新型船舶机舱设备拆装工具的设计

孙世芳，颜金龙，倪科鸿，侯舟波

（浙江国际海运职业技术学院，浙江 舟山316021）

引言

船舶机舱是船舶的核心部位，船舶动力系统为船舶航行提供充足的能量，各种辅助设备为船舶正常航行提供各种保障。伴随着科技的进步，船舶动力装置输出的功率逐渐提高，各种配套装置体积也逐渐增大，设备固定与拆卸技术要求更高。由于船舶机舱空间狭小，设备布置紧凑，不利于维修设备的操作，所以设备保养和维修工作困难。船舶设备各类螺栓的拆装是船舶维修过程中的一个重要环节，其耗时的长短和效果直接影响船舶维修的进度甚至成败。现阶段我国船舶行业在船舶维修过程中对大型设备固定螺栓一般采用人工方式予以拆卸和安装，拆装过程耗时耗力，造成船舶维修周期较长，影响企业的经济效益。另外，螺栓安装工艺要求不易得到保障，造成设备运行存在故障隐患，影响设备的使用周期，降低我国船舶维修国际声誉。为提高船舶维修业技术含量，缩短船舶维修周期，从而提高劳动效率和企业的经济效率，开发新型船舶维修设备便具有现实意义。

1 螺栓拆装设备的原理及结构设计

1.1 螺栓拆装扭矩的计算

螺栓连接预紧力的直接测量较难，通常选用《机械设计手册》中相同型号螺栓预紧力参数作为参考。为实现较精确的预紧力计算，采用力学分析方法予以计算。一般螺栓预紧后螺杆出现一定的弹性形变，长度增加。在螺杆弹性拉力的作用下螺杆与螺母螺纹及螺母与连接体产生压力，进而产生摩擦力矩。螺栓拆装扭矩主要是由螺纹件的摩擦力T1（图1.1.1 所示）和底部摩擦面的摩擦力T2（图1.1.2所示）组成。一般螺纹连接时螺杆的轴向拉力F 为螺杆材料的（0.5-0.7）倍σs，螺纹连接预紧力矩MT为：

其中：F为轴向拉力，一般为螺纹材料屈服强度的0.5-0.7倍

DW：螺纹的大径

d0：螺纹的小径

ψ：螺纹的升角

ρ：螺型的

拆解螺母时的拆解扭矩M为：

其中K为拆卸安全系数（一般选取5-10）

图1.1.1 螺纹连接接触面

图1.1.2 螺纹连接压力面

为实现螺母的拆卸，选取内六角中空结构为套口结构（图1.1.3所示），可实现特种螺栓的拆装。另外为实现普通螺栓的拆卸，增加传力杆（如图1.1.4所示），传递杆下端可安装普通套筒，从而实现普通螺栓的拆装。

图1.1.3 套口外形轮廓

图1.1.4 传力杆结构示意图

1.2 扭转力矩传递结构

传递结构采用蜗轮蜗杆结构，将套口的扭转力矩转化为垂直方向的蜗轮蜗杆传递力矩。蜗轮蜗杆传动方式具有传动比大，结构紧凑，传递平稳、噪声小等特点，实现螺母的慢速稳定拆解，并实现设备的小型化。在传动扭矩过程中，蜗轮扭矩可直接由拆装螺母所需扭矩折算获得，蜗轮蜗杆传递扭矩过程中的受力分析如图2.2.1所示：

图1.2.1 蜗轮蜗杆受力分析

T1、T2 蜗轮蜗杆上的转矩；

d1、d2蜗轮蜗杆上的分度圆直径；

α：压力角；

γ：蜗杆分度圆上的导程角；

其中，ZE：蜗杆材料的弹性系数

[σ]H：蜗轮材料的需用接触应力

由1.2-1式至1.2-4式 可以确定传递扭矩与蜗轮蜗杆尺寸及材料之间的关系，设计的蜗轮蜗杆及附属机构如图1.2-2

图1.2.2 蜗轮蜗杆扭矩传递机构示意图

蜗轮中心安装有套口，实现固定螺栓的固定。设备外壳设置两个轴承，用于蜗轮的支撑与定位。外壳外侧设置蜗杆，组成蜗轮蜗杆传递机构。蜗杆安装在传递轴上，外侧设有距离套、支撑轴承。距离套可以保障轴承与蜗轮距离相对固定，轴承用于支撑传递轴。支撑轴承外侧设置防滑垫片并配有锁紧螺母，实现零件的固定。传递轴连接大端通过螺钉与滚筒端盖连接，实现了整套系统的能量传输。

1.3 扭转力矩的传输、设定及保护结构

为确保整个动力系统的传输，并实现通-断传输过程，选取摩擦离合器结构，结构原理如图1.3.1所示：

图1.3.1 摩擦式传递机构工作原理图

离合器传递的扭矩MT为

其中，rmin：摩擦区最小半径；

rmax：摩擦区最大半径；

q：摩擦区所承受的轴向的压力；

f：摩擦区的摩擦系数；

由式1.3-1得：

设主动摩擦片为m，从动摩擦片为n，则摩擦面Z

设备传输的扭矩MT

为确保设备的正常、可靠的运转，设置参数K为转矩储备系数，则

其中：

由1.3-2至1.3-6式即可求的离合装置传递的扭矩和内外摩擦片的尺寸和数量。

扭转力矩由电动机输出轴（图1.3.2 所示）输入离合装置中，动力轴上安装有内摩擦片（图1.3.3 所示），内摩擦片与外摩擦片（图1.3.4所示）在轴向压力的作用下将电动机输出轴的扭矩传递到离合器滚筒（图1.3.5所示）。离合器滚筒与传动轴大端连接，从而将扭矩传递到蜗轮蜗杆机构。通过调节螺钉调节压力盘的轴向位置实现离合装置轴向推力的调节，通过推力轴承8将轴向力传递到推力盘，进而传递到内外摩擦片。当无轴向力时，内外摩擦片产生相对转动，无扭矩的传输。

图1.3.2 电机输出轴结构图

图1.3.3 内摩擦式结构图

图1.3.4 外摩擦片结构图

图1.3.5 摩擦式离合器滚筒结构图

图1.3.6 离合器结构示意图

Table1.1 离合器部件表

2 设备的结构设计

该设备分为四部分：驱动装置、离合装置、蜗轮蜗杆装置、设备外壳。驱动装置采用双向电机，实现正反驱动；电机输出的扭矩在轴向力的作用下，经过摩擦离合器的内外摩擦片结合，将扭转力矩传递给滚筒；滚筒端盖连接传动轴的大端，传动轴安装有蜗杆，蜗杆带动蜗轮，蜗轮内部的套口连接在拆装的螺母，形成扭矩的传输过程。

3 结论

本文设计了一种螺栓拆卸设备，用于船舶机舱狭小空间内机械设备固定螺栓的拆装。该设备在确定其拆卸扭矩时采用了经典力学分析方法进行计算，在实际操作过程中，螺栓在拆卸前用润滑油进行润滑，摩擦面的摩擦系数将会减小，从而导致最大拆卸扭矩降低；当螺纹间出现锈蚀，产生的锈蚀残渣导致最大拆卸扭矩急剧增加，采用增大安全系数的方式进行处理，超过拆解装置最大载荷时，保护装置发挥作用。过载保护装置采用液压离合的方式，利用调整调节螺栓实现内部压力的调整，从而实现不同的传递扭矩的传输，当过载时内外摩擦片出现相对滑动，防止设备出现机械损伤。机舱空间狭小，拆装操作空间较小，采用电动驱动减小了设备的体积，避免了气动或液压方式附属设备的配置。该设备小巧灵活，在狭小空间内实现设备的拆装，并可保证螺栓预紧力矩符合技术要求。