有中间法兰，所述轮毂在其延伸出左侧法兰或右侧法兰部设有啮合压块，该设计方法按照如下步骤进行： 步骤1参数建模，提取卷筒装置的关键参数，建立三维参数化模型；步骤2动力学仿真， 搭建整机的虚拟样机利用动力学仿真模拟分析锚绞机卷筒装置收放缆绳的过程，并提取所 需载荷；步骤3有限元分析，对卷筒装置的零部件进行有限元分析，具体为进行两种工况下的有限元分析：一种是卷筒额定工况，通过对卷筒轮毂内表面施加圆柱约束，并释放其切向自由度，对牙块啮合面施加固定约束，施加的载荷通过取三个关键点的方法，在卷筒筒体工作区的左 右两端以及中间出绳位置施加远端力，方向沿筒体切向来完成的；一种是卷筒支持负载工况下各零部件的有限元分析；卷筒支持负载工况下，锚绞机卷 筒装置需与刹车一起分析，卷筒轮毂加圆柱约束，轮毂一端以及刹车上运动零件加轴向位 移约束，紧边拉杆加固定约束，施加的载荷也通过取三个关键点的方法，在卷筒筒体工作区 的左右两端以及中间出绳位置施加远端力，方向沿筒体切向来完成的，螺杆加预紧力，刹车 轮毂设置摩擦系数；步骤4理论分析，理论分析优化措施和计算公式的可行性并优化模型，确定结构尺寸最 佳的锚绞机卷筒装置。
2.根据权利要求1所述的锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法，其特征在于，步骤1中参数建模具体为：以轮毂端面及轴线为基点建立坐标系，计算锚绞机卷筒装置的转动惯量，生成分析模型并结合其他零部件建立动力学仿真用的整机虚拟样机。
3.根据权利要求1所述的锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法，其特征在于，步骤2中动力学仿真具体为：在动力学仿真软件中搭建缆绳缠绕在锚绞机卷筒装置上，模拟锚绞机卷筒装置收放缆绳工作。
4.根据权利要求1所述的锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法，其特征在于，步骤4中的理论分析具体为：把卷筒额定工况下三个关键点的采集数据和自动汇总，提取各零部件应力应变最大值与设定的极限值进行对比后，并结合锚绞机卷筒装置的重量值，自动调整参数大小，再次进行循环分析，得到最终的优化模型。
5.根据权利要求3所述的锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法，其特征在于，步骤2中动力学仿真的技术关键点有两个分别为：一是把缆绳离散成小圆柱体，二是提取载荷并进行数据处理，采用两种方法进行，一是运用动态分析时的数据求平均值的方式；一种是利用静平衡原理，采用将输入端固定，在卷筒拉力作用下系统处于某静平衡状态时的各个力元上的受力，其分析结果主要用于其他零部件的载荷输入。
6.根据权利要求4所述的锚绞机卷筒装置的轻量化设计方法，其特征在于，步骤4中的理论分析具体为：设定卷筒筒体直径为Φ1，卷筒筒体长度为L,轮毂内孔直径Φ2，轮毂外圆直径Φ3，牙块内孔半径R1，牙块外圆半径R2,牙块的接触应力与牙块的高度、牙块内外圆半径差R1 2-R2 2成反比，而牙块的重量与牙块的高度、牙块内外圆半径差R1 2-R2 2成正比；所以牙块减轻重量的办法有：牙块高度变小，或者牙块内外圆半径满足R1 2-R2 2变小；考虑到牙块在锚绞机卷筒装置中的位置，其牙块的高度值太小，离合器离合时会发生干涉，所以采用改变牙块内外圆半径满足R1 2-R2 2变小的方法进行牙块的优化设计；通过整个优化过程的分析得出结合：轮毂内孔直径 φ2，轮毂外圆直径φ3的数值可以根据关系式φ3=1.3*φ2来设计；卷筒筒体直径φ1和卷筒 筒体长度L，可以按照L=2*φ1来设计，牙块的参数尺寸按照牙块内外圆半径差R1 2-R2 2值最小来设计。
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