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船用气动绞车底座的有限元分析及优化
发布时间:2019-02-21        浏览次数:241        返回列表
    船用气动绞车底座的有限元分析及优化
 
    船用气动绞车是以气动马达为动力, 通过齿轮减速机构驱动,结构紧凑,操作方便,工作安全,维护简单,运转平稳,广泛用于油田,海上平台,游轮,地质钻井,矿山开发等易燃易爆场所的安全作业。随着气动绞车的普遍应用,其安全性也越来越被重视。船用气动绞车工作时会产生很大的力作用在其底座上,极有可能造成底座的断裂,从而造成安全事故。本文针对某型船用气动绞车在出绳方向为75°的工作状态下进行可靠性分析。
 
    1 有限元分析
 
    1.1 三维模型参数
 
    如图1 所示, 机座通过螺栓与地面固定, 机座长1000mm,总宽510mm,总高53mm,整体有14 个螺纹孔。将75°出绳方向作用在滚筒上的拉力简化到底座上, 可分解为对螺纹孔的水平拉力和垂直拉力。
船用气动绞车底座的有限元分析及优化
    1.2 机座受力分析
 
    按钢丝绳为75°出绳方向计算机座应力,钢丝绳受50kN 拉力,出绳方向与水平方向75°,受力分解:
 
    水平方向
 
    Fx=50×cos75°=13KN
 
    竖直方向
 
    Fy=50×sin75°=48.3KN
 
    水平方向力等价到底座产生力矩
 
    M1=Fx×273=3549N·m
 
    竖直方向力等价到底座产生力矩
 
    M2=Fy×112=5409.6N·m
 
    根据力偶守恒得:F1L1+F2L2=M1+M2 (1)
 
    再有 船用气动绞车受力公式(2)
 
    由(1)(2)两式可得:F1 =18923.8N, F2 =1610.5N
 
    式中:F1———底座靠近出绳位置一侧螺栓孔受力
 
    F2———底座远离出绳位置一侧螺栓孔受力每个螺钉对底座压力为:
船用气动绞车底座远离出绳位置一侧螺栓孔受力每个螺钉对底座压力
    底座受压应力为:
底座受压应力为
    1.3 对机座进行静力学分析
 
    将使用UG 建立的三维模型导入Workbench 中, 机座材料为Q235,约束机座上表面,在每个螺纹孔上施加水平和垂直载荷,分析其应力应变。
船用气动绞车受力模型图
    图3 应变分析云图
 
    分析得机座最大应力为74.3Mpa, 最大应变约为3.8x10-5,安全系数为S=[σ] / σ=3.16。
 
    2 结构优化
 
    由于应力集中在螺栓孔上,很容易工作时发生断裂而引起事故, 因此未优化的结构的安全系数不能满足现实需求。针对这一需求, 可以将底座螺栓孔部分做出格外加厚3mm的优化设计,从而防止螺栓孔处因应力集中而断裂。
船用气动绞车优化后应变模型图

船用气动马达优化后应力分析图
    优化后最大应力为14.97Mpa,底座安全系数为15.6,优化后安全系数大大提高。
 
    3 结论
 
    对某船用气动绞车底座进行静力学分析, 在对其螺栓孔进行加厚优化后,大大提高了其工作安全系数,即简便又提高了其可靠性。