關(guān)于雷達桅升降機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計與制造加工

1、<p>　　關(guān)于雷達桅升降機構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計與制造加工</p><p>　　[摘 要]世界各國所建造的水面橋梁，在凈空高度上都有各自規(guī)定的要求，大多是根據(jù)當(dāng)時的實際交通需求來設(shè)計制定的，在建造之初，大都滿足性能需求。然而隨著所建造船舶噸位的不斷增大，水面橋梁的凈空高度也越來越難以滿足船舶航行的需要。在這種情況下，改變橋梁凈空高度的做法在短期內(nèi)幾乎不可能實現(xiàn)，于是各大造船廠家只好把目光聚焦于船舶設(shè)計的改進上。

2、以滬東中華造船（集團）有限公司所承接制造的8530箱集裝箱船為例，設(shè)計二所要求我司來負(fù)責(zé)完成這一項目設(shè)計工作，本人有幸獨力承擔(dān)這一工作。當(dāng)時國外造船廠家的通常做法是：將羅徑甲板上面的多個支撐立柱一分為二，再增加一套由液壓系統(tǒng)驅(qū)動的可倒式動力裝置，這類做法基本能滿足性能需要，然而由于增加了一套完整的液壓系統(tǒng)（必須包含液壓泵、液壓管路管件及相應(yīng)的配套控制閥件）和一套完整的電力供給系統(tǒng)，必然增加了大量的經(jīng)濟成本，而且安裝在羅徑甲板上層建筑上的

3、很多結(jié)構(gòu)件，在整體翻倒的過程中，很容易出現(xiàn)松動、滑脫等現(xiàn)象，繼而造成多種靈敏器件的功能失靈現(xiàn)象和發(fā)生各類安全事故。經(jīng)過細(xì)致的調(diào)查研究，我發(fā)現(xiàn)在眾多被安裝在羅徑甲板上層建筑上的結(jié)構(gòu)件當(dāng)中，只需解決有限的幾個結(jié)構(gòu)件（S雷達天線、衛(wèi)</p><p>　　[關(guān)鍵詞]升降傳動 動力傳遞 焊接加工 裝配精度 看法 </p><p>　　中圖分類號：THl32 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914

4、X（2015）40-0017-03 </p><p>　　羅徑甲板上層建筑是船舶重要的組成部分，該區(qū)域通常安裝有大量的靈敏元器件， 如S雷達天線、危險貨物燈、限制吃水燈、操縱能力受限制燈、失控?zé)?、X雷達天線、大船燈、風(fēng)速風(fēng)向儀、蘇伊士運河信號燈、莫斯信號燈、后桅燈和衛(wèi)通C天線等等。很多導(dǎo)航信號、安全信號與控制反饋信號的輸入與輸出都是從這里發(fā)出和接受的。所以采用整體式翻倒羅徑甲板上層建筑上的所有結(jié)構(gòu)件，對這些靈敏元

5、器件的可靠工作來說是不安全的。筆者認(rèn)為任何創(chuàng)新設(shè)計都應(yīng)該以最安全的工作方式來滿足特定的工況性能要求，同時需兼顧降低制作成本的要求。 </p><p>　　雖然我如數(shù)完成了S雷達天線、衛(wèi)通C天線和信號燈三種機構(gòu)的限高設(shè)計工作，但本文只側(cè)重論述S雷達天線的限高的創(chuàng)新設(shè)計與制造加工，以期能與同行業(yè)的技術(shù)設(shè)計人員互勵共勉。為論述上的方便，下文通稱該設(shè)計機構(gòu)為雷達桅升降機構(gòu)。 </p><p>&l

6、t;b>　　一、主要結(jié)構(gòu) </b></p><p>　　雷達桅升降機構(gòu)主要由以下幾個部裝件構(gòu)成： </p><p>　　1、升降傳動裝置，部裝件圖號為HD112-01-00，包括升降傳動減速器（速比i=6：1）、傳動絲桿和手輪盤。這些零部件是整套升降機構(gòu)中的核心部件，也是機構(gòu)的動力輸入端。 </p><p>　　2、雷達桅升降機構(gòu)（下），部裝件圖號

7、為HD112-02-00，包括減速器安裝座、法蘭聯(lián)接筒和導(dǎo)向筒體等。這些零部件是整套升降機構(gòu)中的固定部分，安裝于船體結(jié)構(gòu)的上層建筑上。 </p><p>　　3、雷達桅升降機構(gòu)（上），部裝件圖號為HD112-03-00，包括上下限位板、梯形螺母Tr40X7、升降主桿和加油管等。這些零部件構(gòu)成雷達桅升降機構(gòu)的上下動作部分，是工作中的執(zhí)行裝置，其中S雷達天線便安裝固定在它的頂部。 </p><p&

8、gt;<b>　　二、工作原理 </b></p><p>　　參考下圖所示：操作時，搖動手輪盤，將動力傳遞給升降傳動減速器的輸入端，再由升降傳動減速器的輸出端把動力傳輸給傳動絲桿，繼而迫使與之嚙合的梯形螺母帶動升降主桿做相應(yīng)的上下升降動作，從而達到在船舶通過水面橋梁時能夠降下S雷達天線、順利通過橋梁的目的。本雷達桅升降機構(gòu)上下行程為1700mm。 </p><p>&

9、lt;b>　　三、設(shè)計計算 </b></p><p><b>　　1、耐磨性計算 </b></p><p>　　滑動螺旋的磨損與螺紋工作面上的壓力、滑動速度、螺紋表面粗糙度以及潤滑狀態(tài)等因素有關(guān)。其中最主要的是螺紋表面上的壓力，壓力越大螺旋副間越容易形成過度磨損。因此，滑動螺旋的耐磨性計算，主要是限制螺紋工作面上的壓力p，使其小于材料的許用壓力[p]

10、。 </p><p>　?。?）F：作用于螺桿的軸向力，在本計算中取決于雷達桅升降機構(gòu)（上）和S雷達天線的總重量。取F = 6000N。 </p><p>　?。?）D2為外螺紋的中徑，d2為內(nèi)螺紋的中徑，此處D2 = d2 = 36.5mmm = 0.0365m。 </p><p>　　（3）D1為內(nèi)螺紋的小徑，此處D1 = 33mmm = 0.033m。 <

11、;/p><p>　?。?）D4為內(nèi)螺紋的大徑，此處D4 = 41mmm = 0.041m。 </p><p>　?。?）d為外螺紋的大徑，此處d = 40mmm = 0.040m。 </p><p>　?。?）d3為外螺紋的小徑，此處d3 = 32mmm = 0.032m。 </p><p>　?。?）h為螺紋工作高度，此處h = d = D1

12、= 0.040m = 0.033m = 0.007m。 </p><p>　?。?）P為螺紋螺距，此處P = 7mm= 0.07m。 </p><p>　?。?）H為螺母高度，此處H = 85mm = 0.085m。 </p><p>　　（10）u為螺紋工作圈數(shù)，此處u = H/P = 85mm/7mm = 12。 </p><p>　?。?/p>

13、11）A為螺紋的承壓面積，指螺紋工作表面投影到垂直于軸向力的平面上的面積。在本計算中，A = πd2hu。 </p><p>　?。?2）當(dāng)傳動絲桿的材料選用42CrMo、螺母的材料選用ZCuAl10Fe3時，許用壓力[p] = 18 ～ 25MPa，這里取[p] = 18MPa。 </p><p>　　則螺紋工作表面上的耐磨性計算為： </p><p>　　顯然，

14、這兩者在工作時有很好的耐磨性。 </p><p>　　2、絲桿的強度計算 </p><p>　　螺桿工作時承受軸向壓力（推動螺母上升時需克服雷達桅升降機構(gòu)（上）和S雷達天線的總重力作用，推動螺母下降時在該總重力自重地作用下，拉力可以忽略）F和扭矩T的作用。螺桿危險截面主要有壓縮應(yīng)力和切應(yīng)力的作用。因此，較核螺桿強度時，應(yīng)根據(jù)第四強度理論求出危險截面的計算應(yīng)力σca，其強度條件為 　　（1

15、）F：作用于螺桿的軸向力，在本計算中取決于雷達桅升降機構(gòu)（上）和S雷達天線的總重量。取F = 6000N。 </p><p>　?。?）d3：外螺紋的小徑，此處d3 = 32mmm=0.032m。 </p><p>　?。?）A：螺桿螺紋段的危險截面面積，A=πd32/4 = （3.14×0.0322）/4 = 0.0008m2。 </p><p>　　（

16、4）WT：螺桿螺紋段的抗扭截面系數(shù)，WT=πd33/16 = （3.14×0.0323 ）/16 = 0.129m3。 </p><p>　　（5）d2：內(nèi)螺紋的中徑，此處d2 = 36.5mmm = 0.0365m。 </p><p>　?。?）T：螺桿所受的扭矩，T = Ftan{[（+）d2 ]/2 } </p><p>　　由于是單頭螺紋，導(dǎo)程S

17、= P = 0.007m，故螺紋升角為 </p><p>　　故絲桿危險截面處的強度條件滿足要求。 </p><p>　　3、螺母螺紋牙的強度計算 </p><p>　　螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強度低于螺桿，故只需較核螺母螺紋牙的強度。 </p><p>　　如果將一圈螺紋沿螺母的螺紋大徑D4處展開，則可看作寬度為πD4的懸

18、臂梁。假設(shè)螺母每圈螺紋所承受的平均壓力為F/u，并作用在以螺紋中徑D2為直徑的圓周上，則螺紋牙危險截面的剪切強度條件為 </p><p>　　螺紋牙危險截面的彎曲強度條件為 </p><p><b>　　式中， </b></p><p>　　（1）b為螺紋根部的厚度，對于梯形螺紋，b=0.65P。 </p><p>　　

19、（2）L為彎曲力臂，L=（D4-D2）/2。 </p><p>　?。?）[τ]為螺母材料的許用剪切力。 </p><p>　?。?）[σb]為螺母材料的許用彎曲應(yīng)力。 </p><p>　　故螺母螺紋牙的強度滿足要求。 </p><p>　　4、螺桿的壓桿穩(wěn)定性計算 </p><p>　　對于長徑比大的受壓螺桿，當(dāng)軸

20、向壓力F大于某一臨界值時，螺桿就會突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力F必須小于臨界載荷Fcr。則螺桿的穩(wěn)定性條件為 </p><p><b>　　式中： </b></p><p>　?。?）SSC為螺桿穩(wěn)定性的計算安全系數(shù)。 </p><p>　?。?）SS為螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，對于傳導(dǎo)螺旋，SS = 2.5～

21、4.0，在本計算中取SS ？ 2.5。 </p><p>　　（3）Fcr為螺桿的臨界載荷，根據(jù)螺桿的柔度λs值的大小選用不同的公式計算λs ？ ？L/i。螺桿的臨界載荷Fcr可根據(jù)歐拉公式計算， </p><p>　?。?）？為螺桿的長度系數(shù)，螺桿一端固定安裝在升降傳動減速器的輸出端、一端呈現(xiàn)自由狀態(tài)時，取？ ？ 2.0。 </p><p>　?。?）L為螺桿一端

22、固定安裝在升降傳動減速器的輸出端、一端呈現(xiàn)自由狀態(tài)時的工作長度，在本計算中取L ？ 1.7m。 </p><p>　?。?）i為螺桿危險截面的慣性半徑，在本計算中， </p><p>　?。?）E為螺桿材料的拉壓彈性模量，E ？ 2.06×105 MPa ？ 2.06×1011Pa。 </p><p>　?。?）I為螺桿危險截面的慣性矩， <

23、;/p><p><b>　　所以， </b></p><p>　　SSC=Fcr/F=9030/6000=1.5 </p><p>　　顯然要小于螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)SS ？ 2.5的要求，即該絲桿會處于失穩(wěn)狀態(tài)。 </p><p>　　為了補償螺桿的壓桿穩(wěn)定性，可以在升降梯形螺母上安裝一個如下圖所示的上下限位板。在梯形螺母上

24、下移動時，其外圓為？251的工作面將在內(nèi)圓為？253的法蘭聯(lián)接筒中穿插動作。兩者間的小量配合間隙（單邊間隙為1mm），足以讓螺桿受壓失穩(wěn)時不會產(chǎn)生彎曲，所產(chǎn)生的極小彈性彎曲完全不會影響螺桿的正常工作。 </p><p>　　四、加工和裝配工藝要點 </p><p>　　現(xiàn)在來探討一下本套雷達桅升降機構(gòu)在實際生產(chǎn)制作過程中，經(jīng)常會遇到的一些加工工藝難點和裝配精度如何保證的問題。 </p

25、><p>　　1、在升降傳動減速器中，其中的關(guān)鍵件是一對相互嚙合傳動的直齒錐齒輪，速比i=6：1，作減速傳動。齒面局部淬火后，按圖紙要求測量齒面硬度，做磨削精加工保證表面粗糙度要求；齒輪軸兩處安裝軸承的外圓面應(yīng)嚴(yán)格保證其尺寸公差和形位公差要求。裝配時需測量并保證這對直齒錐齒輪兩軸線的垂直度，并按要求調(diào)整嚙合間隙。 </p><p>　　若加工廠家無專業(yè)生產(chǎn)制作、裝配、試驗齒輪箱的資質(zhì)能力，建議

26、從專業(yè)減速器生產(chǎn)廠家訂購，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。推薦型號為SWLM050 JWM050DR。 </p><p>　　2、傳動絲桿規(guī)格為Tr40X7-7e，材料推薦選用42CrMo，需經(jīng)熱處理以提高其耐磨性和尺寸穩(wěn)定性。它的加工難度在于其外形總長度近2000mm、有效工作長度1700mm，在車削加工中屬于典型的細(xì)長桿加工件，加工時必須輔以合適的工裝夾具： </p><p>　?。?）采用車削細(xì)長桿

27、專用套筒，當(dāng)桿料比車床主軸細(xì)長很多時，在轉(zhuǎn)動中會在主軸內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)襯套內(nèi)抖動，可用專用導(dǎo)筒壓入夾頭后部，導(dǎo)筒是在粗管兩端用襯套支撐中間細(xì)管的復(fù)合套管，細(xì)桿即由中間細(xì)管通過，轉(zhuǎn)動時不會發(fā)生抖動。 </p><p>　　（2）在車床行走導(dǎo)軌上配裝必要的中心跟刀架。 </p><p>　　考慮到絲桿的實際工作情況，可將規(guī)格為Tr40X7-7H銅螺母同時配套加工。加工時注意梯形螺紋的旋向和表面粗糙度要

28、求，并且可以在兩者的預(yù)裝過程中來不斷修正兩者的工作嚙合傳動面。 </p><p>　　3、在雷達桅升降機構(gòu)（下）這一部裝件的加工和裝配過程中，有兩點尤為重要。 </p><p>　?。?）減速器安裝板可事先加工出內(nèi)徑為？115的中心孔，然后可與？299×10的筒體進行焊接，焊接注意保證兩者的同心度。但千萬注意與升降傳動減速器進行對接安裝的4個M16的螺孔務(wù)必為焊后配作加工，否則無

29、法保證絲桿的旋轉(zhuǎn)中心處于筒體的中心。 </p><p>　?。?）在法蘭聯(lián)接筒和導(dǎo)向筒體的部件結(jié)構(gòu)中，共有6處頂部V形導(dǎo)向槽，可先將這6塊不銹鋼圓板點焊固定，采用刨削或銑削加工的方法一次成形，這樣可以保證V形導(dǎo)向槽各面的垂直度和位置度。當(dāng)這6塊不銹鋼圓板分別于各自的筒體進行組焊時，應(yīng)輔以必要的固定V形導(dǎo)向槽的工裝。 　　4、在雷達桅升降機構(gòu)（上）這一部裝件的加工和裝配過程中，同樣具有兩大的加工和裝配難點。 &l

30、t;/p><p>　?。?）上下限位板可事先加工出內(nèi)徑為？50的中心孔，但尺寸為？251的外圓和內(nèi)徑為？125H7、深為5mm的安裝止口都必須保證它們與內(nèi)徑為？50的中心孔的同心度要求。而且4-？13的安裝孔建議為在裝配時配作。 </p><p>　?。?）在升降主桿部裝圖中，長度約為2240mm的雙側(cè)V形導(dǎo)軌的加工，同樣也有很高的平行度和位置度要求。為提高整套系統(tǒng)的運行精度，此處建議配合前面

31、提到的V形導(dǎo)向槽一起配合加工，同時采用龍門刨床或龍門銑床來加工。 </p><p>　　五、安裝和操作說明 </p><p>　　1、如雷達桅升降機構(gòu)的附圖所示，本機構(gòu)共有3處安裝焊接位置，需要到船上現(xiàn)場進行操作。在加工制作時，相關(guān)的結(jié)構(gòu)支撐件需留有合適的切割余量。 </p><p>　　2、本機構(gòu)多為鋼結(jié)構(gòu)件，選材盡量取用無縫鋼管，來減少相應(yīng)的氣割、剪切、卷板、焊

32、接和打磨等工作量。 </p><p>　　3、為保證零部件的加工和裝配精度，多處易采用焊后再配作加工。 </p><p>　　4、裝配時應(yīng)充分保證活動部件的同心度、垂直度、平行度和位置度要求。 </p><p>　　5、在活動部件的易操作處，都設(shè)計安裝有注油潤滑裝置。并根據(jù)將來維修的需要，本機構(gòu)采取了合理拼裝對接設(shè)計，以便拆解維修。 </p><

33、p><b>　　六、結(jié)語 </b></p><p>　　綜上所述，針對具體的產(chǎn)品要求選用合適的設(shè)計方案，在設(shè)計中至關(guān)重要。有時候復(fù)雜和高成本的設(shè)計方案，并代表能達到最佳的預(yù)期效果。我們努力學(xué)習(xí)高難度的設(shè)計新知識和新理念，有一個很重要的目的，就是化繁為簡、已最小的經(jīng)濟投入獲得最實用可靠的產(chǎn)品。有些項目設(shè)計單憑直觀了解，肯定覺得異常艱難，但只要去大膽嘗試鉆研，有時也沒那么深奧不可及，誠如創(chuàng)

34、新始于實踐。 </p><p>　　本機構(gòu)目前已經(jīng)被廣泛使用于大型的集裝箱系列船中，如8530TEU和8888TUE系列船，實際使用的狀況反饋證明它具有布局合理、操作方便和維護簡易等諸多特點。同時也可以通過進一步的優(yōu)化設(shè)計，可以考慮在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加一臺小功率的船用電機和兩個限位開關(guān)，再敷設(shè)一些必要電路裝置和員器件，完全可以將本機構(gòu)升級為電力驅(qū)動設(shè)備，追加的成本也是很小的。 </p><

35、p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]劉鴻文.材料力學(xué)?北京：高等教育出版社，2001 </p><p>　　[2]孫桓，陳作模等.機械原理?北京：高等教育出版社，1999 </p><p>　　[3]濮良貴，紀(jì)名剛等.機械設(shè)計?北京：高等教育出版社，2001 </p><p>　　[4]

36、文九巴，王利國等.機械工程材料?北京：機械工業(yè)出版社，2002 </p><p>　　[5]成大先，王德夫等.機械設(shè)計手冊?北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004 </p><p>　　[6]賓鴻贊，曾慶福等，機械制造工藝學(xué)（上下冊）?北京：清華大學(xué)出版社.1989 </p><p>　　[7]梁炳文，王志恒等，機械加工工藝與竅門精選?北京：機械工業(yè)出版社.中國石化出版社，