錨機齒輪箱結構改進及輕量化設計

張昊 黃一峰 劉全良

摘 要：為了降低漁船錨泊設備齒輪箱的重量，節約成本，避免資源浪費，需要對其結構進行輕量化設計研究。本文將響應面輕量化化方法引入到漁船錨泊設備齒輪箱設計中，對齒輪箱進行有限元分析，通過實驗設計建立響應面模型，確定最終優化方案，完成齒輪箱輕量化設計，輕量化后的齒輪箱質量減輕了10.24%，最大等效應力和位移也滿足安全范圍，實驗驗證該方法對齒輪箱的輕量化設計是有效的。通過本文的輕量化設計，將響應面應用于錨機齒輪箱中，實現了減重的目的，該方法對相似結構問題的解決提供了一定的參考價值。

關鍵詞：錨機;齒輪箱;輕量化;響應面

中圖分類號：U664.4? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）11-0094-04

錨機作為漁船甲板機械重要組成部分，對漁船有著十分重要的作用[1]。近年來輕量化設計技術得到快速發展，漁船作為主要的捕撈設備，對其進行輕量化能夠提高經濟性，降低資源消耗[2]。

齒輪箱作為錨機中主要的支撐部件，對其進行輕量化設計，能夠有效降低錨機質量。目前國內學者對錨機做出大量輕量化研究，李曦[3]通過對齒輪箱的厚度進行優化，使得齒輪箱總體質量降低21.4%，南京理工大學的史陰陽[4]對錨機的基座進行多目標優化，優化后的基座質量減輕了10.47%，張建[5]通過對比三種齒輪箱設計方案并進行選擇，達到質量減輕的目的，謝健[6]對甲板機械的輕量化設計理念進行介紹，對錨機輕量化技術的應用提供了參考。代理模型近年來發展迅速，被應用于汽車、飛機和船舶等復雜結構[7]。響應面模型作為代理模型的一種，具有模型簡單、收斂速度快等優點，受到科研人員的重視[8]，國內外學者基于代理模型的輕量化技術也做出了大量研究，但基于響應面模型的錨機輕量化技術較空缺[9-10]。本文根據錨機齒輪箱的作用和受力特點，采用響應面模型對齒輪箱其輕量化分析設計。

1研究流程

1.1研究對象介紹

本文研究的錨機為兩級有檔錨鏈，起錨負載為38.3kN、過載拉力為57.4kN、支持負載為175kN、起錨速度≥9m/min，結構組成如圖1 所示。本文主要對其齒輪箱進行輕量化設計。

1.2輕量化流程

通過建立齒輪箱結構模型，根據結構和工況特點，確定設計變量和約束條件，并進行實驗設計構建響應面，輕量化流程如圖2所示。在進行求解時，可能出現結果不收斂現象導致求解失敗，因此需要對數據進行重新調整，以求得計算結果。當求得結果后，仍需要對結果進行驗證，從而確定輕量化后的實驗數據能夠滿足安全使用要求。

2 錨機齒輪箱有限元分析

2.1有限元模型

齒輪箱采用Q235鋼材材料，屈服強度為235Mpa，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，質量密度為7850kg/m3。齒輪箱有限元網格模型如圖3所示。采用三面體和四面體單元對模型進行網格劃分，節點數為267164，單元數為93530個。

2.2有限元計算

當錨機在工作時，其支持負載要大于起錨負載，因此選取支持負載情況下的載荷對錨機進行有限元分析，同時要考慮液壓馬達的扭矩、支撐錨鏈輪、主軸結構等重力作用，利用有限元軟件ANSYS完成齒輪箱的有限元分析。

從圖4可以看出，齒輪箱的受力主要為出鏈方向的下側，最大等效應力為82Mpa，但大部分的區域受力比較小，基本在36Mpa以下，支持負載下齒輪箱的強度要小于屈服值，從圖5可以看出最大變形區域在軸承座附近，最大變形位移為1.6e-4m，符合安全范圍。

3 齒輪箱輕量化

3.1 kriging響應面理論

Kriging代理模型主要將待求的函數看成一種隨機過程，主要由回歸模型和靜態隨機過程所構成，其表達式為：

3.2齒輪箱數學模型

本文研究的錨機齒輪箱主要由底板、前板、后板、圍板、側板、法蘭板和軸承座等結構組成?？紤]到齒輪箱內部齒輪的安裝和總體實現功能，因此對箱體的前板、側板、后板和法蘭板的高度不作改變，選取前板、后板和側板的厚度和各結構的厚度作為設計變量，如圖6所示。

優化數學模型包括設計變量、約束條件和目標函數。本文針對錨泊設備的齒輪箱進行輕量化設計研究，其設計變量為：

其中x8為上側板的厚度。

目標函數為：

其中，x1，x2，x3，…x8為底面板尺寸參數及厚度、上面板厚度和支撐構件長度，W為基座重量，σ≤ [σ] 為強度約束條件。

3.3齒輪箱輕量化

為了獲得設計變量的最優解，對齒輪箱進行285次實驗設計，以便構建響應面。在實驗設計時，需要對設計變量取值規定范圍區間，如表1所示。

根據實驗設計數據，構建齒輪箱設計變量對質量響應面，如圖7所示。從圖7可以得到設計變量對質量呈線性關系，隨著設計變量的增大質量也在增大。

根據響應面模型，對齒輪箱進行輕量化設計研究。通過篩選法對齒輪箱1000個樣本點進行篩選，獲得質量最小的樣本點，得到最優方案，如表2所示。

3.4驗證分析

根據輕量化后的數據，構建齒輪箱模型，并進行有限元分析計算，分析結果如圖8、圖9所示，經過分析可以得到：

（1）輕量化前，齒輪箱質量為373.74kg，輕量化后，齒輪箱質量為335.47kg，質量降低了10.24%，節約了材料成本。

（2）輕量化后最大等效應力為200Mpa，位移變形為0.2mm處于安全范圍。輕量化后，齒輪箱的應力分布較之前均勻，應力集中程度得到降低，齒輪箱材料利用率也得到了提高。

4 結論

通過對齒輪箱進行有限元分析，對錨機的輕量化設計進行研究，從而得到滿足安全使用的齒輪箱結構，并達到減輕質量的目的。從本文中得到以下結論：

（1）傳統的齒輪箱材料利用率低，無法準確表達各部分應力分布情況，導致齒輪箱質量大，不符合錨機輕量化要求。

（2）本文對錨機齒輪箱進行輕量化分析，對齒輪箱中材料過多冗余的材料結構進行改進，通過有限元分析得到輕量化后的齒輪箱的最大應力和位移滿足使用要求。

（3）通過對輕量化后的齒輪箱進行分析，本文設計的齒輪箱仍有優化空間，該方法對類似問題具有一定借鑒意義。

參考文獻：

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