舰船液压跳板装置的设计

摘 要 现实当中我们看到的 登船梯给我们的感觉是很笨重，不方便，如果用于游船是可行的，但是如果用于航母或军舰的话，那肯定不能符合使用要求了（一旦码头情况不允许那就会带来麻烦），所以必须研制出一种既轻巧方便又安全能适应军用的登船梯系统，这就是我的课题所要做达到的要求。 我所设计的跳板装置不仅设计了一些机械传动，还在原有的基础上采用了液压传动。采用液压传动的突出优点是：易于实现频繁的起动、换向和变速，且对船舶电站的影响较小；惯性小、位置控制精度较高；输出的力和转矩可以很大，但线速度和转速可以很低，体积和 重量却很小；调速范围广。因此，液压传动现已广泛应用在各类船舶上。 本课题是我国首艘航母上液压登船梯的设计。跳板（登船梯）主要用于军舰与码头之间人员及限重物资通过或迁移。 本登船梯系统即可电动也可手动，手动是通过手摇泵来实现的，手摇泵的运用是为了防止断电情况下登船梯不能使用而设计的。 关键词 ：登船梯；液压传动；手摇泵 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 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1国内登船梯的概况和发展趋势 . 1 1.2课题的提出与意义 . 2 1.3本课题应达到的要求 . 4 2总体方案的确定 . 5 2.1 设计依据 . 5 2.2确定机械结构设计方案 . 5 2.3确定液压系统设计方案 . 5 3机械结构设计及其校核 . 6 3.1 概述 . 6 3.2设计依据 . 6 3.3 设计范围及其设计方案 . 6 3.3.1 基架设计及校核 . 6 3.3.2 回转支架的设计 . 8 3.3.3 登船梯的设计 . 9 3.3.4 油缸的设计 . 10 3.3.5 确定执行元件的设计 . 10 3.3.6主回转液压马达的选择计算 . 20 4液压系统的设计及其校核 . 21 4.1液压系 统的组成 . 21 4.2液压系统的主要优缺点 . 21 4.2.1 液压传动的优点 . 21 4.2.2 液压传动的缺点 . 21 4.3 液压系统设计 . 22 4.3.1 概述及液压系统方案设计 . 22 4.3.2液压能源装置设计 . 24 4.3.3液压阀的选择 . 24 4.3.4液压辅助元件的设计与选择 . 25 4.3.5 液压控制说明 . 30 5 CATIA有限元分析方法 . 31 5.1 有限元分析方法简介 . 31 5.2进行有限元分析的目地和意义 . 31 5.3活塞杆的受力变形情况进行分析 . 32 5.3.1 分析步骤 . 32 6 结论与展望 . 34 6.1结论 . 34 6.2 展望 . 34 致 谢 . 35 参考文献 . 36 1 绪论 1.1 国内登船梯的概况和发展趋势 登船梯属于非标产品，其设计计算在国内至今尚无规范可遵循，但可依据海洋工程、船用甲板起重机、港口工程起重机、船用舷梯等特性设计。主要用于海洋钻井平台与平台之间人员及限重物资通过和迁移。为考虑使用时方便、安全、可靠、实用，设计上采用了液压传动的全回转、可升降的动作方案。 国内主要有三种登船梯结构形式： (1)SS-1 型登船梯 上海石化总厂海运码头二期扩建工程系采用的型号。该型登船梯适用于工作行程在工作平台以下的码头 ，但是，其回转跑梯式提伸架提升质量大，电机功率消耗较大，有待于进一步完善。 (2)SS-5型登船梯 该型登船梯适用于镇海炼化股份有限公司算山泊码头 25万吨级泊位工程。该梯合理地运用了曳引机和液压传动系统，使其整体结构紧凑明了，旋转、伸缩的载荷小，由于选用的油缸尺寸较小，与卷扬机传动系统相比，造价增加不大。 (3)SS-6型登船梯 该梯使用于舟山兴中石油转运有限公司，该梯运用了液压传动的特点，是舷梯浮动，易于实现自动化控制，小变幅机构增加了舷梯的工作幅度，使舷梯上仰时也能工作，降低了梯架的提升高 度。 2007年 9月 8日，香港“宝瓶星”号国际豪华油轮平稳停靠在厦门东渡国际客运旅游码头，搭乘该轮近 2000 名来自世界各地的游客下船时，登上了新近投入使用的我国首个油轮登船系统。 2006年 8月，交通部水运科学研究所受厦门港委托签订了登船系统的研制合同。水科院经过一年多的技术设计、方案审查、施工设计、制造安装、试车运行，登船系统已于 2007年 7月经过了专家用户的现场检验后，正式交付使用了。经过了近 2个月的试运行，厦门东渡国际客运旅游码头，已接运了“宝瓶星”号四个航次的停靠，近 8000 人次旅客安全使用了登船系 统。有关专家一致认为，登船系统设计构造新颖，性能先进，达到了国际先进水平。 登船系统的使用避免了厦门东渡国际客运旅游码头旅客露天上下 游轮 ，为旅客提供了一个舒适便捷、环境优雅的上下 游 轮通道，海关人员可以直接在候船联检大楼办公。豪华游 轮旅客登船系统的使用，改变了动用吊车、叉车调运旅客旋梯与 游 轮对接的传统操作模式，实现了接船作业的全自动化，提高了游客上下游轮的安全性和旅客的通关速度，节省了旅客的上下游轮时间。出入的旅客赞叹道，登船就像登机一样方便。 交通部水运科学研究院接手这难题后，根据基本设计条件设计了由一台 移动升降式登船机和一台旋转伸缩式登机桥两部分组成的登船系统。移动升降式登船机安装在码头前沿原有的集装箱岸桥轨道上，旋转伸缩式登机桥通道头部的接机口与登船机尾部旅客通道口对接。登船系统的首尾分别连接游轮和大楼候船联检大厅。而且，没有客轮到岸时，登船设备可以分离、移走，码头用于集装箱装卸作业，满足码头多功能作业的要求。 首次采用移动升降式登船机与旋转伸缩式登机桥组合形式的登船系统，满足了接船高度和跨度范围大的特殊要求，接船跨度达 50米。创下接船高度范围达 1.07米至 11.44米， 旅客登船桥接船高度超过 9米两项世 界之最，是国内接船高度差和跨度最大的国际豪华游轮登船系统。 这是我国完全独立研发、拥有自主知识产权的产品。 图 1.1 在厦门投用的我国首个登船系统 1.2 课题的提出与意义 随着人类社会的不断发展，陆地可开放资源日渐枯竭，世界各国逐渐将目光转向海洋，海洋资源的开放及利用对各国的发展起到了越来越重要的作用。由此引起的国家及地区间争端、摩擦不断。进入新世纪以来，随着海洋岛礁及资源争夺的加剧，海上运输线安全形势日趋恶化，海上利益争夺的形势将更加严峻，尤其是美、日、俄、印等国家，为壮大海军采取多种措施，已出现群雄 争锋的局面。在全面实施海洋开放的时代背景条件下，海军肩负着维护国家安全，捍卫主权、维护国家海洋权益的神圣使命。 同时由于我们国家日益发展的经济情况还有我们日益强大的军事技术，我们和外界的联系也渐渐的紧密起来了。但是由于我国有着较为宽广的港口领域，所以海上交通便是我们和外界取得联系的最好方式。但是海上交通就一定会用到轮船，而与陆地取得联系就一定要用到跳板了，所以我便对这种跳板装置进行了一些设 计。跳板作为自行轮船重要的组成部分，可以在轮船靠近岸边时，可以作为被保障装备通行的桥梁。 未来几年将是我国 海洋事业发展 的黄金时期，海洋石油工程也迎来了前所未有的发展机遇。 图 1.2 登船梯 图 1.3 登船梯 以上是已有的登船梯系统，这两种登船梯 给我们的感觉是很笨重，不方便，如果用于游船是可行的，但是如果用于航母或军舰的话，那肯定不能符合使用要求了（ 一旦码头情况不允许那就会带来麻烦），所以必须研制出一种既轻巧方便 又 能安全 适应军用的登船梯系统，这就是我的课题所要做达到的要求。 由此我便想到了液压系统。液压件是现代机械设备中重要的基础件，可广泛应用于国防、能源、冶金、交通等诸多领域，对于提高机械设备的技术水平和质量，提高自动化应用应用程度都有十分重要的意义。 本课题是完成全回转式 登船梯装置的总体设计，在设计中还须设计液压 原理 ，完成回转支架、登船梯等结构设 计以及油缸中重要零件的 设计并做出必要的有限元分析。本课题 使我在设计过程中，能掌握较强的实际工作经验，完成从设计到实际生产及运行调试的整个过程，这样 我熟悉了液压系统的运用 ， 也 提高解决实际工作问题的能力，为以后工作打下极好的基础。 1.3 本课题 应 达到的要求 我所设计的跳板装置不仅设计了一些机械传动，还在原有的基础上采用了液压传动。采用液压传动的突出优点是：易于实现频繁的起动、换向和变速，且对船舶电站的影响较小；惯性小、位置控制精度较高；输出的力和转矩可以很大，但线速度和转速可以很低，体积和重量却很小；调速范围广 。因此，液压传动现已广泛应用在各类船舶上。 具体要求如下 : (1)能够通过 油缸伸出和缩回分别引起过桥的上倾和下放，过桥变幅的幅度为上倾极限 30 、 下放 30。 (2)能够通过与回转齿轮的啮合实现跳板装置的左右摇摆，角度为 180。 (3)上下六十度转动过程中能够随时停在某个 位置 。 (4)登船梯在 180度转动过程中能随时停在某个位置 。 (5)登 船梯搁在码头上能随风浪波动 。 (6)登船梯 左右摆动碰到码头时，能够自动让位，以免船梯与码头硬碰硬碰撞而损坏船体和登船梯 。 根据技术要求，我们需要在搞清设备工作原理的基础上，进行正式图纸绘制。在设计中还需对现有的机构进行分析，如充分利用 CATIA 和 LINGO等软件进行有限元应力分析、运动分析和优化设计。我还要设计液压原理图、主机等部件。 2 总体方案的确定 2.1 设计依据 (1)本套设备依据海洋工程 、船用甲板起重机、港口工程起重机、船用舷梯等特性设计。 (2)本套设备以满足相关海事部门管理要求设计。 (3)本套设备以符合 SOLAS（ safety of life at sea）及相关船级社的规范要求设计。 (4)本套设备的制造、检验、安装、使用均以满足相关船级社的规范为前提并取得相关船级社的证书。 2.2 确定机械结构设计方案 登船梯主要用于海洋钻井平台与平台之间人员及限重物资通过或迁移。为考虑使用时方便、安全、可靠、实用，设计上采用了液压传动的全回转、可升降的动作方案，并具备照明、报警、应急功能。 本登 船梯主要由过桥、回转上承台、回转装置、升降油缸、配电与照明系统等部份构成。登船梯设计规格暂定工作长度 9.6m。 2.3 确定液压系统设计方案 本液压系统是针对军舰而设计的全回转式登船梯装置机、制造的专用液压传动设备。该系统精选了国内外优质液压元、附件。液压回路采用了集成油路块式结构，液压系统总体结构先进、合理、可靠、易于维修。符合 GB3766-87液压系统通用技术条件中的各项技术要求。 本液压系统由于采用了封闭式油箱结构，所以允许在粉尘大的恶劣环境下工作，但使用时应注意经常清扫液压设备上的粉尘，以保证液压 系统具有良好的散热性 9 。 所有液压阀控制回路均采用了集成油路块式结构，使本系统具有泄漏少，结构紧凑，便于维修的特点。 本液压系统在工作原理上具有以下特征：具有吸油滤油器，使本系统工作介质的清洁度得到有效的保证，降低系统的故障率 ,延长系统各元、附件的使用寿命。 3 机械结构设计及其校核 3.1 概述 全回转伸缩式登船梯（以下简称登船梯）主要用于海洋钻井平台与平台之间人员及限重物资通过或迁移。为考虑使用时方便、安全、可靠、实用，设计上采用了液压传动的全回转、可升降 的动作方案，并具备照明、报警、应急功能。 本登船梯主要由钢质基架、回转支架、登船梯、升降油缸、伸缩系统、喷水系统、配电与照明系统等部份构成。登船梯设计规格暂定工作长度 9.6m，在此基础上增加 0.51m。 3.2 设计依据 (1)本套设备依据海洋工程、船用甲板起重机、港口工程起重机、船用舷梯等特性设计。 (2)本套设备以满足相关海事部门管理要求设计。 (3)本套设备以符合 SOLAS及相关船级社的规范要求设计。 (4)本套设备的制造、检验、安装、使用均以满足相关船级社的规范为前提并取得相关船级社的证书。 3.3 设计范围及其设计方案 本套设备设计的范围如前述组成部份（见所附布置图），其间还包含了较多的项目。由于各部件的尺寸、重量均较大，因此所有的超大零件上均安装吊环以便于安全起吊和安装，这些吊环在装船之前均需进行无损坏试验。 下面按各部件分述如下： 3.3.1 基架设计及校核 基架以钢质筒体为主体，其外形直径根据要求约为 506mm 左右，高度初步确定在205mm 左右，基架的上端设置平型法兰用于和上部回转支架螺栓联接。 再用俩个连接齿轮和回转齿轮连接带动登船梯摆动 5 。 图 3.1 基架及回转部分三维图 模型： 图 3.2 整体 模型图 现在计算各个工作部件对基架的作用力和作用力矩 1 。 (1)计算登船梯跳板梯部分对基架的作用力和作用力矩： 登船梯 质量 m=576kg 重力 G=mg=576kg 9.8m=5644.8N 所以对于基架的作用力 F1=5644.8N 质心距离基架中心轴的距离 1d =3982.184mm+253mm=4235.184mm 所以对于基架的作用力矩 M1=F1 d1=23905.728N m (2)计算马达对基架的作用力和作用力矩： 马达的质量 m 2=54 2=108Kg 重力 G=mg=108 9.8=2920.4N 所以对于基架的作用力 F2=1054N 质心距离基架中心轴的距离 d2=203.5mm 所以对于基架的作用力矩 M4=F2 d2=2144.89N m (3)整个回转装置及回转上承台及其上零部件对基架的作用力 经差算整个回转装置及回转上承台及其上零部件 总重量约为 1200kg 所以 F3=10084.2N 由于上承台及回转装置对基架的作用力主要是重力而不是力矩，所以上承台及回转装置对基架的力矩忽略不计即 M3=0 (4)计算基架本身的作用力和作用力矩： 基架本身的质量 m=43Kg 重力 G=mg=421.4N 不过，质心距离基架中心轴的距离 d4=0mm 所以作用力矩 M4=0 因此，所有部件对基架的作用力 F=F1+F2+F3 +F4=5644.8N+1054N+10084.2N+421.4=17204.4N 所有部件对支架的作用力力矩 M=M1+M2+M3+M4=239057.28N m+2144.89N m+0+0=241202.17N m 现在先设取基架的壁厚 h=20mm 所以基架的横截面积 A=( /4)*(0.5562-0.512)=0.049036m Iz = ( /64)*(0.5564-0.514) =0.027913 =AF +ZYIM=0 2 7 9 1 3.0 17.2 4 1 2 0 20 4 9 0 3 6.0 4.1 7 2 0 4 =89MPa bs b sQ 2 3 5 3 7 5 M P an 4 / n 3 7 5 / 4 9 3 . 7 5 M P a 基 架 材 料 选 用 ， 抗 拉 强 度选 取 安 全 系 数 ， 所 以 【 】 = 可见 略小于 【 】，为安全起见，增加壁厚至 h=25mm 此时基架的横截面积 A=( /4)*(0.561 2-0.512)=0.05462m Iz = ( /64)*(0.5614-0.514) =0.031397297 =AF +ZYIM=0 3 1 3 9 7 2 9 7.0 17.2 4 1 2 0 20 5 4 6 2.0 4.1 7 2 0 4 =79Mpa 相差有点远，所以 安全 。 3.3.2 回转支架的设计 回转支架是本设备极其重要的组成部份，它分别由上承台、回转齿轮、液压马达、减速箱、支架等部件组成。回转支架分别与基架及其 登船梯 相联接 。 3.3.2.1 回转支架由高扭矩低转速液压马达通过四个主动齿轮带动固定于上承台的回转齿轮来旋转整个支架。 回转齿轮是登船梯上的一个重要部件，选用无锡立达齿轮制造有限公司的产品。参考资料为 公司的齿轮样本。 回转齿轮选型计算流程图： (1)确定回转齿轮保持静态时所承受的最大载荷 根据上述计算：可知轴向载荷 Fa=17204.4N，倾覆力矩 M=241202.17N m (2)根据主机类型（应用场合）确定静态安全系数 fs，见表 1。 选取静态系数 fs 为 1.25 (3)初步确定选用何种类型的回转齿轮，并根据其计算 Fa和 M。 Fa=fs Fa=1.25 17204.4N =21505.5N M=fs M=1.25 241202.17N m =301502.5N m 初步确定使用 13-三排滚柱式回转 齿轮。 (4)在曲线表中查找能满足要求的回转齿轮型号，在曲线图中标出 Fa和 M的坐标点。 找到型号为 131.50.3150 回转齿轮能满足要求。 (5)经过核对， Fa和 M在静态承载曲线和螺栓极限曲线的下方。 (6)完成回转齿轮初步选型。 图 3.3 回转齿轮 图 3.4 回转齿轮二维图 支架的下端与基架上端用法兰方式联接。 3.3.3 登船梯的设计 登船梯主要由跳板梯部分、回转支架和回转部分三 大部份组成，材料为 钢材 。 登船梯的 回转支架下 端 与回转部通过螺栓连接 ， 回转部分再与基架舰体连接（通过法兰连接） 。 跳板部分一端 上部通过油缸与回转支架的支撑联接用于 登船梯的上下升降之用，下部与支架 连接 。 回转部分主要由液压马达、一对齿轮等组成，液压马达带动小齿轮围绕大齿轮转动以实现回转运动。 登船梯 的主要设计参数： (1)跳板部分长约 9.6m，宽约 1.2m； (2)最大上翘角度 +30 ； (3)最大下倾角度 30 ； (4)登船梯 内侧净宽 1m； (5)登船梯跳板部分 高度 约为 0.2m； (6)具体见设计图纸 。 3.3.4 油缸的设计 油缸位于在固定 登船梯 的两侧与回转支架上的支撑相连，主要用于 登船梯 的 上升和下降。油缸的设计依据 登船梯 的载荷及其油路压力而确定，本项在详细设计 之后再 给出具体规格。 在 液压油缸 中使用液压传动系统，那么液压传动与机械传动、电气传动相比，有何有缺点呢？ (1)在相同的功率工作的机械的重量指标上，采用液压传动要比采用机械传动的轻三分之一，在外形尺寸上也减小了近三分之一，最好的例子就是起重机了，起重机都是用液压传动的，这样可以保证起重机自身重量轻，机身又可以小一些 7 。 (2)实际工作时液压传动容易实现往返运动，直接推动工作机构。这里可以看看液压千斤顶的，外力施加给液压油，液压油指直接推动液压活动件向上顶。通过液压阀门控制施压和放压。 (3)易于实现液压系统的安全保护。液压传动比机械传动操控起来更简单而且省力，可提高液压机械的劳动生产率和作业质量。 (4)液压传动不需逐级调速，调速通用范围比较大，可在较大的范围内实现无极变速，工作平稳性比较好，易实现过载保护 。 (5)液压元件容易实现标准化、系列化和通用化，便于组织专业化大批量生产，有利于提高生产效率进而提高产品质量和降低 成本。 (6)液压传动中的的液压油本身是可以当做润滑油，降温剂的，这样可以延长液压元件的使用寿命，减轻液压传动设备的维护和保养的力度。 3.3.5 确定执行元件的设计 执行元件设计中应注意的问题 (1)本套液压 系统选择液压油缸作为执行元件，油缸设计的主要参数包括油缸内径、活塞杆直径、行程。油缸设计时应注意以下几个问题： 在保证所获得的速度和推力下，应尽可能使液压缸的各部分结构按有关标准来设计，尽量做到液压缸的结构紧凑，加工，装配和维修方便。 尽量使活塞杆在承受最大负载时处于受拉状态，若受压应具有良好 的纵向稳定性，长行程的活塞杆伸出时，还应加辅助支撑，避免活塞杆下垂。 液压缸热胀冷缩时应不受阻碍，所以液压缸在安装，固定时，液压缸只能一端 定位。 根据液压缸具体工作条件，考虑是否有缓冲，排气和防尘装置。 (2)油缸设计过程及校核计算 登船梯运动过程主要有两个动作过程即登船梯升降和左右回转，分别用两个油缸和液压马达作为执行元件。由于工作环境比较复杂，考虑到风浪带来的影响等，所以油缸的承受能力需要分析和校核。 油缸主要几何尺寸的计算 根据 要求，压紧油缸压紧时最大压紧力为 12吨的力，现进行计算确定执 行元件油缸的主要参数：