锚机链轮强度分析外文翻译资料

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锚机链轮强度分析

石阳阳，王志明，郑健和张宁

南京科技大学机械工程学院，210094，南京

摘要。本文利用RecurDyn和Pro/E建立了起锚机的多体动力学模型，并进行了多体动力学仿真。根据多体动力学仿真结果，利用ANSYS工作台对链轮在危险工况下的结构静力分析。结果表明，在链轮与链条的啮合传动过程中，有三种轴承情况：单齿轴承、两齿轴承和等接触力轴承两齿轴承，但一齿接触力达到最大值。链轮与链条接触位置的等效应力值超过链条轮材料的屈服应力，但不会对链条轮造成损伤。除了接触位置，链轮其余零件的等效应力值均在链轮材料的许用应力范围内，符合强度设计要求。

1导言

起锚机是在锚的工作阶段克服外力，保持船舶稳定的设备。它确保了船舶离开码头和紧急制动时的安全。起锚机的安全可靠运行直接影响船舶的正常运行和运行安全。起锚机的锚是通过链轮和链条的啮合传动过程来实现的。因此，链轮的正常工作对起锚机来说是必不可少的。

对锚机组件的设计和验证是基于目前的经验公式和简单的力学模型[1]，如周忠旺、方连兴[2-3]。他们通过有限元分析，对链轮轴和底座的载荷进行了计算，与起锚机工作时的实际载荷不同。本文研究了链轮与多体轮的设计，并利用RecurDyn建立了多体动力学模型，并进行了多体动力学模拟。分析了链轮在运行过程中的机械特性，确定了链轮的危险工况。利用ANSYS工作台对链轮的强度进行了分析。

2链轮简介

由于链轮的形状如此复杂，一般是通过铸造制造[4]，链条也是毛坯件，它们都有很大的制造误差。因此，在链轮与链条的啮合传动过程中，链轮套中存在滑移现象。造成链轮齿面磨损。链轮与链条的啮合传动属于圆环链啮合传动。在啮合传动过程中，链轮与链条之间经常发生冲击[5]。所以要求链轮具有足够的强度。

本文设计的液压起锚机锚杆直径为78mm。链轮是A型的五个齿轮。其材料为GS-52，屈服强度为260MPa。它的齿形结构如图1所示。根据中华人民共和国造船工业CB/T3179-1996lt;链轮gt;标准[6]，主要结构参数为：螺距圆直径为1062mm，即当链轮轮与链条啮合时，由链条中心线形成的正多边形的外圆直径，可作为计算直径时链轮传递扭矩。速度计算直径为993mm，作为锚杆处理时确定锚杆移动线速度的计算直径。

图1.五齿轮链轮的齿形结构。

3多体动力学模型的建立与结果分析

由于链轮的形状如此复杂，一般是通过铸造制造[4]，链条也是毛坯件，它们都有很大的制造误差。因此，在链轮与链条的啮合传动过程中，链轮套中存在滑移现象。造成链轮齿面磨损。链轮与链条的啮合传动属于圆环链啮合传动。在啮合传动过程中，链轮与链条之间经常发生冲击[5]。所以要求链轮具有足够的强度。

3.1. 多体动力学模型构建

3.1.1起锚机实体模型的导入和处理

在Pro/E[7]中组装的起锚机、链条和链塞是无干扰的，并保存为Parasolid文件，然后将其导入到RecurDyn。设置单位为“MMKS”，调整重力方向为在Z轴正方向上，其余参数保持默认设置。使用Merge函数合并起锚机的每个部分，合并后起锚机的装配模型如图2所示。组件名称见表1。

表1.部件名称

图2。起锚机的装配模型

3.1.2起锚机模型的制约因素

根据起锚机各部件的工作原理，增加了起锚机各部件的约束条件，如表2所示。

表2 各组成部分的制约因素

3.1.3起锚机模型曝光建模

起锚机的各种部件之间的接触使用RecurDyn中的扩展表面，例如链条与链条塞子、链条与链条、链条轮与链条之间的接触。

3.1.4 起锚机型号驱动负载

锚杆在工作阶段的速度必须大于或等于0.15m/s。变速箱小齿轮的速度为24rad/s。为了减少速度突然变化的影响，采用STEP函数[8-9]施加载荷。齿轮箱小齿轮的角速度-时间曲线如图3所示。

图3。齿轮箱小齿轮角速度时间曲线图。

3.1.5虚拟样机试验

虚拟样机创建后需要测试。起锚机虚拟原型模型的预分析结果如图4所示。可以得出，本文建立的起锚机模型包含67个部分，111个表面接触（扩展表面接触），304个运动学自由度和没有冗余约束。 模型验证是正确的。

图4。预分析结果。

3.2.动力学模拟结果分析

在锚的工作阶段，链轮与链条之间的接触力图的组成如图5所示。

图5。接触力的组成

图5的结果分析如下：

1.链轮与链条啮合传动过程中，链条数量不超过两条；

2.相邻曲线的交点表示两个齿承载相等的接触力；

3.随着链轮的转动，链轮轮齿接触力的增大和锚链的连接发生滑移，链轮与链条发生碰撞，接触力发生突变并达到最大值，即各种链轮与链齿接触力达到图中最大值时的时间。在这种情况下，两个齿轴承，但一个齿接触力达到最大值。

4链轮强度分析

根据链轮与链条接触力图的结果，链轮与链条啮合传动过程中有三种轴承情况：单齿轴承、双齿轴承和两个齿轴承承载相等的接触力，但一个齿接触力达到最大值。从链轮强度的角度来看，第三种情况是危险的。齿载荷值如下：FX1=880.92N，FY1=108268.8N，FZ1=331395.91N，FX2=466.63N，FY2=8110.92N，FZ2=6391.01N。

链轮和链轮齿轮由五个螺栓和五个圆柱销连接。螺栓和圆柱销的有效面积分别为1152平方毫米和1440平方毫米。锚杆工作阶段链轮的扭矩为T =F*D/2=290KN*1062mm/2=153990Nm。结果表明，气缸销孔和螺栓孔的压力值分别为12.98Mpa和16.23Mpa。

在ANSYS Workbench软件中，链轮的材料特性定义如下：弹性模量为202Gpa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m^3。将链轮啮合，在螺栓和圆柱销上增加压力载荷，然后增加齿载荷，定义边界条件并进行静态分析。链轮网格模型如图6所示。链轮有限元分析模型如图7所示。

图6。链轮啮合模型。

图7。链轮的有限元分析模型

根据链轮静态结构分析结果，链轮在危险条件下的等效应力图如图8所示。

图8.链轮在危险条件下的等效应力图。

链轮的强度分析如下：链轮与链条的接触在理论上属于点接触，因此，在链轮接触位置的应力值很大，最大等效应力达到1567.6Mpa。当应力超过链轮材料的屈服极限时，当应力超过链轮材料的屈服极限时，在链轮与链条的接触位置发生塑性变形。当发生塑性变形时，链轮与链条的接触面积增大，应力值急剧下降。因此，链轮在实际工作过程中不会受到破坏。除链轮轮和链条的接触位置外，链轮其余部件的等效应力值不超过111.97Mpa，小于链轮材料的许用应力的0.9倍，即234Mpa，满足链轮的强度要求。

5结论

利用RecurDyn分析了链轮与链条啮合传动过程中的机械特性。结果表明：链轮与链条啮合传动过程中存在三种轴承情况单齿轴承、双齿轴承和两个齿轴承承载相等的接触力，但一个齿接触力达到最大值。从链轮强度的角度来看，第三种情况是危险的。

从静态分析的结果可以看出，链轮与链条接触位置的等效应力值超过链条轮材料的屈服应力，但不会对链轮造成损伤。除了这个位置外，链轮其余部分的等效应力值均在链轮材料的许用应力范围内，符合强度设计要求。

通过强度分析得到链轮的等效应力云图及相关结论，为锚机的结构优化设计和轻量化设计提供参考。

参考

1. F.C.Hu，武汉科技大学，1，8-10（2007）
2. Z.W.Zhou，R.S.Wang，制造业自动化，33，151-153（2011）
3. Z.X.Fang，L.D.Zhang，广东造船， 1,40-42（2008）
4. D.L.Liu，江苏航运，19，37-38（2002）
5. F.L.Chen，上海交通大学学报，3，133-150（1979）
6. 中国标准化管理局，链轮，3179,4-6（1996）
7. Y.Lu，X.G.Ma，Q.L.Shu，沈阳理工大学学报，27，76-79（2008）
8. .X.G.Ma，W.Yang，X.M.You，中国工程机械学报，7，146-152（ 2009）
9. X.G.Ma，Y.Lux.M.You，中国机械工程，20，1956-1959（2009）

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