孫世芳，顏金龍，倪科鴻，侯舟波

（浙江國際海運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 舟山316021）

引言

船舶機(jī)艙是船舶的核心部位，船舶動(dòng)力系統(tǒng)為船舶航行提供充足的能量，各種輔助設(shè)備為船舶正常航行提供各種保障。伴隨著科技的進(jìn)步，船舶動(dòng)力裝置輸出的功率逐漸提高，各種配套裝置體積也逐漸增大，設(shè)備固定與拆卸技術(shù)要求更高。由于船舶機(jī)艙空間狹小，設(shè)備布置緊湊，不利于維修設(shè)備的操作，所以設(shè)備保養(yǎng)和維修工作困難。船舶設(shè)備各類螺栓的拆裝是船舶維修過程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其耗時(shí)的長短和效果直接影響船舶維修的進(jìn)度甚至成敗。現(xiàn)階段我國船舶行業(yè)在船舶維修過程中對大型設(shè)備固定螺栓一般采用人工方式予以拆卸和安裝，拆裝過程耗時(shí)耗力，造成船舶維修周期較長，影響企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。另外，螺栓安裝工藝要求不易得到保障，造成設(shè)備運(yùn)行存在故障隱患，影響設(shè)備的使用周期，降低我國船舶維修國際聲譽(yù)。為提高船舶維修業(yè)技術(shù)含量，縮短船舶維修周期，從而提高勞動(dòng)效率和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效率，開發(fā)新型船舶維修設(shè)備便具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 螺栓拆裝設(shè)備的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 螺栓拆裝扭矩的計(jì)算

螺栓連接預(yù)緊力的直接測量較難，通常選用《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中相同型號螺栓預(yù)緊力參數(shù)作為參考。為實(shí)現(xiàn)較精確的預(yù)緊力計(jì)算，采用力學(xué)分析方法予以計(jì)算。一般螺栓預(yù)緊后螺桿出現(xiàn)一定的彈性形變，長度增加。在螺桿彈性拉力的作用下螺桿與螺母螺紋及螺母與連接體產(chǎn)生壓力，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦力矩。螺栓拆裝扭矩主要是由螺紋件的摩擦力T1（圖1.1.1 所示）和底部摩擦面的摩擦力T2（圖1.1.2所示）組成。一般螺紋連接時(shí)螺桿的軸向拉力F 為螺桿材料的（0.5-0.7）倍σs，螺紋連接預(yù)緊力矩MT為：

其中：F為軸向拉力，一般為螺紋材料屈服強(qiáng)度的0.5-0.7倍

DW：螺紋的大徑

d0：螺紋的小徑

ψ：螺紋的升角

ρ：螺型的

拆解螺母時(shí)的拆解扭矩M為：

其中K為拆卸安全系數(shù)（一般選取5-10）

圖1.1.1 螺紋連接接觸面

圖1.1.2 螺紋連接壓力面

為實(shí)現(xiàn)螺母的拆卸，選取內(nèi)六角中空結(jié)構(gòu)為套口結(jié)構(gòu)（圖1.1.3所示），可實(shí)現(xiàn)特種螺栓的拆裝。另外為實(shí)現(xiàn)普通螺栓的拆卸，增加傳力桿（如圖1.1.4所示），傳遞桿下端可安裝普通套筒，從而實(shí)現(xiàn)普通螺栓的拆裝。

圖1.1.3 套口外形輪廓

圖1.1.4 傳力桿結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 扭轉(zhuǎn)力矩傳遞結(jié)構(gòu)

傳遞結(jié)構(gòu)采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，將套口的扭轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)化為垂直方向的蝸輪蝸桿傳遞力矩。蝸輪蝸桿傳動(dòng)方式具有傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞平穩(wěn)、噪聲小等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)螺母的慢速穩(wěn)定拆解，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化。在傳動(dòng)扭矩過程中，蝸輪扭矩可直接由拆裝螺母所需扭矩折算獲得，蝸輪蝸桿傳遞扭矩過程中的受力分析如圖2.2.1所示：

圖1.2.1 蝸輪蝸桿受力分析

T1、T2 蝸輪蝸桿上的轉(zhuǎn)矩；

d1、d2蝸輪蝸桿上的分度圓直徑；

α：壓力角；

γ：蝸桿分度圓上的導(dǎo)程角；

其中，ZE：蝸桿材料的彈性系數(shù)

[σ]H：蝸輪材料的需用接觸應(yīng)力

由1.2-1式至1.2-4式 可以確定傳遞扭矩與蝸輪蝸桿尺寸及材料之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)的蝸輪蝸桿及附屬機(jī)構(gòu)如圖1.2-2

圖1.2.2 蝸輪蝸桿扭矩傳遞機(jī)構(gòu)示意圖

蝸輪中心安裝有套口，實(shí)現(xiàn)固定螺栓的固定。設(shè)備外殼設(shè)置兩個(gè)軸承，用于蝸輪的支撐與定位。外殼外側(cè)設(shè)置蝸桿，組成蝸輪蝸桿傳遞機(jī)構(gòu)。蝸桿安裝在傳遞軸上，外側(cè)設(shè)有距離套、支撐軸承。距離套可以保障軸承與蝸輪距離相對固定，軸承用于支撐傳遞軸。支撐軸承外側(cè)設(shè)置防滑墊片并配有鎖緊螺母，實(shí)現(xiàn)零件的固定。傳遞軸連接大端通過螺釘與滾筒端蓋連接，實(shí)現(xiàn)了整套系統(tǒng)的能量傳輸。

1.3 扭轉(zhuǎn)力矩的傳輸、設(shè)定及保護(hù)結(jié)構(gòu)

為確保整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的傳輸，并實(shí)現(xiàn)通-斷傳輸過程，選取摩擦離合器結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)原理如圖1.3.1所示：

圖1.3.1 摩擦式傳遞機(jī)構(gòu)工作原理圖

離合器傳遞的扭矩MT為

其中，rmin：摩擦區(qū)最小半徑；

rmax：摩擦區(qū)最大半徑；

q：摩擦區(qū)所承受的軸向的壓力；

f：摩擦區(qū)的摩擦系數(shù)；

由式1.3-1得：

設(shè)主動(dòng)摩擦片為m，從動(dòng)摩擦片為n，則摩擦面Z

設(shè)備傳輸?shù)呐ぞ豈T

為確保設(shè)備的正常、可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)置參數(shù)K為轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備系數(shù)，則

其中：

由1.3-2至1.3-6式即可求的離合裝置傳遞的扭矩和內(nèi)外摩擦片的尺寸和數(shù)量。

扭轉(zhuǎn)力矩由電動(dòng)機(jī)輸出軸（圖1.3.2 所示）輸入離合裝置中，動(dòng)力軸上安裝有內(nèi)摩擦片（圖1.3.3 所示），內(nèi)摩擦片與外摩擦片（圖1.3.4所示）在軸向壓力的作用下將電動(dòng)機(jī)輸出軸的扭矩傳遞到離合器滾筒（圖1.3.5所示）。離合器滾筒與傳動(dòng)軸大端連接，從而將扭矩傳遞到蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)螺釘調(diào)節(jié)壓力盤的軸向位置實(shí)現(xiàn)離合裝置軸向推力的調(diào)節(jié)，通過推力軸承8將軸向力傳遞到推力盤，進(jìn)而傳遞到內(nèi)外摩擦片。當(dāng)無軸向力時(shí)，內(nèi)外摩擦片產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，無扭矩的傳輸。

圖1.3.2 電機(jī)輸出軸結(jié)構(gòu)圖

圖1.3.3 內(nèi)摩擦式結(jié)構(gòu)圖

圖1.3.4 外摩擦片結(jié)構(gòu)圖

圖1.3.5 摩擦式離合器滾筒結(jié)構(gòu)圖

圖1.3.6 離合器結(jié)構(gòu)示意圖

Table1.1 離合器部件表

2 設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該設(shè)備分為四部分：驅(qū)動(dòng)裝置、離合裝置、蝸輪蝸桿裝置、設(shè)備外殼。驅(qū)動(dòng)裝置采用雙向電機(jī)，實(shí)現(xiàn)正反驅(qū)動(dòng)；電機(jī)輸出的扭矩在軸向力的作用下，經(jīng)過摩擦離合器的內(nèi)外摩擦片結(jié)合，將扭轉(zhuǎn)力矩傳遞給滾筒；滾筒端蓋連接傳動(dòng)軸的大端，傳動(dòng)軸安裝有蝸桿，蝸桿帶動(dòng)蝸輪，蝸輪內(nèi)部的套口連接在拆裝的螺母，形成扭矩的傳輸過程。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種螺栓拆卸設(shè)備，用于船舶機(jī)艙狹小空間內(nèi)機(jī)械設(shè)備固定螺栓的拆裝。該設(shè)備在確定其拆卸扭矩時(shí)采用了經(jīng)典力學(xué)分析方法進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際操作過程中，螺栓在拆卸前用潤滑油進(jìn)行潤滑，摩擦面的摩擦系數(shù)將會(huì)減小，從而導(dǎo)致最大拆卸扭矩降低；當(dāng)螺紋間出現(xiàn)銹蝕，產(chǎn)生的銹蝕殘?jiān)鼘?dǎo)致最大拆卸扭矩急劇增加，采用增大安全系數(shù)的方式進(jìn)行處理，超過拆解裝置最大載荷時(shí)，保護(hù)裝置發(fā)揮作用。過載保護(hù)裝置采用液壓離合的方式，利用調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓實(shí)現(xiàn)內(nèi)部壓力的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)不同的傳遞扭矩的傳輸，當(dāng)過載時(shí)內(nèi)外摩擦片出現(xiàn)相對滑動(dòng)，防止設(shè)備出現(xiàn)機(jī)械損傷。機(jī)艙空間狹小，拆裝操作空間較小，采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)減小了設(shè)備的體積，避免了氣動(dòng)或液壓方式附屬設(shè)備的配置。該設(shè)備小巧靈活，在狹小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的拆裝，并可保證螺栓預(yù)緊力矩符合技術(shù)要求。