楊興林，徐天南，陳 寧

( 江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

全回轉(zhuǎn)螺旋槳是一種可以在360°范圍內(nèi)回轉(zhuǎn)，在各方向產(chǎn)生推力的全方位推進裝置，具有良好的操縱性和靈活性，廣泛應(yīng)用于拖船及各類工程作業(yè)船。全回轉(zhuǎn)機構(gòu)是根據(jù)行星齒輪傳動的原理，利用回轉(zhuǎn)支撐軸承實現(xiàn)的，因此，為確保能夠承載巨大軸向力與傾翻力矩，必須根據(jù)船級標(biāo)準(zhǔn)對其進行大量的選型與設(shè)計計算。隨著知識工程技術(shù)在造船業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)外把知識工程技術(shù)作為研究的熱點，陳金鋒［1］等將知識工程應(yīng)用于船舶構(gòu)件的設(shè)計研究，顯著提高了船舶構(gòu)件的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與效率;張勝文［2］等將知識工程應(yīng)用于船用柴油機復(fù)雜零件數(shù)控編程中，使編程知識得到重復(fù)利用，數(shù)控程序得到優(yōu)化?？谆勖簦?］等將知識工程與CATIA V5 相結(jié)合，快速設(shè)計出鋼質(zhì)海船甲板支柱。目前，國內(nèi)在全回轉(zhuǎn)螺旋槳的設(shè)計中運用知識工程技術(shù)的研究還較少，本文提出了知識工程技術(shù)的全回轉(zhuǎn)螺旋槳的設(shè)計，運用SolidWorks的二次開發(fā)技術(shù)獲取標(biāo)準(zhǔn)知識庫，然后根據(jù)設(shè)計流程進行選型與設(shè)計計算，最后進行三維實體建模;知識工程技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠使得全回轉(zhuǎn)螺旋槳的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化，同時也能夠減少設(shè)計中的錯誤與對設(shè)計者知識經(jīng)驗的依賴，縮短了建模周期，提高了效率。

1 知識工程技術(shù)與智能化設(shè)計

知識工程(Knowledge Based Engineering，KBE)是一種將某領(lǐng)域知識重復(fù)利用于新型設(shè)計的工程學(xué)理論，其本質(zhì)就是知識的再利用，即工業(yè)產(chǎn)品在其生命開發(fā)周期的每個階段，是否能夠充分利用各種實踐經(jīng)驗、專家知識及其他有關(guān)信息。它是一種存儲并處理與產(chǎn)品模型有關(guān)的知識，且基于產(chǎn)品模型的計算機軟件系統(tǒng)［4］。其核心是將有關(guān)學(xué)科專業(yè)知識、領(lǐng)域知識、用戶成熟的設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計參數(shù)的選擇依據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、用戶反饋信息、相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范等知識嵌入設(shè)計軟件中，通過知識再利用，實現(xiàn)邏輯判斷和推理，進一步實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化設(shè)計［1］，如圖1所示。知識獲取、知識表示和知識推理是知識工程的3個關(guān)鍵技術(shù)，其重點在于根據(jù)知識庫中提供的檢索，利用知識的方法實現(xiàn)知識的重新應(yīng)用，幫助用戶在更短的時間周期內(nèi)，更準(zhǔn)確的完成更多的工作。

2 設(shè)計實例

2.1 設(shè)計基本流程

用戶需要首先輸入已知參數(shù)，然后按照靜態(tài)工況與動態(tài)工況分別計算軸向力與傾翻力矩，將計算所得的結(jié)果參考回轉(zhuǎn)支撐承受能力曲線圖，對比后選取滿足條件的曲線圖，再調(diào)用回轉(zhuǎn)支承型號標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，選取滿足條件的曲線圖代號，讀取數(shù)據(jù)，然后在SolidWorks 環(huán)境進行三維實體的快速建模?；谥R工程的回轉(zhuǎn)支承軸承的設(shè)計基本流程如圖2所示。

2.2 全回轉(zhuǎn)螺旋槳回轉(zhuǎn)部位的設(shè)計

1)ATL 技術(shù)

SolidWorks 2012 提供的二次開發(fā)向?qū)Ь褪怯蒝isual C++ 6.0 平臺上的ATL 技術(shù)構(gòu)造的。ATL 實質(zhì)是一套C++模板庫，它采用特定的基本實現(xiàn)技術(shù)(包括COM 技術(shù)、C++模板類技術(shù)及C++多重繼承技術(shù)等)，擺脫了大量冗余代碼，開發(fā)出來的COM 應(yīng)用代碼簡潔高效［5］。插件是二次開發(fā)的結(jié)果，插件對象是一個DLL 文件，可以直接加載到SolidWorks 軟件中使用，它將注冊信息寫入注冊表。注冊成功后，點擊菜單/工具/插件，彈出的對話框中顯示出當(dāng)前可以加載的插件，以便用戶選擇是否加載該插件。

2)設(shè)計的條件與公式

舵槳重量為35 t，根據(jù)設(shè)計要求，正車拖力不少于80 t。回轉(zhuǎn)支撐到下水平軸的垂直距離為3.129 m，回轉(zhuǎn)支承軸承靜態(tài)工況下安全系數(shù)為1.1，動態(tài)工況下系數(shù)為1.36。

根據(jù)《機械設(shè)計手冊》中單排四點接觸球式(01 系列)回轉(zhuǎn)支撐軸承的選型計算公式［6］:

Ⅰ靜態(tài)工況選型

①承載角α=60°，

F′a=(1.225Fa+2.676Fr)fs，

M′ = 1.225Mfs。

②承載角α=45°，

F′a= (Fa+5.046Fr)fs，

M′ = Mfs。

Ⅱ動態(tài)工況選型

①承載角α=60°，

F′a= (Fa+5.046Fr)fd，

M′ = Mfd。

②承載角α=45°，

F′a= (1.225Fa+2.676Fr)fd，

M′ = 1.225Mfd。

式中:F′a為回轉(zhuǎn)支承當(dāng)量中心軸向力，F(xiàn)′a=104N;M′為回轉(zhuǎn)支撐當(dāng)量傾翻力矩，M′=104N;fs為回轉(zhuǎn)支撐靜態(tài)工況下的安全系數(shù);fd為回轉(zhuǎn)支撐動態(tài)工況下的安全系數(shù)。

3)用戶的設(shè)計界面

SolidWorks 2012為開發(fā)者提供了基于ATL 技術(shù)的二次開發(fā)向?qū)?，運用ATL 技術(shù)并結(jié)合回轉(zhuǎn)支撐模型的設(shè)計公式，開發(fā)出的用戶界面插件以.DLL的后綴名文件注冊到SolidWorks 系統(tǒng)中。在新建SolidWorks 零件之前，用戶需要加載所生成的回轉(zhuǎn)支撐模型的模塊以顯示在菜單欄上，然后打開用戶設(shè)計界面(見圖3)，界面中用戶只需輸入已知參數(shù)，即可計算出靜、動態(tài)工況下的軸向力與傾翻力矩，校驗安全系數(shù)，在界面上即可參考承載能力曲線圖與型號標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，縮短了設(shè)計周期，提高了設(shè)計效率。

4)ADO 技術(shù)連接數(shù)據(jù)庫

在計算出靜/動態(tài)工況下的軸向力與傾翻力矩后，需要查看回轉(zhuǎn)支撐承受能力曲線圖，查找滿足靜/動態(tài)工況下的承受能力曲線圖;并根據(jù)曲線圖所屬的型號來查找該型號下的回轉(zhuǎn)支承軸承的各個標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。SolidWorks 平臺與Access 數(shù)據(jù)庫的連接是通過ADO 技術(shù)［7］來實現(xiàn)的。連接標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵代碼如下所示:

回轉(zhuǎn)支撐承受能力曲線圖與型號標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫如圖4和圖5所示。

圖4 回轉(zhuǎn)支撐承受能力曲線圖Fig.4 The graph of Full-rotating bearing standing capacity

圖5 回轉(zhuǎn)支撐型號標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫Fig.5 The database of Full-rotating bearing

5)獲取各個標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸數(shù)據(jù)后，通過點擊下拉菜單(見圖6)即可完成對外環(huán)，鋼珠，內(nèi)環(huán)，小齒輪的建模，然后進行裝配(見圖7)。全回轉(zhuǎn)螺旋槳運行過程中，回轉(zhuǎn)支撐的內(nèi)圈固定，機構(gòu)運行時處于靜止?fàn)顟B(tài)，外圈與3個小齒輪相嚙合，3個小齒輪分別由一個液壓馬達提供動力，因此，為嚙合精確，提高使用壽命，小齒輪的模數(shù)與壓力角必須與外圈齒輪一致，齒廓為漸開線齒廓，所以小齒輪的齒數(shù)必須大于41，選定小齒輪的齒數(shù)為42。齒輪關(guān)鍵代碼如下:

圖6 建模插件下拉菜單Fig.6 The drop-down menu of modeling

圖7 三維實體模型Fig.7 The three-dimensional entity model

4 結(jié) 語

在基于知識工程(KBE)的全回轉(zhuǎn)螺旋槳設(shè)計方法的研究過程中，將知識利用再利用于全回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計與快速建模過程。用戶只需加載SolidWorks 二次開發(fā)的模塊，輸入已知參數(shù)，即可得出靜態(tài)與動態(tài)工況下的回轉(zhuǎn)支撐軸承的承載力，根據(jù)承載力的數(shù)值選擇滿足條件的回轉(zhuǎn)支撐承受能力曲線，然后確定標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。在SolidWorks 零件界面下，下拉菜單中的外圈、鋼珠、內(nèi)圈、小齒輪建模的選項會自動調(diào)用選定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化回轉(zhuǎn)支撐軸承的快速建模，降低設(shè)計開發(fā)成本、設(shè)計者勞動強度以及降低對經(jīng)驗、專業(yè)知識的依賴，提高了全回轉(zhuǎn)螺旋槳設(shè)計的效率與質(zhì)量。

［1］陳金鋒，楊和振，蔣如宏，等.知識工程應(yīng)用于船舶構(gòu)件的設(shè)計研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32(10):16－20.

［2］張勝文，張亮，方喜峰，等.船用柴油機復(fù)雜零件數(shù)控編程技術(shù)研究［J］.中國造船，2008，49(4):66－72.

［3］孔慧敏，馬曉平，朱駿.基于CATIA V5的知識工程在船舶設(shè)計中的應(yīng)用研究［J］.東華船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2005，19(3):84－86.

［4］韓花麗，劉裕，鐘展，等.基于KBE的工程設(shè)計［J］.機械研究與應(yīng)用，2006(1):3－5.

［5］王文波，涂海寧，熊君星.SolidWorks2008 二次開發(fā)基礎(chǔ)與實例［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

［6］成大先.機械設(shè)計手冊(第五版)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2010:481－499.

［7］侯其鋒，李曉華，李莎.Visual C + +數(shù)據(jù)庫通用模塊開發(fā)與系統(tǒng)移植［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.