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摘 要：轉向裝置是漁藥噴施機的關鍵工作部件，它直接影響噴施機的噴施效果。本文在目前國內研發(fā)出的噴施機的基礎上，設計了一種新型的轉向器。為研究其強度特性，減少工作時的故障，應用SolidWorks建立了轉向器的三維模型，用Simulation對其進行了有限元分析，得到轉向器在工作時的變形和應力大小，找出了其強度薄弱點。然后，對轉向器進行了改進設計，并應用Simulation進行靜態(tài)分析。結果表明，改進后的轉向器的強度和剛度明顯提高，可為其優(yōu)化設計提供參考依據。

關鍵詞：轉向裝置；漁藥；噴施機；轉向器；有限元分析

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2015.08.008

漁藥的使用是水產養(yǎng)殖中一個必不可少的環(huán)節(jié)[1]。國內目前研究出了一種無線遙控漁藥噴施機，該噴施機噴灑漁藥時不僅可以減輕勞動強度，還可以保障操作人員的安全，其平均行駛速度為0.8 m·s-1 [2-3]。但是，該機仍然存在著速度不高、無法剎車、轉彎半徑大以及無法倒車等問題。

針對上述問題，筆者設計出了一種用于漁藥噴施機的新型轉向裝置，并且對其結構進行了有限元分析[4-5]。本研究利用Solidworks軟件中的Simulation對漁藥噴施機轉向裝置的結構和強度進行了分析，以為其優(yōu)化設計提供參考依據[6-7]。

1 材料和方法

1.1 轉向裝置的設計、結構及工作原理

轉向裝置的設計。轉向裝置是漁藥噴施機的關鍵部件，是直接與噴水推進裝置配合使用的部件。噴水推進是近20余年來快速發(fā)展成熟起來的一種特殊的推進方式，它利用噴水推進裝置中推進泵噴出的高速水流的反作用力推動水中載體前進[8]。噴水推進作為一種特殊的船舶推進裝置，具有保護性能好、噪音低、傳動機構簡單、適應變工況能力強、船舶操縱性能佳等特點[9]。噴水推進裝置只能提供動力，噴施機的轉向及倒車則是通過轉向裝置實現的。轉向裝置的結構不僅決定了噴施機的行進速度，而且還影響著漁藥噴施的范圍、路線，進而影響漁藥噴施的效果，從而導致水產養(yǎng)殖產量的減少，使養(yǎng)殖戶的收入減少。

在船舶操縱系統(tǒng)中，航向和航速控制是船舶控制最基本和最關鍵的[10-13]， 而噴水推進式船舶與普通船舶不同，其在航向和航速的控制上存在著較大難度。比如說因為噴水方向改變，不僅使推力產生的力矩比舵操縱船舶大，而且會給船舶的推進力帶來損失。因此，本研究所設計的轉向裝置應既能滿足該船的控制要求，又能達到倒車的目的。

轉向裝置的結構：轉向裝置主要由氣缸、活塞桿、前板、舵機、舵機臂、連桿、導流管、定軸、尾管、支架組成，其結構如圖1 所示。

轉向裝置的工作原理。轉向裝置安裝于船體上，氣缸通過螺栓固定在船上，為雙桿雙軸氣缸，其中兩個活塞桿用于平衡，并通過氣缸做往復直線運動。前板與活塞桿相連，隨活塞桿做直線運動。舵機用螺絲固定在前板上，舵機可以用相配套的控制器控制擺動。舵機臂與舵機相連，并可以圍繞軸擺動。兩個連桿一端與兩相配合的導流管相連，另一端與舵機臂兩端相連，兩個連桿隨舵機臂運動。導流管需要兩個配合使用，兩個導流管上各裝有一連桿，兩相配合的導流管通過定軸固定上下位置，而且可圍繞定軸擺動。定軸與上下兩支架相連。尾管與固定在船上的密封套配合，尾管軸線與兩相配合的導流管的中心線重合，并伸入兩相配合的導流管內。支架用螺栓固定在船上，兩支架頂端與定軸固定。兩導流管通過各自的連桿靠舵機臂的帶動來改變方向。兩導流管靠氣缸推動活塞桿及舵機的回中固定進行開閉，通過這種組合動作使船實現倒車或剎車。

1.2 轉向裝置支架有限元模型

轉向裝置中的定軸可以看做是懸臂梁，而兩支架由于水流沖擊導流管的原因會產生傾覆力，所以分別對兩構件進行分析。定義沿支架的基準軸為Y方向，垂直于支架筋為X方向，平行于尾管方向為Z方向。

轉向裝置模型的建立：用SolidWorks軟件分別建立定軸與支架的三維模型，如圖 2和圖3 所示。為了研究兩者的強度特性，計算工作載荷下的變形，將模型進行簡化和抽象，忽略一些圓角以及很小實體。

載荷的確定。定軸與導流管相連，根據在水中的試驗數據得知，噴施機的推進力為42 N，噴施機空載時的平均速度約為1.46 m·s-1。當導流管與噴水方向垂直時定軸受力最大。又因水流從噴口到導流管之間有一定距離會產生一定損失，根據孫存樓等人使用的噴水推進器推力的動量計算法[14]，取水力損失系數εn=0.025。則確定定軸載荷為4.2 N×（1-0.025）=4.095 N。

1.3 靜態(tài)分析

用Simulation對裝配的定軸及支架進行靜態(tài)分析，目的是分析在作業(yè)載荷下的變形和應力大小，校核定軸及支架的強度，以進一步優(yōu)化轉向裝置的結構。

設計裝配體材料屬性如表1 所示。根據試驗情況和計算結果，模擬以8個螺絲固定住兩個成對使用的支架，在距離定軸底部31 mm處均勻施加載荷4.095 N。

對裝配體進行實體網格的劃分，網格大小為4 mm，公差為0.2 mm，節(jié)點總數為5 316，單元總數為2 490。用Simulation軟件進行靜態(tài)分析，結果表明，產生的最小應力為1 037.2 N ·m-2，最大應力為1.739 63 e+007 N·m-2（圖4）。其最大位移為0.053 947 4 mm，最小位移為0 mm（圖5）。最小應變?yōu)?.554 93e-009，最大應變?yōu)?.628 08e-005（圖6）。

2 結果與分析

從分析中可以看出，在試驗時，定軸與下支架的配合位置會承受較大的應力，發(fā)生變形。從整個裝配的結構看來，定軸的受力情況與懸臂梁的受力情況類似。分析結果與設計情況吻合，為了增加定軸的剛度，可以從尺寸上進行改進，而不需要改變其結構，因為現有的結構較為簡單，改變結構會增加不必要的成本。從上述分析結果可知，可以增大定軸的尺寸，從而增加強度和剛度。

3 結 論

本研究設計出一種新型轉向裝置，為漁藥噴施機提供了便利，在解決其轉向及倒車的基礎上，使其有一定的可靠性。利用 SolidWorks 三維建模和 Simulation 有限元分析對轉向裝置的關鍵受力部件進行建模和靜態(tài)、變形、模態(tài)分析，確定了轉向定軸在作業(yè)時的應力和應變分布圖，以及變形位移情況。同時，分析結果還表明其結構能滿足現有的強度和剛度要求。該研究結果為轉向裝置的下一步優(yōu)化設計提供了理論依據。

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