艦船液壓跳板裝置的設計（CAD圖紙全套）

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編 號 無錫太湖學院 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 題目： 艦船液壓跳板裝置的設計 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學 號： 0923072 學生姓名： 咸玉峰 指導教師： 過金超 （職稱：副教授 ） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 艦船液壓跳 板裝置的設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的 成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設計（論文）中特別加以標注引用， 表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人、 集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 92 學 號： 0923072 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學 院 信 機 系 機 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設 計 論 文 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目艦船液壓跳板裝置的設計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 隨著人類社會的不斷發(fā)展，陸地可開放資源日漸枯竭，世界各 國逐漸將目光轉向海洋，海洋資源的開放及利用對各國的發(fā)展起到 了越來越重要的作用。由此引起的國家及地區(qū)間爭端、摩擦不斷。 進入新世紀以來，隨著海洋島礁及資源爭奪的加劇，海上運輸線安 全形勢日趨惡化，海上利益爭奪的形勢將更加嚴峻，尤其是美、日、 俄、印等國家，為壯大海軍采取多種措施，已出現(xiàn)群雄爭鋒的局面。 在全面實施海洋開放的時代背景條件下，海軍肩負著維護國家安全， 捍衛(wèi)主權、維護國家海洋權益的神圣使命。 本課題是我國首艘航母上液壓登船梯的設計。跳板（登船梯） 主要用于軍艦與碼頭之間人員及限重物資通過或遷移。屬于實用類 的設計題目。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： 1達到技術指標所規(guī)定要求，滿足實際工作需要。 II 2熟悉相關液壓原理，及相關閥的使用。 3工作時定位準確，啟停無沖擊。 4工作時噪音小，發(fā)熱較小，工作可靠。 5.能夠通過油缸伸出和縮回分別引起過橋的上傾和下放，過橋變幅 的幅度為上傾極限 30、下放 30。 6.能夠通過與回轉齒輪的嚙合實現(xiàn)跳板裝置的左右搖擺，角度 180。 四、接受任務學生： 機械 92 班 姓名 咸玉峰 五、開始及完成日期： 自 2011 年 11 月 7 日 至 2012 年 5 月 25 日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學科組組長研究所 所長簽名 III 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 IV 摘 要 現(xiàn)實當中我們看到的登船梯給我們的感覺是很笨重，不方便，如果用于游船是可行 的，但是如果用于航母或軍艦的話，那肯定不能符合使用要求了（一旦碼頭情況不允許 那就會帶來麻煩），所以必須研制出一種既輕巧方便又安全能適應軍用的登船梯系統(tǒng)， 這就是我的課題所要做達到的要求。 我所設計的跳板裝置不僅設計了一些機械傳動，還在原有的基礎上采用了液壓傳動。 采用液壓傳動的突出優(yōu)點是：易于實現(xiàn)頻繁的起動、換向和變速，且對船舶電站的影響 較?。粦T性小、位置控制精度較高；輸出的力和轉矩可以很大，但線速度和轉速可以很 低，體積和重量卻很??；調(diào)速范圍廣。因此，液壓傳動現(xiàn)已廣泛應用在各類船舶上。本 課題是我國首艘航母上液壓登船梯的設計。跳板（登船梯）主要用于軍艦與碼頭之間人 員及限重物資通過或遷移。本登船梯系統(tǒng)即可電動也可手動，手動是通過手搖泵來實現(xiàn) 的，手搖泵的運用是為了防止斷電情況下登船梯不能使用而設計的。 關鍵詞：登船梯；液壓傳動；手搖泵 V Abstract Reality we have seen boarding ladder gives us the feeling is very heavy, inconvenient for cruise ships is feasible, but if for aircraft carriers or warships, it certainly does not meet the requirements (once the pier is notit will cause trouble), it is necessary to develop a lightweight and convenient and safe to be able to adapt to a military boarding ladder system, this is my topic have to do to achieve the requirements. I designed a springboard device not only designed a number of mechanical transmission, hydraulic transmission still in the original basis. With hydraulic drive of the outstanding advantages: easy to implement frequent starting, commutation and variable speed, and less impact on the ships power plant; inertia, high precision position control; force and torque of the output can be large, but the line speed and the speed can be very low, very small size and weight; wide speed range. Therefore, the hydraulic drive is now widely used in all types of vessels. The issue is Chinas first aircraft carrier, the hydraulic design of the boarding ladder. Springboard (boarding ladder) is mainly used for warships to the pier and weight limit supplies through or migrate. The boarding ladder system to the electric can also be manually manually by hand pump, the use of the hand pump is designed to prevent the boarding ladder in case of power failure can not be used. Keywords: boarding ladder; hydraulic transmission; hand pump V 目 錄 摘 要 ....................................................................III ABSTRACT ...................................................................IV 目 錄 ......................................................................V 1 緒論 ......................................................................1 1.1 國內(nèi)登船梯的概況和發(fā)展趨勢 .............................................1 1.2 課題的提出與意義 .......................................................2 1.3 本課題應達到的要求 .....................................................4 2 總體方案的確定 .............................................................5 2.1 設計依據(jù) ...............................................................5 2.2 確定機械結構設計方案 ...................................................5 2.3 確定液壓系統(tǒng)設計方案 ...................................................5 3 機械結構設計及其校核 .......................................................6 3.1 概述 ..................................................................6 3.2 設計依據(jù) ...............................................................6 3.3 設計范圍及其設計方案 ...................................................6 3.3.1 基架設計及校核 .....................................................6 3.3.2 回轉支架的設計 .....................................................8 3.3.3 登船梯的設計 .......................................................9 3.3.4 油缸的設計 ........................................................10 3.3.5 確定執(zhí)行元件的設計 ................................................10 3.3.6 主回轉液壓馬達的選擇計算 ..........................................20 4 液壓系統(tǒng)的設計及其校核 ....................................................21 4.1 液壓系統(tǒng)的組成 ........................................................21 4.2 液壓系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點 ..................................................21 4.2.1 液壓傳動的優(yōu)點 ....................................................21 4.2.2 液壓傳動的缺點 ....................................................21 4.3 液壓系統(tǒng)設計 ..........................................................22 4.3.1 概述及液壓系統(tǒng)方案設計 ............................................22 4.3.2 液壓能源裝置設計 ..................................................24 4.3.3 液壓閥的選擇 ......................................................24 4.3.4 液壓輔助元件的設計與選擇 ..........................................25 4.3.5 液壓控制說明 .....................................................30 5 CATIA 有限元分析方法 .....................................................31 5.1 有限元分析方法簡介 ...................................................31 5.2 進行有限元分析的目地和意義 ............................................31 5.3 活塞桿的受力變形情況進行分析 ..........................................32 5.3.1 分析步驟 ..........................................................32 VI 6 結論與展望 ...............................................................34 6.1 結論 ..................................................................34 6.2 展望 ..................................................................34 致 謝 .....................................................................35 參考文獻 ...................................................................36 艦船液壓跳板裝置設計 1 1 緒論 1.1國內(nèi)登船梯的概況和發(fā)展趨勢 登船梯屬于非標產(chǎn)品，其設計計算在國內(nèi)至今尚無規(guī)范可遵循，但可依據(jù)海洋工程、 船用甲板起重機、港口工程起重機、船用舷梯等特性設計。主要用于海洋鉆井平臺與平 臺之間人員及限重物資通過和遷移。為考慮使用時方便、安全、可靠、實用，設計上采 用了液壓傳動的全回轉、可升降的動作方案。 國內(nèi)主要有三種登船梯結構形式： (1)SS-1 型登船梯 上海石化總廠海運碼頭二期擴建工程系采用的型號。該型登船 梯適用于工作行程在工作平臺以下的碼頭，但是，其回轉跑梯式提伸架提升質(zhì)量大，電 機功率消耗較大，有待于進一步完善。 (2)SS-5 型登船梯 該型登船梯適用于鎮(zhèn)海煉化股份有限公司算山泊碼頭 25 萬噸 級泊位工程。該梯合理地運用了曳引機和液壓傳動系統(tǒng)，使其整體結構緊湊明了，旋轉、 伸縮的載荷小，由于選用的油缸尺寸較小，與卷揚機傳動系統(tǒng)相比，造價增加不大。 (3)SS-6 型登船梯 該梯使用于舟山興中石油轉運有限公司，該梯運用了液壓傳 動的特點，是舷梯浮動，易于實現(xiàn)自動化控制，小變幅機構增加了舷梯的工作幅度，使 舷梯上仰時也能工作，降低了梯架的提升高度。 2007 年 9 月 8 日，香港“寶瓶星”號國際豪華油輪平穩(wěn)?？吭趶B門東渡國際客運旅 游碼頭，搭乘該輪近 2000 名來自世界各地的游客下船時，登上了新近投入使用的我國首 個油輪登船系統(tǒng)。 2006 年 8 月，交通部水運科學研究所受廈門港委托簽訂了登船系統(tǒng)的研制合同。水 科院經(jīng)過一年多的技術設計、方案審查、施工設計、制造安裝、試車運行，登船系統(tǒng)已 于 2007 年 7 月經(jīng)過了專家用戶的現(xiàn)場檢驗后，正式交付使用了。經(jīng)過了近 2 個月的試運 行，廈門東渡國際客運旅游碼頭，已接運了“寶瓶星”號四個航次的停靠，近 8000 人次 旅客安全使用了登船系統(tǒng)。有關專家一致認為，登船系統(tǒng)設計構造新穎，性能先進，達 到了國際先進水平。 登船系統(tǒng)的使用避免了廈門東渡國際客運旅游碼頭旅客露天上下游輪，為旅客提供 了一個舒適便捷、環(huán)境優(yōu)雅的上下游輪通道，海關人員可以直接在候船聯(lián)檢大樓辦公。 豪華游輪旅客登船系統(tǒng)的使用，改變了動用吊車、叉車調(diào)運旅客旋梯與游輪對接的傳統(tǒng) 操作模式，實現(xiàn)了接船作業(yè)的全自動化，提高了游客上下游輪的安全性和旅客的通關速 度，節(jié)省了旅客的上下游輪時間。出入的旅客贊嘆道，登船就像登機一樣方便。 交通部水運科學研究院接手這難題后，根據(jù)基本設計條件設計了由一臺移動升降 式登船機和一臺旋轉伸縮式登機橋兩部分組成的登船系統(tǒng)。移動升降式登船機安裝在碼 頭前沿原有的集裝箱岸橋軌道上，旋轉伸縮式登機橋通道頭部的接機口與登船機尾部旅 客通道口對接。登船系統(tǒng)的首尾分別連接游輪和大樓候船聯(lián)檢大廳。而且，沒有客輪到 岸時，登船設備可以分離、移走，碼頭用于集裝箱裝卸作業(yè)，滿足碼頭多功能作業(yè)的要 求。 首次采用移動升降式登船機與旋轉伸縮式登機橋組合形式的登船系統(tǒng)，滿足了接船 無錫太湖學院學士學位論文 2 高度和跨度范圍大的特殊要求，接船跨度達 50 米。創(chuàng)下接船高度范圍達 1.07 米至 11.44 米，旅客登船橋接船高度超過 9 米兩項世界之最，是國內(nèi)接船高度差和跨度最大的國際 豪華游輪登船系統(tǒng)。 這是我國完全獨立研發(fā)、擁有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。 圖 1.1 在廈門投用的我國首個登船系統(tǒng) 1.2課題的提出與意義 隨著人類社會的不斷發(fā)展，陸地可開放資源日漸枯竭，世界各國逐漸將目光轉向海 洋，海洋資源的開放及利用對各國的發(fā)展起到了越來越重要的作用。由此引起的國家及 地區(qū)間爭端、摩擦不斷。進入新世紀以來，隨著海洋島礁及資源爭奪的加劇，海上運輸 線安全形勢日趨惡化，海上利益爭奪的形勢將更加嚴峻，尤其是美、日、俄、印等國家， 為壯大海軍采取多種措施，已出現(xiàn)群雄爭鋒的局面。在全面實施海洋開放的時代背景條 件下，海軍肩負著維護國家安全，捍衛(wèi)主權、維護國家海洋權益的神圣使命。 同時由于我們國家日益發(fā)展的經(jīng)濟情況還有我們?nèi)找鎻姶蟮能娛录夹g，我們和外界 的聯(lián)系也漸漸的緊密起來了。但是由于我國有著較為寬廣的港口領域，所以海上交通便 是我們和外界取得聯(lián)系的最好方式。但是海上交通就一定會用到輪船，而與陸地取得聯(lián) 系就一定要用到跳板了，所以我便對這種跳板裝置進行了一些設 計。跳板作為自行輪船 重要的組成部分，可以在輪船靠近岸邊時，可以作為被保障裝備通行的橋梁。 未來幾年將是我國海洋事業(yè)發(fā)展的黃金時期，海洋石油工程也迎來了前所未有的發(fā) 展機遇。 艦船液壓跳板裝置設計 3 圖 1.2 登船梯 圖 1.3 登船梯 以上是已有的登船梯系統(tǒng)，這兩種登船梯給我們的感覺是很笨重，不方便，如果用 于游船是可行的，但是如果用于航母或軍艦的話，那肯定不能符合使用要求了（一旦碼 頭情況不允許那就會帶來麻煩） ，所以必須研制出一種既輕巧方便又能安全適應軍用的登 船梯系統(tǒng)，這就是我的課題所要做達到的要求。由此我便想到了液壓系統(tǒng)。液壓件是現(xiàn) 代機械設備中重要的基礎件，可廣泛應用于國防、能源、冶金、交通等諸多領域，對于 提高機械設備的技術水平和質(zhì)量，提高自動化應用應用程度都有十分重要的意義。 本課題是完成全回轉式登船梯裝置的總體設計，在設計中還須設計液壓原理，完成 回轉支架、登船梯等結構設計以及油缸中重要零件的設計并做出必要的有限元分析。本 無錫太湖學院學士學位論文 4 課題使我在設計過程中，能掌握較強的實際工作經(jīng)驗，完成從設計到實際生產(chǎn)及運行調(diào) 試的整個過程，這樣我熟悉了液壓系統(tǒng)的運用，也提高解決實際工作問題的能力，為以 后工作打下極好的基礎。 1.3本課題應達到的要求 我所設計的跳板裝置不僅設計了一些機械傳動，還在原有的基礎上采用了液壓傳動。 采用液壓傳動的突出優(yōu)點是：易于實現(xiàn)頻繁的起動、換向和變速，且對船舶電站的影響 較??；慣性小、位置控制精度較高；輸出的力和轉矩可以很大，但線速度和轉速可以很 低，體積和重量卻很?。徽{(diào)速范圍廣。因此，液壓傳動現(xiàn)已廣泛應用在各類船舶上。具 體要求如下: (1)能夠通過油缸伸出和縮回分別引起過橋的上傾和下放，過橋變幅的幅度為上傾極 限 30、 下放 30。 (2)能夠通過與回轉齒輪的嚙合實現(xiàn)跳板裝置的左右搖擺，角度為 180。 (3)上下六十度轉動過程中能夠隨時停在某個位置。 (4)登船梯在 180 度轉動過程中能隨時停在某個位置。 (5)登船梯擱在碼頭上能隨風浪波動。 (6)登船梯左右擺動碰到碼頭時，能夠自動讓位，以免船梯與碼頭硬碰硬碰撞而損壞 船體和登船梯。 根據(jù)技術要求，我們需要在搞清設備工作原理的基礎上，進行正式圖紙繪制。在設 計中還需對現(xiàn)有的機構進行分析，如充分利用 CATIA 和 LINGO 等軟件進行有限元應力分 析、運動分析和優(yōu)化設計。我還要設計液壓原理圖、主機等部件。 艦船液壓跳板裝置設計 5 2總體方案的確定 2.1 設計依據(jù) (1)本套設備依據(jù)海洋工程、船用甲板起重機、港口工程起重機、船用舷梯等特性設 計。 (2)本套設備以滿足相關海事部門管理要求設計。 (3)本套設備以符合 SOLAS（safety of life at sea）及相關船級社的規(guī)范要求設計。 (4)本套設備的制造、檢驗、安裝、使用均以滿足相關船級社的規(guī)范為前提并取得相 關船級社的證書。 2.2確定機械結構設計方案 登船梯主要用于海洋鉆井平臺與平臺之間人員及限重物資通過或遷移。為考慮使用 時方便、安全、可靠、實用，設計上采用了液壓傳動的全回轉、可升降的動作方案，并 具備照明、報警、應急功能。 本登船梯主要由過橋、回轉上承臺、回轉裝置、升降油缸、配電與照明系統(tǒng)等部份 構成。登船梯設計規(guī)格暫定工作長度 9.6m。 2.3確定液壓系統(tǒng)設計方案 本液壓系統(tǒng)是針對軍艦而設計的全回轉式登船梯裝置機、制造的專用液壓傳動設備。 該系統(tǒng)精選了國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)液壓元、附件。液壓回路采用了集成油路塊式結構，液壓系統(tǒng) 總體結構先進、合理、可靠、易于維修。符合 GB3766-87液壓系統(tǒng)通用技術條件中的 各項技術要求。 本液壓系統(tǒng)由于采用了封閉式油箱結構，所以允許在粉塵大的惡劣環(huán)境下工作，但 使用時應注意經(jīng)常清掃液壓設備上的粉塵，以保證液壓系統(tǒng)具有良好的散熱性 。9 所有液壓閥控制回路均采用了集成油路塊式結構，使本系統(tǒng)具有泄漏少，結構緊湊， 便于維修的特點。 本液壓系統(tǒng)在工作原理上具有以下特征：具有吸油濾油器，使本系統(tǒng)工作介質(zhì)的清 潔度得到有效的保證，降低系統(tǒng)的故障率,延長系統(tǒng)各元、附件的使用壽命。 無錫太湖學院學士學位論文 6 3機械結構設計及其校核 3.1 概述 全回轉伸縮式登船梯（以下簡稱登船梯）主要用于海洋鉆井平臺與平臺之間人員及 限重物資通過或遷移。為考慮使用時方便、安全、可靠、實用，設計上采用了液壓傳動 的全回轉、可升降的動作方案，并具備照明、報警、應急功能。 本登船梯主要由鋼質(zhì)基架、回轉支架、登船梯、升降油缸、伸縮系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)、 配電與照明系統(tǒng)等部份構成。登船梯設計規(guī)格暫定工作長度 9.6m，在此基礎上增加 0.51m。 3.2設計依據(jù) (1)本套設備依據(jù)海洋工程、船用甲板起重機、港口工程起重機、船用舷梯等特性設 計。 (2)本套設備以滿足相關海事部門管理要求設計。 (3)本套設備以符合 SOLAS 及相關船級社的規(guī)范要求設計。 (4)本套設備的制造、檢驗、安裝、使用均以滿足相關船級社的規(guī)范為前提并取得相 關船級社的證書。 3.3 設計范圍及其設計方案 本套設備設計的范圍如前述組成部份（見所附布置圖） ，其間還包含了較多的項目。 由于各部件的尺寸、重量均較大，因此所有的超大零件上均安裝吊環(huán)以便于安全起吊和 安裝，這些吊環(huán)在裝船之前均需進行無損壞試驗。 下面按各部件分述如下： 3.3.1 基架設計及校核 基架以鋼質(zhì)筒體為主體，其外形直徑根據(jù)要求約為 506mm 左右，高度初步確定在 205mm 左右，基架的上端設置平型法蘭用于和上部回轉支架螺栓聯(lián)接。再用倆個連接齒輪 和回轉齒輪連接帶動登船梯擺動 。5 圖3.1 基架及回轉部分三維圖 艦船液壓跳板裝置設計 7 模型： 圖 3.2 整體模型圖 現(xiàn)在計算各個工作部件對基架的作用力和作用力矩 。1 (1)計算登船梯跳板梯部分對基架的作用力和作用力矩： 登船梯質(zhì)量 m=576kg 重力 G=mg=576kg9.8m=5644.8N 所以對于基架的作用力 F1=5644.8N 質(zhì)心距離基架中心軸的距離 1d=3982.184mm+253mm=4235.184mm 所以對于基架的作用力矩 M1=F1d1=23905.728Nm (2)計算馬達對基架的作用力和作用力矩： 馬達的質(zhì)量 m2=542=108Kg 重力 G=mg=1089.8=2920.4N 所以對于基架的作用力 F2=1054N 質(zhì)心距離基架中心軸的距離 d2=203.5mm 所以對于基架的作用力矩 M4=F2d2=2144.89Nm (3)整個回轉裝置及回轉上承臺及其上零部件對基架的作用力 經(jīng)差算整個回轉裝置及回轉上承臺及其上零部件總重量約為 1200kg 所以 F3=10084.2N 由于上承臺及回轉裝置對基架的作用力主要是重力而不是力矩，所以上承臺及回轉 裝置對基架的力矩忽略不計即 M3=0 (4)計算基架本身的作用力和作用力矩： 無錫太湖學院學士學位論文 8 基架本身的質(zhì)量 m=43Kg 重力 G=mg=421..4N 不過，質(zhì)心距離基架中心軸的距離 d4=0mm 所以作用力矩 M4=0 因此，所有部件對基架的作用力 F=F1+F2+F3 +F4=5644.8N+1054N+10084.2N+421.4=17204.4N 所有部件對支架的作用力力矩 M=M1+M2+M3+M4=239057.28Nm+2144.89Nm+0+0=241202.17Nm 現(xiàn)在先設取基架的壁厚 h=20mm 所以基架的橫截面積 A=(/4)*(0.5562-0.512 )=0.049036m Iz = (/64)*(0.5564-0.514) =0.027913 = + = =89MPaFZYM027913.4936.017bs sQ2355Pan4/n/.5MPa基 架 材 料 選 用 ， 抗 拉 強 度選 取 安 全 系 數(shù) ， 所 以 【 】 可見 略小于【 】 ，為安全起見，增加壁厚至 h=25mm 此時基架的橫截面積 A=(/4)*(0.561 2-0.512 )=0.05462m Iz = (/64)*(0.5614-0.514) =0.031397297 = + = =79MpaAFZYIM031972..4562.17 相差有點遠，所以安全。 3.3.2 回轉支架的設計 回轉支架是本設備極其重要的組成部份，它分別由上承臺、回轉齒輪、液壓馬達、 減速箱、支架等部件組成?；剞D支架分別與基架及其登船梯相聯(lián)接。 3.3.2.1 回轉支架由高扭矩低轉速液壓馬達通過四個主動齒輪帶動固定于上承臺的回 轉齒輪來旋轉整個支架。 回轉齒輪是登船梯上的一個重要部件，選用無錫立達齒輪制造有限公司的產(chǎn)品。參 考資料為公司的齒輪樣本。 回轉齒輪選型計算流程圖： (1)確定回轉齒輪保持靜態(tài)時所承受的最大載荷 根據(jù)上述計算：可知軸向載荷 Fa=17204.4N，傾覆力矩 M=241202.17Nm (2)根據(jù)主機類型（應用場合）確定靜態(tài)安全系數(shù) fs，見表 1。 選取靜態(tài)系數(shù) fs 為 1.25 (3)初步確定選用何種類型的回轉齒輪，并根據(jù)其計算 Fa和 M。 Fa=fsFa=1.2517204.4N =21505.5N M=fsM=1.25241202.17Nm =301502.5Nm 初步確定使用 13-三排滾柱式回轉齒輪。 艦船液壓跳板裝置設計 9 (4)在曲線表中查找能滿足要求的回轉齒輪型號，在曲線圖中標出 Fa和 M的坐標點。 找到型號為 131.50.3150 回轉齒輪能滿足要求。 (5)經(jīng)過核對，F(xiàn)a和 M在靜態(tài)承載曲線和螺栓極限曲線的下方。 (6)完成回轉齒輪初步選型。 圖3.3 回轉齒輪 圖 3.4 回轉齒輪二維圖 支架的下端與基架上端用法蘭方式聯(lián)接。 3.3.3 登船梯的設計 無錫太湖學院學士學位論文 10 登船梯主要由跳板梯部分、回轉支架和回轉部分三大部份組成，材料為鋼材。登船 梯的回轉支架下端與回轉部通過螺栓連接，回轉部分再與基架艦體連接（通過法蘭連接） 。 跳板部分一端上部通過油缸與回轉支架的支撐聯(lián)接用于登船梯的上下升降之用，下部與 支架連接。回轉部分主要由液壓馬達、一對齒輪等組成，液壓馬達帶動小齒輪圍繞大齒 輪轉動以實現(xiàn)回轉運動。 登船梯的主要設計參數(shù)： (1)跳板部分長約 9.6m，寬約 1.2m； (2)最大上翹角度+30； (3)最大下傾角度30； (4)登船梯內(nèi)側凈寬 1m； (5)登船梯跳板部分高度約為 0.2m； (6)具體見設計圖紙。 3.3.4 油缸的設計 油缸位于在固定登船梯的兩側與回轉支架上的支撐相連，主要用于登船梯的上升和 下降。油缸的設計依據(jù)登船梯的載荷及其油路壓力而確定，本項在詳細設計之后再給出 具體規(guī)格。 在液壓油缸中使用液壓傳動系統(tǒng)，那么液壓傳動與機械傳動、電氣傳動相比，有何 有缺點呢？ (1)在相同的功率工作的機械的重量指標上，采用液壓傳動要比采用機械傳動的輕三 分之一，在外形尺寸上也減小了近三分之一，最好的例子就是起重機了，起重機都是用 液壓傳動的，這樣可以保證起重機自身重量輕，機身又可以小一些 。7 (2)實際工作時液壓傳動容易實現(xiàn)往返運動，直接推動工作機構。這里可以看看液壓 千斤頂?shù)?，外力施加給液壓油，液壓油指直接推動液壓活動件向上頂。通過液壓閥門控 制施壓和放壓。 (3)易于實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的安全保護。液壓傳動比機械傳動操控起來更簡單而且省力， 可提高液壓機械的勞動生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量。 (4)液壓傳動不需逐級調(diào)速，調(diào)速通用范圍比較大，可在較大的范圍內(nèi)實現(xiàn)無極變速， 工作平穩(wěn)性比較好，易實現(xiàn)過載保護。 (5)液壓元件容易實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，便于組織專業(yè)化大批量生產(chǎn)，有利 于提高生產(chǎn)效率進而提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本。 (6)液壓傳動中的的液壓油本身是可以當做潤滑油，降溫劑的，這樣可以延長液壓元 件的使用壽命，減輕液壓傳動設備的維護和保養(yǎng)的力度。 3.3.5 確定執(zhí)行元件的設計 執(zhí)行元件設計中應注意的問題 (1)本套液壓系統(tǒng)選擇液壓油缸作為執(zhí)行元件，油缸設計的主要參數(shù)包括油缸內(nèi)徑、 活塞桿直徑、行程。油缸設計時應注意以下幾個問題： 在保證所獲得的速度和推力下，應盡可能使液壓缸的各部分結構按有關標準來設 計，盡量做到液壓缸的結構緊湊，加工，裝配和維修方便。 艦船液壓跳板裝置設計 11 盡量使活塞桿在承受最大負載時處于受拉狀態(tài)，若受壓應具有良好的縱向穩(wěn)定性， 長行程的活塞桿伸出時，還應加輔助支撐，避免活塞桿下垂。 液壓缸熱脹冷縮時應不受阻礙，所以液壓缸在安裝，固定時，液壓缸只能一端 定位。 根據(jù)液壓缸具體工作條件，考慮是否有緩沖，排氣和防塵裝置。 (2)油缸設計過程及校核計算 登船梯運動過程主要有兩個動作過程即登船梯升降和左右回轉，分別用兩個油缸和 液壓馬達作為執(zhí)行元件。由于工作環(huán)境比較復雜，考慮到風浪帶來的影響等，所以油缸 的承受能力需要分析和校核。 油缸主要幾何尺寸的計算 根據(jù)要求，壓緊油缸壓緊時最大壓緊力為12噸的力，現(xiàn)進行計算確定執(zhí)行元件油缸 的主要參數(shù)：油缸內(nèi)徑D、活塞桿直徑d、最大行程 S。 A.油缸內(nèi)徑計算如下： 計算公式： （31）23.570FDP 式中 D液壓缸內(nèi)徑（m） F液壓缸推力（KN） P選定工作壓力 （MPa ） 其中，液壓缸推力已知，為 1.2 N。下面選取工作壓力：510 液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件是液壓缸時，其工作壓力可以根據(jù)最大負載或者是根據(jù)主機類型進 行選擇。下面采用后一種原則選取執(zhí)行元件的工作壓力。下表是不同類型的主機所需執(zhí) 行元件的工作壓力： 表3-1 按主機類型不同選擇液壓執(zhí)行元件的工作壓力 設備類型 機床 農(nóng)業(yè)機械、汽車工 業(yè)、小型工程機械 及輔助機構 工程機械、重型機 械、鍛壓設備等 船用系統(tǒng) 工作壓力/Mpa 8p 所以該活塞桿不會失穩(wěn)。 因此選用 125x55x140 的油缸兩個 3.3.6主回轉液壓馬達的選擇計算 驅(qū)動整個裝置做全回轉運動的扭矩的計算： 思想：根據(jù)理論力學公式：M=J 。 由于整個裝置繞基架中心軸做回轉運動，所以 J 為整個裝置對基架中心軸的轉動慣量。 根據(jù)要求，回轉速度為 0.120.16 轉/分 現(xiàn)在取回轉速度為 0.15 轉/分，即 54/分，所以角速度 =0.9 /s=0.9 /180=0.0157rad/s（3-11） 假設整個裝置從零開始加速加速至 0.0157rad/s 需要 2 秒時間 （3-12）2/0.157/2=.08rad/st則 角 加 速 度 = 現(xiàn)在的難題是計算整個裝置對基架中心軸的轉動慣量，由于本裝置各個部分都是不 規(guī)則形狀，所以無法利用常規(guī)算法計算出轉動慣量，所以利用 catia 軟件進行輔助分析： 取基架的回轉軸為 Y 軸 利用 CATIA 分析和計算可知各部分的轉動慣量總和 因此，M=J =7736853.7970.00785=61894.83Nm 根據(jù)以上要求及相關資料參考，確定主回轉液壓馬達主要參數(shù)如下： 主回轉液壓馬達型號 NHM2，排量 0.2L/轉，額定工作壓力 12MPa，扭矩 M。轉速 2.5 轉/分（再需經(jīng)齒輪及大齒圈減速驅(qū)動登船梯，速比按 1：9） ，主回N302 轉液壓馬達流量 L/MIN。L12 回轉由兩臺油馬達完成，保持回轉的平穩(wěn)性,停止時保持位置鎖住。馬達應能完成正 轉、反轉和任意位置停止及由外力作用而自由正反轉。由比例閥控制，在啟動停止時應 盡量減少振動。 艦船液壓跳板裝置設計 21 4液壓系統(tǒng)的設計及其校核 液壓系統(tǒng)是登船梯的心臟，液壓系統(tǒng)設計的先進性、合理性是測試技術先進性的重 要標志，也是實驗結果的穩(wěn)定性、可靠性、精確性的關鍵。 4.1液壓系統(tǒng)的組成 (1) 能源裝置 它是將輸入的機械能轉換為油液的壓力能(壓力和流量)輸出的能量轉換裝置，一般 最常見的形式是液壓泵。 (2) 執(zhí)行元件 它是將油液的壓力能轉換成直線式或回轉式機械能輸出的能量轉換裝置，一般做直 線運動是液壓缸，做回轉運動的是液壓馬達。 (3) 調(diào)節(jié)控制元件 它是控制液壓系統(tǒng)中油液的流量、壓力和流動方向的裝置，包括方向控制閥、壓力 控制閥、流量控制閥、比例閥和邏輯閥。這些元件是保證系統(tǒng)正常工作不可缺少的組成 部分。 (4) 輔助元件 是除上述三項以外的其它裝置，如油箱、濾油器、油管等，這些元件對保證液壓系 統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定持久的工作，有重大作用 。15 4.2液壓系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點 4.2.1 液壓傳動的優(yōu)點 與機械傳動和電力拖動系統(tǒng)比較，液壓系統(tǒng)具有以下優(yōu)點 ：8 (1)液壓元件的布置不受嚴格的空間位置限制，系統(tǒng)中各部分用管道連接，布局安裝 有很大的靈活性，能構成其他方法難以組成的復雜系統(tǒng)。 (2)可以在運行過程中實現(xiàn)大范圍的無級調(diào)速，且調(diào)速范圍大。 (3)液壓傳動和液氣聯(lián)動傳遞運動均勻平穩(wěn)，易于實現(xiàn)快速啟動，制動和頻繁的換向。 (4)操作控制方便，省力，易于實現(xiàn)自動控制，中遠程距離控制，過載保護。與電氣 控制，電子控制相結合，易于實現(xiàn)自動工作循環(huán)和自動過載保護。 (5)液壓元件屬于機械工業(yè)基礎件。其標準化，系列化和通用化程度都較高，這樣有 利于縮短機器的設計，制造周期和降低制造成本。 (6)除此之外，液壓傳動突出的優(yōu)點還有單位質(zhì)量輸出功率大，因為液壓傳動的動力 元件可采用很高的壓力，因此，在同等輸出功率下具有體積小，質(zhì)量小，運動慣性小， 動態(tài)性能良好的特點。 4.2.2 液壓傳動的缺點 (1)在傳動過程中，能量需經(jīng)兩次轉換，傳動效率偏低。 (2)由于傳動介質(zhì)的可壓縮性和泄漏等因素的影響，不能嚴格保證定比傳動。 無錫太湖學院學士學位論文 22 (3)液壓傳動性能對溫度比較敏感，不能在高溫下工作，采用石油基液壓油作傳動介 質(zhì)時還需要注意防火問題。 (4)液壓元件制造精度高，系統(tǒng)工作過程中發(fā)生故障不易診斷。 總的來說，液壓傳動的優(yōu)點是主要的，其缺點將隨著科學技術的發(fā)展不斷得到克服。 本機器的傳動主要采用了液壓傳動，并實現(xiàn)電控自動化控制。 4.3 液壓系統(tǒng)設計 4.3.1 概述及液壓系統(tǒng)方案設計 概述： (1)本液壓系統(tǒng)是為軍艦全回轉式登船梯裝置機設計、制造的專用液壓傳動設備。該 系統(tǒng)精選了國內(nèi)外優(yōu)質(zhì)液壓元、附件。液壓回路采用了集成油路塊式結構，液壓系統(tǒng)總 體結構先進、合理、可靠、易于維修。符合 GB3766-87液壓系統(tǒng)通用技術條件中的各 項技術要求 。5 (2)本液壓系統(tǒng)由于采用了封閉式油箱結構，所以允許在粉塵大的惡劣環(huán)境下工作， 但使用時應注意經(jīng)常清掃液壓設備上的粉塵，以保證液壓系統(tǒng)具有良好的散熱性。 (3)本液壓系統(tǒng)在結構上具有以下特征： 所有液壓閥控制回路均采用了集成油路塊式結構，使本系統(tǒng)具有泄漏少，另外去除 了一般常用的泵站房和操控室，使結構緊湊、簡單，便于維修的特點。 (4)本液壓系統(tǒng)在工作原理上具有以下特征（參閱液壓系統(tǒng)原理圖）：具有吸油濾油 器，使本系統(tǒng)工作介質(zhì)的清潔度得到有效的保證，降低系統(tǒng)的故障率,延長系統(tǒng)各元、附 件的使用壽命。 確定油液的循環(huán)方式 表 4-1 開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)的比較 油液循環(huán)方式 開式 閉式 散熱條件 較方便 較復雜，須用輔泵換油冷卻 抗污染性 較差，但可采用壓力油箱來改善 較好，但油液過濾要求較高 限速、制動形式 用平衡閥進行能耗限速，用制動 閥進行能耗制動，引起油液發(fā)熱 液壓泵由電動機拖動時，限速及 制動過程中拖動電機能向電網(wǎng)輸 電，回收部分能量 其他 對泵的自吸性能要求高 對主泵的自吸性能要求低 根據(jù)上圖所示，本液壓系統(tǒng)采用開式循環(huán)方式，因為執(zhí)行元件有多個。 確定油路的組合方式 本系統(tǒng)中采用并聯(lián)方式。 調(diào)速方案的分析與選擇 艦船液壓跳板裝置設計 23 表 4-2 三種調(diào)速回路主要性能比較 名稱 速度剛度 承載能力 調(diào)速范圍 效率 發(fā)熱 成本 1.節(jié)流調(diào)速回路 差 好 大 低 大 低 2.容積調(diào)速回路 較好 較好 較大 最好 最小 高 3.容積節(jié)流調(diào)速回路 好 好 大 較高 較小 最高 根據(jù)上述表格內(nèi)容所示，本液壓系統(tǒng)采用節(jié)流調(diào)速回路。 A.調(diào)壓平衡回路 圖 4.1 調(diào)壓平衡回路 B.進、回油單向節(jié)流調(diào)速回路 無錫太湖學院學士學位論文 24 圖 4.2 進、回油節(jié)流調(diào)速回路 C.平衡回路 圖 4.3 平衡回路 4.3.2液壓能源裝置設計 根據(jù)工作壓力 12MPa 和馬達排量 2 L/MIN 以及油缸排量 2L/MIN 需要查手冊選擇1 油泵：EGP-A5, 流量 5L/MIN, 工作壓力 12MPa，最大壓力 16 MPa。同時可以查出油泵 驅(qū)動電機：型號：Y100L1-4 ,2.2KW ，轉速：1400r/min。 4.3.3液壓閥的選擇 液壓閥是控制或調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中壓力、流量和方向的。液壓閥性能的優(yōu)劣，工作是 否可靠對整個液壓系統(tǒng)能否正常工作將產(chǎn)生直接影響。液壓閥根據(jù)用途可分為方向控制 閥、流量控制閥和壓力控制閥。這三類閥可以互相組合成為復合閥，以減少管路連接， 使結構更為緊湊，提高系統(tǒng)效率。對液壓閥的共同要求是： (1)動作靈敏、性能好，工作可靠且沖擊震動小; (2)油液通過閥時，液壓損失要小; 艦船液壓跳板裝置設計 25 (3)密封性能好; (4)結構簡單緊湊體積小，安裝調(diào)試維護保養(yǎng)方便，成本低廉，通用性強，壽命長。 選擇液壓閥時，要考慮的因素主要是流量和壓力 。12 在本套液壓系統(tǒng)中，用到的液壓閥有單向閥，電磁換向閥，電液換向閥，溢流閥， 單向節(jié)流閥，液動換向閥，高壓截止閥，比例換向閥，液控單向閥，電磁溢流閥等 。10 (1)普通單向閥亦稱止回閥，其作用是油流從一個方向通過它，反向則不通。主要應 用于以下兩個方面： 將單向閥安置在液壓泵的出口處，可以防止系統(tǒng)壓力突然升高而損壞液壓泵。 將單向閥安置在回由路上，可以作備壓閥用。 (2)電磁換向閥，它是借助電磁鐵的吸力推動悶芯動作進行換向的，電磁換向閥受到 磁鐵吸力太小的限制，其流最一般在 63L/min 以下，故對于流量要求較大、行程較長、移 動閥芯阻力較大或要求換向時間能夠調(diào)節(jié)的場合，宜采用液動或電液式換向閥。 (3)溢流閥的作用是在溢流的同時定閥的入口壓力，并將該壓力穩(wěn)定為常值，簡稱為 定壓、穩(wěn)壓。先導式溢流閥由先導閥和主閥兩部分組成，其先導閥部分的結構尺寸一般 都很小，調(diào)壓彈簧不必很強，工作壓力和流量的提高對調(diào)壓彈簧的影響不大，故先導式 溢流閥適用高壓大流量系統(tǒng)。 (4)節(jié)流閥的主要作用是通過調(diào)節(jié)節(jié)流口過流斷面積的大小，達到調(diào)節(jié)流量的目的。 節(jié)流閥的流量不僅受其過流斷面的影響，也手其前后壓差的影響。在液壓系統(tǒng)工作時， 因外界負載的變化將引起節(jié)流閥前后壓差的變化，所以負載變化將直接影響節(jié)流閥即系 統(tǒng)速度的穩(wěn)定性。節(jié)流閥的主要作用是在定量泵的液壓系統(tǒng)中與溢流閥配合，組成節(jié)流 調(diào)速回路。 (5)用比例電磁鐵取代電磁換向閥中的普通電磁鐵，便構成直動式比例換向閥。由于 使用了比例電磁鐵，閥芯不僅可以換位，而且換位的行程可以連續(xù)地或按比例地變化， 因而連通油口間的流通面積也可以連續(xù)地或按比例地變化，所以比例換向閥不僅可以控 制執(zhí)行元件的運動方向，還可控制其速度。 (6)電磁溢流閥是先導型溢流閥與常閉型二位二通電磁閥的組合。電磁閥的兩個油口 分別與主閥上腔( 導閥前腔)及主閥溢流口相連。當電磁鐵斷電時，電磁閥兩油口斷開，對 溢流閥沒有影響。當電磁鐵通電換向時，通過電磁閥將主閥上腔與主閥回油口相連通， 溢流閥溢流口全開，導致溢流閥進口卸壓(壓力為零)，這種狀態(tài)稱之為卸荷。 電磁溢流閥除應具有溢流閥的基本性能外，還要滿足一下要求： 建壓時間短； 具有通電卸荷或斷電卸荷功能； 卸荷時間短且無液壓沖擊。 (7)壓力表 壓力表也是鍋爐上必不可少的安全附件，它的作用是用來測量和指示鍋筒內(nèi)壓力的 大小。鍋爐上如果沒有壓力表 , 或 者壓力表失靈 , 鍋爐內(nèi)的壓力就無法表示 , 從而 直接危及安全。鍋爐上裝置靈敏、準確的壓力表 , 司爐人員就能憑此正 確的操作鍋爐 , 確保安全、經(jīng)濟的運行。 無錫太湖學院學士學位論文 26 (8)手搖泵 手搖油泵是提油泵中最普通的一種，因為他是手動，操作起來比較方便。手使力帶 動齒輪，適用于輸送各種油類，如重油、柴油、潤滑油，配用銅齒輪可輸送內(nèi)點低液體， 如汽油、苯等，同時可以適用于含硬質(zhì)顆?；蚶w維的，適用于各種黏度，具良好的自吸 性。 4.3.4液壓輔助元件的設計與選擇 (1)油管 在液壓系統(tǒng)中,常用的油管有鋼管,銅管,尼龍管,橡膠管和塑料管等。 無縫鋼管能承受 高壓,價格低廉,但是裝配時彎曲困難,通常用于高壓系統(tǒng)中。銅管不易生銹,易于彎曲,但價 格昂貴,耐壓較低,抗震能力差,用于壓力小于 10Mpa 的系統(tǒng)中裝配不便之處。橡膠管常用 于執(zhí)行元件同油管一起運動的場合和很難裝配的地方; 但是價格高且又容易老化。低壓膠 管是以麻線或棉織品為骨架;高壓膠管以鋼絲編織品或鋼絲纏繞體為骨架 ,按承受壓力不同 分別有一層,二層或三層鋼絲骨架。尼龍管加熱后可以隨意彎曲成型,擴口,冷卻后保持形狀 不變,視材質(zhì)不同,承受壓力為 0.5-8Mpa。目前僅用于低壓系統(tǒng)。塑料管可隨意彎曲,也可與 液壓元件一起運動,裝配容易。維修方便,價格便宜,但是耐壓低,易老化,僅適合低壓系統(tǒng)。 由于此統(tǒng)要求可靠性及壓力較高,故采用鋼管油管。 (2)管接頭 管接頭是連接液壓元件與管道或管道之間的可拆式元件。常用管接頭有卡套式，擴 口式和焊接式，還有軟管接頭和快速接頭等。管接頭按路數(shù)又分直通，直角通，三通， 四通等。本設計要求連接可靠，拆裝方便，密封性好。 (3)濾油器 工作介質(zhì)污染是液壓系統(tǒng)產(chǎn)生故障的主要因素?；煸诠ぷ鹘橘|(zhì)中的顆粒污染物，加 速液壓元件的磨損，堵塞接流小孔，甚至使液壓滑閥卡死。有統(tǒng)計資料表明，液壓系統(tǒng) 的故障有 75%以上是由于油液污染造成的。過濾是控制污染的最有效的方法之一，過濾 就是從油液中分離非溶性固體微粒的過程。在液壓系統(tǒng)中一般采用濾油器進行過濾。濾 油器按濾芯的過濾機理可分為：表面型濾油器，深度型濾油器和磁性濾油器。表面濾油 器，過濾是有由一個多孔的面實現(xiàn)的。具有均勻標定小孔的濾芯，能將大于小孔的圓形 雜質(zhì)顆粒截流在濾芯的一側。由于污染粒子積聚在濾芯表面，小孔易于堵塞。該類型濾 油器有網(wǎng)式，線隙式和片式等。網(wǎng)式濾油器是將銅絲網(wǎng)包在周圍開有窗孔的塑料或金屬 筒形骨架上，多為無殼體結構，安裝在液壓泵吸油口。結構簡單，清洗方便，通油能力 大，但過濾精度低隙式濾油器，濾芯是用銅線或鋁線密繞在筒形芯架上，利用線間縫隙 進行過濾。過濾精度為 30-100m。該濾油器結構簡單，通油能力大，濾芯材料強度低， 不易清洗，常用于低壓系統(tǒng)或泵吸油口。度型濾油器深度型濾油器的濾芯為多孔可透性 材料。內(nèi)部有曲折迂回的通道，雜質(zhì)粒子不但可被攔截在表面，而且在材料內(nèi)部也逐步 吸附，攔截。這種濾油器過濾效果好，清洗困難，有不銹鋼燒結纖維氈，燒結金屬和陶 瓷，紙類和纖維氈類等。紙芯濾油器，采用酚醛樹脂或木漿微孔濾紙作濾芯。為增大過 濾面積，紙芯常制成折疊式。它的過濾精度為 5-30m ，制造簡單，強度高，耐沖擊，抗 腐蝕。金屬顆粒有時脫落，堵塞后不易清洗。金屬纖維燒結氈是由長 15-20mm，絲徑為 艦船液壓跳板裝置設計 27 4-30 m，強度好，耐腐蝕，抗沖擊。 目前被世界各國廣泛運用。磁性濾油器：磁性濾油器是采用永磁材料，將油液中的 磁性雜質(zhì)微粒不斷吸附到上面。它常用于其他形式的濾芯一起制成復合式濾油器，對加 工鋼鐵件的機床壓系統(tǒng)特別適用。濾油器的主要參數(shù)有過濾精度，壓力損失，額定流量 和額定壓力。一般按系統(tǒng)的類型與壓力選擇。本設計進口采用網(wǎng)式濾油器,型號 WU- 160X180-J。密封圈，防塵圈等根據(jù)配套元件選用 。16 (4)液壓油的選擇及使用 液壓介質(zhì)的選擇原則： 液壓系統(tǒng)所處的環(huán)境 即液壓是在室內(nèi)或戶外作業(yè)，還是寒區(qū)或溫暖的地帶工 作，周圍有無明火或高溫熱源，對防火安全，保持環(huán)境清潔，防止污染等有無特殊要求。 液壓系統(tǒng)的工況 如液壓泵的類型，系統(tǒng)的工作溫度和工作壓力，設備結構或 動作的精密程度，系統(tǒng)的運轉時間，工作特點，元件使用的金屬，密封件和涂料的性質(zhì) 等 液壓工作介質(zhì)方面 如質(zhì)量，理化指標，性能，使用特點，適用范圍，以及對 系統(tǒng)和元件材料的相容性。 經(jīng)濟性 考慮液壓工作介質(zhì)的價格，更換周期，維護使用是否方便，對設備壽 命的影響等。 現(xiàn)查相關手冊選用 YA-N32 號液壓油，環(huán)境溫度低于 5-10時采用 YA-N15 號液 壓油；環(huán)境溫度高于 30-35時采用 YA-N46 號液壓油。還有液壓油應保持清潔，無污 物，無水分，應定期進行檢查和更換。新機的液壓油在使用半年后要更換，同時清洗油 箱，管道及