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1、新型环保绞刀设计方法研究摘要：该新型环保绞刀由大环、刀片、轮毂三部分组成，刀片长度为1960mm,轮廓线形状与传统绞刀相比发牛了鮫大的变化，其设计过程中伦廓线确定方法和模型的建立方法也都有所不同。木文运川参数化手段，对该型绞刀内、外轮廓线进行推导，并以Pro/Engineer3.0软件为平台，对绞刀进行实体建模，最后运用MSC.Patran/MSC.Nastran为手段，对绞刀的受力状况进行分析。关键词：环保绞刀：轮廓线；有限元0引言该新型绞刀是为“浚湖”坏保挖泥船设计的。绞刀的作用是切削泥土，使之成为能被吸入泥管的泥浆，绞刀挖掘效率对
2、丁•整个挖泥船的生产效率影响非常大，因此，绞刀的设计在绞吸式挖泥船设计中是非常重要的。但是由于绞刀刀片的空间形状比较复杂，传统的平面图无法形成直观的效果，且无法进行性能上的分析，随着近年来建模软件及有限元软件的快速发展，软件Z间也有了较好的匹配与兼容性，这为挖泥船绞刀的设计提供了新的设计方法和思路。本文利用Pro/Engineer3.0建模软件和MSC.Patran/MSC.Nastran有限元分析软件作为平台，完成了绞刀立体模烈的建立并对之进行了丿应力分析。1绞刀丿J片内、外轮廓线的确定如图1所示，这里已知轮毂和人环的半径厂和八，以及
3、刀片包角0,轮毂与大环Z间的垂直距离厶，轮廓线的两端点A和C。假定轮廓线中任意一位置〃点的坐标是(兀,y,z)，所在平面为£平面，所在圆的半径是O'B相对04在£平面上的投影O'"转过的角度为由于绞刀的转动是匀角速度转动，假定一个自由参数re(0,1),由儿何知识可得：a=0讥，乙=Lt,r'=r+(r"-r)-Z由图1可知:x=r'•sina,y=—八cosa即可得外轮廓线方程为：x=[r+(r"一r)-t]-sin(0•t)y=-[r+(r"一r)-t]-cos(0・t)轮毂外径=440mm,内径r2=280mm,人环外径r'=8
4、30mm,内径r"2=670mm,轮毂与人环的垂直距离L=1900mm,每个刀片转过的角度是90。，绞刀切削角为30。，刀片截面形状270图2刀片截而形状根据以上推导的结果，可得刀片的外轮廓线方程是：也=440+390订勺=90/xl=al*sin©)X=一％cos®)z,=1900/根据绞刀的切削角以及刀片的截面形状，同样的方法，可得刀片的内轮廓线方程是：方2=280+390•/c2=41.2441-25.3597d2=90•rx2=b2-sin(c7+djy2=-440+b1-cos(c2+djz2-1900•t2绞刀的实体建模实体
5、建模工具是Pro/Engineer3.0o首先导入内、外轮廓线方程，然后进行可变剖面扫描，得到刀片的曲面，接着分别用Pro/Engineer中的“加厚”、“倒角”、"阵列”等命令，建出完整的刀片模型，最后用“旋转”命令建出人环、轮毂。完整的模型如图3。图3绞刀模型3绞刀有限元分析3.1受力分析绞刀挖泥时，载荷主要是泥面以下部分刀片所受到的切泥阻力，也就是泥层的反作用力。山于绞刀的运动包括轴所传递的转动以及桥架所传递的横向摆动，所以整个绞刀所受的反作用力包括垂直和水平两个方向的泥层反作用力。山于绞刀转动的方向不同，垂直方向的泥层反作用力可
6、能水平向上，也可能水平向下；水平方向的泥层反作用力则始终与绞刀的橫移方向相反。绞刀的设计切泥厚度是200-300mm,计算时取30()加加,所以绞刀的受力部位是如图4所示的300mm以下部分刀片的切泥面。泥层反作用力的大小主要取决于以下因素：/土质“绞刀的绞切效率/摆动方向和转动方向“切泥的厚度和角度土质为较软泥，其余三个因索数据根据实际情况会冇所变化，这里取安全系数k=2.0,较软泥的抗剪强度为v20kN/m2o山以上可得，刀片所受的切泥应力(泥层反作用力)为图4环保绞刀切泥厚度示意图3.2网格划分如图4所示，绞刀在挖泥时，并不是整个
7、刀片全部没入泥中，所以只有部分的刀片受到载荷；再者，由于刀片比大环和轮毂的形状结构复杂的多，为了避免出现网格质量问题，又不影响计算效率，这就要求相对于大环和轮毂,刀片的网格划分应较密。因此，在划分网格前耍对绞刀实体模型进行切割(breaksolid)处理。大环和轮毂采用QUARD4面单元划分，然后扫描，单元边长为50；刀片采用TetlO实体网格划分，单元边长为20。划分好的网格如图5。图5有限元模型3.3应力分析根据以上边界条件，计算所得Mises应力云图如图6o畑则3图6绞刀Mises应力云图由图6和图7中的Mises云图可以看出，刀
8、片与轮毂接触部位应力较集中，最人值达到了213MPa,绞刀的材料是ZG35SiMn,屈服强度极限=5 MPa,这里取安全系数k=lA,则许用应力l
