基于SolidWorks的转向装置的设计与强度分析

刘海　张俊峰　曾凡琮　高星星　庞雄斌

摘 要：转向装置是渔药喷施机的关键工作部件，它直接影响喷施机的喷施效果。本文在目前国内研发出的喷施机的基础上，设计了一种新型的转向器。为研究其强度特性，减少工作时的故障，应用SolidWorks建立了转向器的三维模型，用Simulation对其进行了有限元分析，得到转向器在工作时的变形和应力大小，找出了其强度薄弱点。然后，对转向器进行了改进设计，并应用Simulation进行静态分析。结果表明，改进后的转向器的强度和刚度明显提高，可为其优化设计提供参考依据。

关键词：转向装置；渔药；喷施机；转向器；有限元分析

中图分类号：TP391 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.08.008

渔药的使用是水产养殖中一个必不可少的环节[1]。国内目前研究出了一种无线遥控渔药喷施机，该喷施机喷洒渔药时不仅可以减轻劳动强度，还可以保障操作人员的安全，其平均行驶速度为0.8 m·s-1 [2-3]。但是，该机仍然存在着速度不高、无法刹车、转弯半径大以及无法倒车等问题。

针对上述问题，笔者设计出了一种用于渔药喷施机的新型转向装置，并且对其结构进行了有限元分析[4-5]。本研究利用Solidworks软件中的Simulation对渔药喷施机转向装置的结构和强度进行了分析，以为其优化设计提供参考依据[6-7]。

1 材料和方法

1.1 转向装置的设计、结构及工作原理

转向装置的设计。转向装置是渔药喷施机的关键部件，是直接与喷水推进装置配合使用的部件。喷水推进是近20余年来快速发展成熟起来的一种特殊的推进方式，它利用喷水推进装置中推进泵喷出的高速水流的反作用力推动水中载体前进[8]。喷水推进作为一种特殊的船舶推进装置，具有保护性能好、噪音低、传动机构简单、适应变工况能力强、船舶操纵性能佳等特点[9]。喷水推进装置只能提供动力，喷施机的转向及倒车则是通过转向装置实现的。转向装置的结构不仅决定了喷施机的行进速度，而且还影响着渔药喷施的范围、路线，进而影响渔药喷施的效果，从而导致水产养殖产量的减少，使养殖户的收入减少。

在船舶操纵系统中，航向和航速控制是船舶控制最基本和最关键的[10-13]， 而喷水推进式船舶与普通船舶不同，其在航向和航速的控制上存在着较大难度。比如说因为喷水方向改变，不仅使推力产生的力矩比舵操纵船舶大，而且会给船舶的推进力带来损失。因此，本研究所设计的转向装置应既能满足该船的控制要求，又能达到倒车的目的。

转向装置的结构：转向装置主要由气缸、活塞杆、前板、舵机、舵机臂、连杆、导流管、定轴、尾管、支架组成，其结构如图1 所示。

转向装置的工作原理。转向装置安装于船体上，气缸通过螺栓固定在船上，为双杆双轴气缸，其中两个活塞杆用于平衡，并通过气缸做往复直线运动。前板与活塞杆相连，随活塞杆做直线运动。舵机用螺丝固定在前板上，舵机可以用相配套的控制器控制摆动。舵机臂与舵机相连，并可以围绕轴摆动。两个连杆一端与两相配合的导流管相连，另一端与舵机臂两端相连，两个连杆随舵机臂运动。导流管需要两个配合使用，两个导流管上各装有一连杆，两相配合的导流管通过定轴固定上下位置，而且可围绕定轴摆动。定轴与上下两支架相连。尾管与固定在船上的密封套配合，尾管轴线与两相配合的导流管的中心线重合，并伸入两相配合的导流管内。支架用螺栓固定在船上，两支架顶端与定轴固定。两导流管通过各自的连杆靠舵机臂的带动来改变方向。两导流管靠气缸推动活塞杆及舵机的回中固定进行开闭，通过这种组合动作使船实现倒车或刹车。

1.2 转向装置支架有限元模型

转向装置中的定轴可以看做是悬臂梁，而两支架由于水流冲击导流管的原因会产生倾覆力，所以分别对两构件进行分析。定义沿支架的基准轴为Y方向，垂直于支架筋为X方向，平行于尾管方向为Z方向。

转向装置模型的建立：用SolidWorks软件分别建立定轴与支架的三维模型，如图 2和图3 所示。为了研究两者的强度特性，计算工作载荷下的变形，将模型进行简化和抽象，忽略一些圆角以及很小实体。

载荷的确定。定轴与导流管相连，根据在水中的试验数据得知，喷施机的推进力为42 N，喷施机空载时的平均速度约为1.46 m·s-1。当导流管与喷水方向垂直时定轴受力最大。又因水流从喷口到导流管之间有一定距离会产生一定损失，根据孙存楼等人使用的喷水推进器推力的动量计算法[14]，取水力损失系数εn=0.025。则确定定轴载荷为4.2 N×（1-0.025）=4.095 N。

1.3 静态分析

用Simulation对装配的定轴及支架进行静态分析，目的是分析在作业载荷下的变形和应力大小，校核定轴及支架的强度，以进一步优化转向装置的结构。

设计装配体材料属性如表1 所示。根据试验情况和计算结果，模拟以8个螺丝固定住两个成对使用的支架，在距离定轴底部31 mm处均匀施加载荷4.095 N。

对装配体进行实体网格的划分，网格大小为4 mm，公差为0.2 mm，节点总数为5 316，单元总数为2 490。用Simulation软件进行静态分析，结果表明，产生的最小应力为1 037.2 N ·m-2，最大应力为1.739 63 e+007 N·m-2（图4）。其最大位移为0.053 947 4 mm，最小位移为0 mm（图5）。最小应变为4.554 93e-009，最大应变为5.628 08e-005（图6）。

2 结果与分析

从分析中可以看出，在试验时，定轴与下支架的配合位置会承受较大的应力，发生变形。从整个装配的结构看来，定轴的受力情况与悬臂梁的受力情况类似。分析结果与设计情况吻合，为了增加定轴的刚度，可以从尺寸上进行改进，而不需要改变其结构，因为现有的结构较为简单，改变结构会增加不必要的成本。从上述分析结果可知，可以增大定轴的尺寸，从而增加强度和刚度。

3 结 论

本研究设计出一种新型转向装置，为渔药喷施机提供了便利，在解决其转向及倒车的基础上，使其有一定的可靠性。利用 SolidWorks 三维建模和 Simulation 有限元分析对转向装置的关键受力部件进行建模和静态、变形、模态分析，确定了转向定轴在作业时的应力和应变分布图，以及变形位移情况。同时，分析结果还表明其结构能满足现有的强度和刚度要求。该研究结果为转向装置的下一步优化设计提供了理论依据。

参考文献：

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