毕业论文-船舶起货机结构与控制系统设计

定制全套设计，选择圆梦设计 毕业设计（论文） 船舶起货机结构与控制系统设计 专 业 船舶与海洋工程 学 号 学 生 指 导 教 师 答 辩 日 期 2016 年 6 月 23 日 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） I 摘 要 船舶起货机又称为船吊，是在船上执行作业任务的特殊起货机。具有安装空 间小，起升质量大，传动效率高，动作速度快，可靠性高等特点。因此在各种舰 船中被广泛应用，近年来，随着对海洋的深入开发，得到了得到各国军用、民用 海洋工程的普遍关注。 本文在充分调研了国内外船舶起货机研究与实际应用的前提下，对船用起货设备吊装技术的特点和发展趋势做了深入的了解和分析，提出了本船舶起货机的总体设计方案，并完成了本起货机主要部件的结构设计和液压控制系统的设计。利用 三维软件建立了船舶起货机的三维模型，实现了设计图纸的实体化、可视化，缩短了设计周期，提高了工作效率。本文基于有限元理论，利用有限元分析软件 船舶起货机的关键部件（第二节吊臂）进行了分析计算，验证了吊臂设计的合理性和可靠性。较为准确计算出零部件刚度和强度，有效的避免了应用传统 设计时采用较大的安全系数所导致结构笨重的问题。 本文所设计的船舶起货机，是针对用户所提出的要求，单独进行的设计与制造。虽然是非标准设计，但是，本文所设计的船吊在满足用户所要求的特殊工况外，仍能进行一般性吊装作业，具有很强的通用性。 关键词 ：船舶起货机；结构设计；控制系统；有限元分析 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） as is on a a in a of in of in In of of of of to do an of e of of of E to of to on of of s I is to of of of a is of it is to by a s 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 录 摘 要 . I . 1 章 绪 论 . 5 题背景及研究的目的和意义 . 5 题背景 . 5 究的目的和意义 . 5 内外研究现状及分析 . 5 外现状及分析 . 6 内现状及分析 . 6 舶起货机概况 . 7 要工作内容 . 9 第 2 章 船舶起货机总体设计 . 10 舶起货机技术参数 . 10 舶起货机总体结构设计 . 12 舶起货机的运动参数 . 13 舶起货机的外载荷计算 . 14 章小结 . 19 第 3 章 船舶起货机三维设计与液压控制系统 设计 . 20 于 的三维建模 . 20 软件简介 . 20 缩臂式船舶起货机实体模型的建立 . 20 要 零部件建模 . 21 准件提取 . 23 体模型建模 . 24 压控制系统原理图与执行 元件计算 . 24 压系统原理图 . 24 缩液压缸的设计计算 . 25 幅油缸的设 计计算 . 31 章小结 . 32 第 4 章 船舶起货机伸缩臂的有限元分析 . 33 限元法概述 . 33 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 于 . 33 . 33 何模型的导入 . 34 格划分与加载 . 35 解与后处理 . 36 章小结 . 37 结论 . 38 参考文献 . 39 致 谢 . 41 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 5 第 1 章 绪 论 题背景及研究的目的和意义 题背景 近年来，伴随着世界经济一体化脚步的不断加快，世界造船业也在迅猛发展，船舶起货机市场也在持续升温 1。船舶起货机俗称克令吊。是船舶必备的自装卸配套设备，具有便捷、灵活、适应性广等诸多优点，其应用越来越广，所起到作用也越来越大。因此在国内外有着广泛的市场，船舶起货机的研制，具有较高的经济效益。 此外，随着我国与世界各国的经济贸易的不断增多。国家对外的进出口额正在逐年增加，其中占外贸运输总量 70%的外贸海运量，正以每年 8%的幅度不断增加 2。因此船用设备的需求量也在大幅度增加。进入 21 世纪后，我国将实施“船舶科技跨越工程制造推进计划”，船舶起货机作为非常重要的船舶配套设施，对该计划的顺利推进有着举足轻重的意义 3。因此，船舶起货机设计方法的好坏，对于提高我国造船业的国际竞争力具有非常重要的作用。 现代远洋航运对船舶的配套设备要求越来越高。由于起货机是重要的甲板设备，因此对其功能的要求也越来越高，不但要能完成普通的作业要求，同时还要具有一些特定功能对于内河船上的起货机，首要的要求就是要塔身低，这是由于沿河的桥梁所致 4。现代船舶的快速发展，对起货机的要求也越来越高，但随着计算机技术的发 展，在设计过程中各种专业计算机辅助系统的大量运用，使得设计工作变得更加优化便捷。 究的目的和意义 船舶载运货物的装卸虽可用港口的起货设备来进行，但并非所有港口都具有足够的吊货机械，同时也需考虑船舶在开阔水面过驳及吊运物料、备件等需要，为了缩短船舶营运周期、降低运输成本、增加港口的吞吐量、提高装卸效率，大多数一般用途的运输船舶，特别是运送成箱、扎捆、袋装等件状货物的干货船，都需要在船上装设起货设备 5。起货机的可靠性和工作效率对缩短港泊时间、加快航运周期、降低运输成本都具有重要意义。 内外研究现状及分析 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 6 外现状及分析 目前，国外致力于船舶起货机研究与制造的公司和企业很多，其中具有代表性的主要有瑞典的赫格隆，法国的 本的 及德国的 ，他们的产品都是世界船舶起货机中最具代表性的。 日本有很多知名的船用机械配套生产商，早在 20 实际 90 年代初，三菱公司设计并制造出了 的船舶起货机，该设备由电液系统作为驱动力，其工作半径达 22 米，主要从事木材和海盐等货物的转载工作。该起货机现在装配在名为“ 船上 6。 挪威 司在 2007 秋天收购了 货机公司后，其船舶起货机业务得到了快速发展。 2009 年上半年，该公司在亚洲市场上连续获得订单，分别为中国浙江造船有限公司、新加坡以斯拉公司建造的海洋工程船提供 货机。为浙江造船有限公司出口挪威的两艘安装、维护、检修船提供 舶起货机。为新加坡以斯拉公司提供两台具有波浪补偿功能的 20 吨 货机 7。 美国海军有专门的特种起货机辅助舰船，用于海上保障，救援等作战任务。这些辅助舰船大部分有集装箱船改装而来。前不久，美国军方演示了一种用于舰船航行中实现 货物转载时对起货机摇摆控制系统，并收到很好的效果 8。 另外俄海军也有多台专用船舶起货机，但由于维护与使用不当，其中的多台都需要退役或维修完善，仅剩几台较为完好的，但也已经很难满足俄海军需求。2000 年，俄罗斯议会要求尽快追加拨款，用于研究、生产和维修海军舰艇专用起货机库 9。 德国哈尔堡技术大学的 过对流体 结构相互作用引起的不断变化负载的研究，提出一个系统化的分析方法，该方法对停泊在码头上的起重船的动态响应分析提供了一个很好的研究方法。 内现状及分析 在国内，由于在港口建设和其他海运工作的需要，自二十世纪五十年代以来，我国已经建造了各式各样的中小型起重船，它们的起重量大多集中于 15 吨至 180吨。从二十世纪六十年代开始，随着我国对海上石油勘探事业给予更多的重视，海上石油开发的得到了较快的发展，由于海上石油平台主要是金属构件，在安装固定时，就需要相应的起重船只进行吊装。为此，专门设计制造了 500 吨固定式起重船和 200 吨全回转起重船。在当时，由于我国设计手段和方法相对落后， 200吨到 500 吨的起重船已 被视为大型起重船。到 20 世纪末，我国已经能够建造起重量在 1000 吨以上的起重船只。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 7 2009 年 2 月，武桥重工集团股份有限公司设计完成了国内额定起重量最大的船舶起货机。该起货机机为双臂架变幅式起货机，额定起重量 2400 吨，吊臂长达 125 米，宽 。该起货机能在相当恶劣的海况下作业。在当年，所有设计图纸已经通过中国船级社（ 审核 10。 2010 年 12 月，同样也是该公司为中铁大桥局集团公司打造的“大桥海宇”号 1000 吨单臂变幅式船舶起货机，在某船厂试吊成功。随着该机的试吊成功，标志着我国内河用船舶起货机又上了一个新台阶。该起货机是目前我国内河吊重能力最强的变幅式船舶起货机，也是唯一满足内河 24米通航的最大吊高船舶起货机 11。 国内各大高校对船舶起货机的研究也取得了很多科研成果，其中较为有代表性的有：大连海事大学杨海军，运用虚拟样机技术，对液压船舶起货机的变幅、回转液压系统的机液联合动作进行了动力学仿真，同时运用 件对船舶起货机的变幅机构进行了优化分析，得到了液压缸铰接位置的最优解，使得平均变幅力最小，为 改进设计提供了强有力的理论依据 12。 哈尔滨工程大学的方晓旻，对船舶起货机的变幅、起吊、波浪补偿液压系统原理进行了分析研究后，根据船舶在不同海况下的运动规律，分析了波浪补偿装置对船舶起货机的影响。并在没有波浪的情况下建立了船吊的动力学模型，并对各个工况进行了仿真，得到了补给过程中船运动、起货机不同位置、吊绳长度等对货物的影响。为船舶起货机波浪补偿系统的设计提供了重要的分析数据，并最终使用 制技术完成了控制系统方案设计 13。 武汉理工大学的李秀敏做了基于 台的起货机总体结构设计系统的研究 ，她主要结合了产品实例建立了数学计算模型。运用 件对基柱，塔身和臂架系统进行了实体建模与有限元分析，利用 经网络的映射关系求解臂架的超静定结构的最优结果。利用 台开发了通用友好的用户界面，实现了设计计算过程的可视化 14。 舶起货机概况 本文的研究对象是船舶起货机，又称船用吊机，是英文 音译词。船舶起货机，是船上的一种大型甲板机械，液压克令吊是船舶上普遍使用的一种装卸货设备。按照不同的分类方式，船用吊可有多种分类。最主要的可按以下两种分类方式分类： 1、按照吊臂型式分 为：直臂、伸缩臂、折臂三种类型。 2、按照动力源分为：手动、电动、液压三种类型。另外，甲板起货机较为常用的有固定旋转起货机、移动旋转起货机和龙门起货机。下面就按吊臂型式不同的分类方式对船舶起货机进行简单的介绍。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 8 （ 1）直臂式船舶起货机 直臂式起货机是很长时间内主要的船用吊机，用于吨位较小的货物吊装，具有安装空间小，自重轻，起升质量大，整体式回转装置传动效率高，力矩大，作用速度快，可靠性高等特点。主要由底座，卷扬，回转平台，主吊臂，边幅油缸等部分组成，如图 1示。 1底座； 2回转转台； 3卷扬； 4主吊臂； 5变幅油缸； 图 1臂式船舶起货机 （ 2）伸缩臂式船舶起货机 本文的研究对象正是这种起货机，由于吊臂能够伸缩，平时将其他臂收回到基本臂内，节省安装空间；工作时将吊臂伸出，可获得较大工作行程，而且随着汽车吊的发展船用伸缩吊的技术也有了很大的提高。伸缩式船舶起货机由基本臂，伸缩臂，伸缩油缸，变幅油缸，转台，卷扬，吊钩等部分组成，如图 1示。 1底座； 2转台； 3卷扬； 4第二节臂； 5第一节臂； 6变幅油缸； 图 1伸缩式船舶起货机 （ 3）折臂式船舶起货机 此种船舶 起货机是占用空间最小的船吊，这种船吊在基本臂的基础上加装了折臂，增大了工作范围，由于折臂能完全折叠到基本臂之下，因此占用的安装空哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 9 间最小。虽然加装折叠臂增加了工作范围，但由于折臂油缸及系统压力的设定等问题，最终的起重量较小。成本较直臂式与伸缩臂式的也要高一些。图 1折臂吊的示意图，主要由底座，转台，基本臂，折叠臂，变幅油缸，折臂油缸等部分组成。 1底座； 2转台； 3变幅油缸； 4基本臂； 5折臂油缸； 6折叠臂； 图 1臂式船舶起货机 要工作内容 本课题以船舶起货机为研究对象，通过对船舶起货机的设计和学习，确定本课题对以下几个方面进行研究和探讨，具体工作内容如下： （ 1）调研、收集船舶起货机相关设计信息，了解国内外船舶起货机的发展现状，根据船舶起货机的特点提出整体设计方案。 （ 2）对船舶起货机进行功能分析，确定主参数及其范围，如尺寸参数、运动参数、动力参数和其他一些参数，完成进行结构设计，并对主要动力元件（伸缩液压缸、变幅液压缸）进行设计计算。 （ 3）对船舶起货机进行了三维实体设计，实现可视化设计。 （ 4）将船舶起货机的关键部件的三维实体模型导入到有 限元分析软件 进行了强度计算，验证了设计的可靠性。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 10 第 2 章 船舶起货机总体设计 舶起货机技术参数 船舶起货机的技术参数，与其他产品的技术参数一样，是新产品设计最主要，最基本依据。是最能体现产品工作能力的关键数据。起货机的主要技术参数有：起重量、跨度（桥式型起货机）、起升高度、变幅（臂架型起货机）、机构工作速度等。臂架型起货机的主要技术参数还包括起重力矩。对于轮胎、汽车、履带、铁路等起货机，爬坡和最小弯矩（曲率）半径也是主要技术参数 17。 对于本文所研究的对象来说，是属于臂架型的船舶起货机，因此主要的技术参数与路用起货机稍有不同，它主要包括以下几项：起重量、起升高度、起重力矩、工作速度、幅度等。 （ 1）起重量 通常说的起重量是额定起重量的简称。它是指起重设备工作时一次所能起吊最重物品的质量，单位一般为 t（吨）。对于固定臂架式起货机的起重量是固定不变的，本文研究的是伸缩臂式起货机，起重量是随吊臂伸长量的改变而改变的，在不同的吊臂伸长量下就可得到不同的起重量。当有多个起重量时，同样，规定最大起重量为额定起重量。起重量的计算不包括吊装时辅助起重设 备（如吊钩，钢丝绳，抓斗等）的重量 18。对于本文所研究的对象来说，依照国家制定的标准与船东的要求，选定额定起重量为 10 吨。 （ 2）起升高度 本文的起升高度包括两段，一段为当吊臂变幅，吊钩起升到最高位置时，吊钩到甲板的铅垂距离；这就是说第一段起升高度是随着臂架的不同长度，变幅角度的不同而能得到与之相应的不同的起升高度的。第二段为下方深度，是指从甲板到吊钩所能下放到的最低位置的垂直距离。总的起升高度 H 可表示为甲板之上的起升高度 甲板以下的下放深度 H=ht+位为 m（米）。起升高度如图 2示： 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 11 图 2升高度示意图 （ 3）起重力矩 通常所说的起重力矩即为额定起重力矩。额定起重量（ Q）与在该起重量下相对应工作幅度（ R）的乘积即为额定起力矩，即 M=重力矩一般用 t*m 为单位。由于臂架类起货机的额定起重量是随臂架长度的变而变化的，因此起升力矩是能够最全面准确反应伸缩臂架式起货机工作能力的。有些基于作业要求的特殊起货机，如铁路救援起货机，最大起重力矩产生于某一中间幅度与此幅度相对应的额定起重量。额定起重量为定值，与幅度无关的起货机，在最大幅度起吊额定起重量物品时产生最大起重力 矩。 （ 4）工作速度 也称为运行速度，根据不同用途、结构的起货机，不同机构有不同的工作速度表征量。对于本文研究对象来说，主要的工作速度有变幅油缸伸缩的变幅速度（ m/吊钩运行时的起升速度（ m/下降速度（ m/回转支撑工作时的回转速度（ r/。 （ 5）幅度 也称为有效幅度，它是指回转臂架式变幅类起货机，当设备处于水平位置时，取物装置（如吊钩，抓斗等）的中心铅垂线到上车回转机构（如回转支撑）的垂直中心线之间的水平距离。通常用符号 R 表示。单位为米 (m)。在设计时，要根据具体作业工 况与要求确定起货机幅度最大值 最小值 文研究对象中对幅度有具体的设计要求，其最大值与最小值都已经给定。以上技术参数详见表2 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 12 表 20 吨船舶起货机主要技术参数 技术参数 参数值 基本臂额定起重力矩（ 起升高度（ m） 基本臂起升高度（至甲板）（ m） 全伸臂起升高度（至甲板）（ m） 下降深度（ m） 幅度（ m） 最小额定幅度 (m) 额定起重量（ t） 公称起升速度（ m/ 工作速度 公称变幅时间（起幅 /落幅） (s) 公称回转速度 (r/36 9 0 8 78/45 舶起货机总体结构设计 结构设计在机械设计中是一个十分重要的组成部分，在很大程度可以说结构设计是组成机械设计的核心和主体部分。主要是因为： （ 1）产品设计是否成功在于它的使用性能能否满足使用者的要求，而产品的性能可以通过产品的结构直接体现出来。产品的结构是其性能的物质基础。没有正确的结构设计，就不能得到具有符合性能要求的产品。 （ 2）机械产品生产面对的是产品结构，加工机械产品就是要生产出具有合格机构（如形状、尺寸、精度、表面粗超度、材料、硬度等）的产品。 （ 3）机械设计的结果表现为其结构，计算、实验和分析是为了提高机构设计的质量而采用的，都可以看作是为了提高结构设计的质量而采用的，都可以看作是提高结构设计质量的手段。 （ 4）在机械设计中，结构设计实际上贯穿机械设计的整个过程，所花费的时间常需占据最大的部分，在许多情况下，它能直接决定设计的成败。 （ 5）虽然结构设计是在总体方案确定以后进行的，但是确定总体方案时往往不得不考虑结构设计 的一些重要问题，如主要零件的制造工艺，大型零件的加工和运输是否能够解决等，作为有关方案是否能够成立的一个重要条件。 对于本文所研究的对象来说，该船舶起货机的结构部分主要由立柱，吊臂，转台，卷扬，伸缩油缸与变幅油缸几个主要的结构部分组成。其中吊臂采用伸缩式结构，分为一节臂与二节臂。总体布置如图 2示。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 13 1立柱； 2转台； 3变幅油缸； 4一节臂 ； 5二节臂； 图 2货机总体布置图 本起货机靠立柱支撑整个起货机的重量，立柱直接焊接在甲板上，由于加装的立柱较高，使得吊机不工作时也不会与其他甲 板设备干涉。工作时先通过卷扬机构将吊钩落下，将所吊物体挂靠在吊钩上，若吊件在基本幅度之外时，需通过伸缩油缸将二节臂伸出。总之，吊装时，吊件要在吊机的工作幅度内。随后通过卷扬机构或变幅油缸起升，将吊件吊起，通过转台底下的回转支撑实现 360 度全回转，通过变油缸及二节臂的伸缩实现工作幅度的改变，将吊件顺利放置在要求位置。 舶起货机的运动参数 运动参数是指机构的某些重要的运动数据，这些数据是能直接影响到机械系统工作性能的，通常是反映在执行机构的运动上。通常情况下，起货机的设计先事先根据设计经验与设计要求 给出运动参数，再通过动力设计来确定各执行机构的运动参数。 对于本船舶起货机来说，由于是船用甲板机械，其运动参数术语较路用起货机有所不同。主要运动参数有公称起升速度、公称变幅时间、公称回转速度等。 （ 1）公称起升速度 指仅用起升机构，起升最大安全工作负载时，吊钩的平均速度。起升速度的高低与起货机的工作环境、用途、起升高度、起重量等因素有关。如安装类起货机比货物装卸类起货机的起升速度要低；装卸类起货机对成件物品作业时比散堆物料的作业速度要低；大起重量起货机一般采用较低的起升速度，安装用起货机哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 14 由于工作性质决定， 必须提供安装定位用的低运行速度。 本文的研究对象为装卸用起货机，起升高度在 9之间，吊装的物品为整件，起重量为 10 吨，起升卷扬机卷筒的容绳量不大。综合考虑初步设定起升速度为 8m/ （ 2）公称变幅时间 指仅用变幅机构，把吊有最大安全工作负载的臂架，由最大工作半径变幅到最小工作半径所需要的时间。伸缩臂式起货机幅度的变化域是随着不同臂长的变化而变化的。无论臂长如何变化，臂架角度的变化必然是恒定的，所以，也可用臂架与水平面夹角变幅速度来衡量变幅时间。起货机变幅结构的不同，对变幅速度有很大的影响，间接也就影响了变幅时间。通常情况下，起货机工作时的变幅时间要按照其工作在额定载荷下考虑，一般速度较高；非工作性变幅不需要过高的速度，因为它只用于调整取物装置空载时的幅度。 本船舶起货机给定了明确的工作幅度，最大的工作幅度 为 9m，最小的工作幅度 变幅速度没有特殊的要求。最佳的工作角度为 30 度左右。初步设定的起幅时间为 75s，落幅的时间为 45s。 （ 3）公称回转速度 指在船舶倾斜 5 度和纵倾 2 度同时作用的不利条件下，当吊臂架在最大工作半径吊起安全工作负载回转时，起货机所保持的回转速度。 起货机的用途、结构都能影响到回转速度，但回转速度主要是由回转装置起动或制动时所决定的。通常规定 10m 幅度左右的回转速度不应大于 本船舶起货机对回转速度也没有特殊的要求，允许全回转。初步设定公称回转速度为 舶起货机的外载荷计算 动力参数是指机械系统中的一些主要动力数据，这些数据不仅能衡量设备的动力性能，而且也是系统工作性能的直接体现。动力参数主要指动力提供设备的主要参数，比如电动机的功率、伺服电动机的额定转矩等。还包括执行装置的工作性能参数，比如液压缸的输出力、液压马达输出扭矩等。有了这些主要的动力数据，就可以计算出各传动件的尺寸参数，如轴的直径、齿轮的模数、丝杠的导程等。动力参数的选定将直接影响到机械系统的结构尺寸与设计成败。如果动力参数选定的太大，会造成整体结构尺寸偏大，浪费 材料。选取的过小可能会造成机械系统的刚度与强度满足不了实际工作要求，影响机械系统的正常工作性能。对于本文所研究的船舶起货机，是属于船用甲板设备，在工作过程中可能有来自哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 15 船体的不可预测的偶然性载荷，比如船体偏摆所产生的载荷。在设计过程中就要保证有足够的安全余量以减少这些偶然载荷的冲击。随着安全系数的偏大，起货机整体结构尺寸就偏大，整机重量偏重，但船用机械本身的安全系数就要偏高一些，正常起货机械允许有 的超载量，而且整机重量没有超过所给定的要求重量。本船舶起货机为全液压回转式船舶起货机，电动机为其提供动 力来源。动力设计时的主要工作为液压系统参数确定及液压系统的设计计算。液压系统参数系统的确定通常是先根据起货机工作的最大载荷情况和我国有关国家标准初步选定压力，再按各执行元件单个或可能的联合动作速度初定系统流量。因此外载荷的分析计算是动力设计的先决条件。 起货机工作载荷有个很大的特点就是载荷的不稳定性，如吊装作业的开始与结束，这种载荷的随机性是设计起货机载荷计算过程中的难点。在实际设计过程中，通过采用计算载荷来解决这一问题。计算载荷是指，在起货机设计计算过程中仍然使用具体的数据进行设计计算，但是这些数据是通过 对载荷的简化，结合实际试验数据，相关的设计经验等相结合所确定的实际载荷的近似值。起货机在工作与运输过程中都可能产生与之相对应的载荷，根据所处的情况不同起货机主要有以下几种载荷：自重载荷、起升载荷、在不平路面运行产生的冲击载荷、机构起动（制动）产生的水平惯性载荷、风载荷、安装运输载荷、碰撞载荷、工艺载荷等。就本文所研究的对象来说，自重载荷，起升载荷，以及风载荷是主要载荷，其他载荷可以忽略。起货机的简化力学计算模型如图 2示，图中 Q 为自重载荷集中的点载荷； 图 2简化力学模型 （ 1）自重载荷 自重载荷主要包括三部分内容，一部分是起重设备自身结构所产生的载荷，哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 16 另一部分是指与金属结构相配套的动力设备所产生的载荷。此外还包括相关的辅助设备所产生的重力载荷，如起货机的料仓、连续输送机等的重力。自重载荷不包括起升货物的重量。在起货机的设计计算初期必须对自重载荷进行估算，用以后期计算。传统的自重载荷计算方法是通过与某一相关或相近设备自重做类比，或者先利用统计公式对各部分进行初步估算，最后通过相应的校核加以修正，这样计算出的自重载荷往往不准确。本文在设计时已用三维软件 进行了三维建模，通过三维软件的自带功能可对质量进行较为精确的计算。各部分总成质量如下表所示。 表 2部分总成质量 项目质量 臂总成 台总成 扬总成 幅油缸总成 缩油缸总成 质量 重载荷要根据机构的特点和计算类型来确定其作用方式。在对起货机进行总体设计计算时，要将自重载荷视为集中力，这些集中力通过各部件的重心。在对起货机进行刚度与强度计算时，桁架结构与箱型结构的自重载荷分布有很大的不同，前者自重作用于各个节点上，后者则沿箱型结构自重均匀分布于梁长方向。在起货机正常工作时，将吊装物品起吊、下放或正常运行中的制动时，都将会对起货机产生振动作用。在设计起货机金属结构时必须要考虑该振动对起货机所产生的不利影响。这种振动的计算方法是将起货机自重乘以起升冲击系数。查阅相关手册，可得本文的值为 算得起升冲击力为 （ 2）起升载荷 升载荷是指起升质量的重力。起升载荷主要包括如下几项： 1、一次作业中允许起吊的最大物品的重力； 2、由吊钩、下滑轮组、固定起吊物品的夹具等所组成的取物装置的重力； 3、吊装用绳具（主要指钢丝绳）和其他与吊装物一同升降的辅助引导性装置（如引导绳）的重力。在计算起升载荷时，当起升高度在 50m 以下时可以忽略钢丝绳及引导绳具所产生的重力。本文的起升高度未达到 50m，因此忽略钢丝绳重力。 外部动载荷指的是起货机正常工作时运动状态发生变化而 引发的动态力。该动态力在起货机的各个部分均有作用。一个吊装作用循环包括起吊，运行，下放哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 17 三个基本过程。在这三个基本过程中对应的都会产生由动载荷所产生的冲击载荷。在起吊时，被吊物突然受到起升力的作用，相应的也会给起重设备一个冲击力；运行过程中，由于被吊物的摆动，也必然会对起货机产生冲击力；下落过程中制动时所产生的冲击力也是不能忽略的。另外，对于轮式起货机，当设备通过不平道路时也可产生冲击载荷。被吊装物离地过程是起货机一个作业循环的必有环节，这一环节中所产生的动载荷是必有的工作载荷。本文建立如图 2示双自由 度的系统模型，用以估算这一作业环节中所产生的动载荷。图中 2示的是由该系统所简化成的单自由度的系统模型。 单自由度系统模型的刚度系数为 效重量为 算式如下： （ 2 （ 2 式中 为滑轮组的伸长（ m）； 为机构在滑轮组悬挂点的静挠度（ m）。 A）双自由度模型 B）单自由度模型 图 2升系统模型 在这样的系统模型中，假定重物被吊起的瞬间所具有的速度为 被吊物离开地面后就可以看作是以初速度为 速度开始自由振动。当机械系统静平衡位置与动坐标原点的位置相重合时，可视系统的初位移为零。可得到系统的位移相应为 （ 2 机械系统的最大加速度值为 （ 2 起升重物的质量的惯性力为 （ 2 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 18 起升机构滑轮组的总载荷等于起升载荷与重物的惯性力之和，即 （ 2 起货机在下降过程中同样会产生与上升时类似的动载荷，只是其过程是相反的。其简化模型与上升时相似，计算过程也大体相同。其计算过程参照3811规定进行的，计算时按照离地起升公式计算。 3、风载荷 船用机械风载是必须要考虑的外部载荷，在计算时认为风载荷是一种沿任意方向的水平力。通常情况下只考虑风载的静力作用，不用考虑风载荷在起重设备上所产生的动力效应。 （ 1）风载荷计算式 风载荷 下式计算 （ 2 式中 C风力系数； 力高度变化系数； q计算风压（ N/ A起重机或起吊物品垂直于风的迎风面积（ （ 2）计算风压 q 风能在物体上最终的作用结果就体现在计算风压上。不同地区同一高度下的风压计算结果也是有很大不同的，陆地与海上相同风力同一高度的计算风压也有很大区别。本文风压计算按照相关设计手册的规定。计算风速按照距地面垂直高度 10m 处空旷地区的风速计算。其中，起货机工作状态下与非工作状态下的计算风压是不同的。前者的风速采用瞬时风速进行计算，后者采用以每 2距的平均风速计算。风压计算如公式（ 2 （ 2 式中 q计算风压（ N/ v计算风速（ m/s）。查阅起重机设计手册可得 v 的数值取 20m/s。 计算得 q=。 （ 3）风压高度变化系数 货机在正常吊装作业时，计算风压可以不予考虑，此时风高压系数 1。但是当起重设备处于非工作状态时计算风压对设备的影响非常大，在设计计算中采用风高压系数进行调节。在计算时，沿起货机高度方向每 20m 划分为一段的等风压段，以计算风压与风高压变化系数 起货机手册可查得相关的计算公式为，代入数值可计算得 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 19 （ 4）风力系数 C 也称为体形系数，主要考虑具体设备结构尺寸，外形对风压的影响程度。根据起货机设计规范标准 3811得，本文中起货机的风力系数为 C= （ 5）迎风面积 A 包括吊装物品与起货机结构两部分面积，设计时主要考虑起货机结构面积。迎风面积是按风作用在起重设备上投影方向的净面积来计算的，风向取最不利于机起货机的风向。箱型结构在迎风面处的结构对背风面处会产生一定的挡风作用，总迎风面积 计算公式如（ 2示。 (2式中： 背风面处迎风面积， ; y 为两片相邻机构的挡风折减系数，它与及两片桁架的间隔比有关，具体数值可查，由手册查得为。计算得 A=上述数值代入式（ 2，最终计算得风载系数为 章小结 本章对船舶起货机进行了总体设计，完成了机械部分的总体结构设计，初步进行了运动参数的设定，完成了主要外载荷的计算。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文） 20 第 3 章 船舶起货机三维设计与液压控制系统设计 在总体结构设计完成之后，本文借助于大型三维软件 进行了三维设计。从而能将平面二维图更加形象直观的转化成三维实体模型，这样不但能检验设计时二维图纸中的小错误，也能够加快设计速度。另外，完成三维建模后，也为后期的分析和研究奠定了基础。在进行有限元分析时我们只要将提前建好的模型导入有限元分析软件中，就可以进行相关的分析与计算。 于 的三维建模 软件简介 维设计建模系统，由美国参数技术公司（ 称 司）研制开发，最早版本于 1988 年投放市场。它提出了一种全新的设计理念，即基于特征完参数化建模、完全关联性、单一数据库管理。已经全推翻了传统意义上机械 概念，成为机械 域内的全新标准。该软件是目前应用较为广泛的大型 A 之一，在我国同样也占据着产品设计领域的重要位置。 软件以其强大的功能在多个领域内都有广泛的应用，如机械、汽车、电子、航空航天等行业。 集合了零件设计、造型设计、产品组合、机构仿真等重多功能于一身，是非常优秀的 3D 产品开发软件。它由多个功能模块组成，每个模块都具有非常强大的功能。 于其具有友好的用户界面、高效率的零件建模功能、完善的曲面设计功能以及实时渲染等功能，此外，它还主要具有参数化建模，相关性，数据管理等几个特性，在机械行业被广泛应用。 缩臂式船舶起货机实体模型的建立 在进行产品三维建模设计时，对前期设计图纸的忠实性是必须要保证的。这样一方面能够完成对前期平面图纸的校核工作，