BYD-1水草收割船驱动装置设计【毕业论文答辩资料】

下载文档就送全套 纸，扣扣 414951605 中国地质大学长城学院 本 科 毕 业 设 计 题目 草收割船驱动装置设计 系 别 工程技术系 专 业 机械设计制造及其自动化 学生姓名 杨殿基 学 号 05208318 指导教师 王泽河 职 称 教授 2012 年 5 月 7 日 2 摘 要 针对河道、水塘等 水域具有航道窄、面积小，一般的大型水草收割机难以实现水草收割的现状，本文 设计了一种结构紧凑，机构传动平稳，效率高，适合在中小尺度水域作业的小型水草收割船的驱动装置。 论文概述了水草收割机的发展背景、研究现状及分类；完成了水草收割船的驱动装置的设计取，主要包括明轮驱动及各部位驱动部分的机构设计；阐述了总体设计方案、工作原理、参数计算以及试验校核；同时按照任务要求完成了装置总装图与各主要零部件图的绘制。 结果表明：所设计的小型水草收割船具有结构合理、紧凑，适应性强，切割效率高等优点。这种新型的水草收割船可在水下 实现切割，捡拾、传送一体化连续作业方式，能够达到清除泛滥的水草，净化水质的目的。总的来说，是一种较为理想的水草收获机具。 关键词： 小型水草收割船；明轮机构设计；液压泵；液压马达；动蹼式明轮； 3 at to of of a of of at to of of in to of to of In it is an 4 目 录 引言 . 1 1 绪论 . 1 题研究背景 . 1 草收割船的发展过程 . 2 题研究的目的及意义 . 2 2 明轮简介 . 2 轮装置的特点 . 2 蹼式明轮 . 3 蹼式明轮 . 3 蹼式明轮的工作原理 . 4 3 明轮机构的分析计算 . 4 本参数 . 4 行阻力计算 . 5 式的确定 . 5 性阻力系数的计算 . 5 波阻力系数的计算 . 6 送带阻力的计算 . 7 轮推进力分析 . 7 轮偏心率的确定 . 8 轮尺寸参数的确定 . 9 4 明轮轴的设计 . 10 的材料及结构 . 11 的材料 . 11 的结构 . 11 的支承结构 . 11 的设计与校核 . 11 承的设计与校核 . 14 轴器的选择 . 15 5 液压件及内燃机的选择 . 15 接明轮轴的液压马达的选择 . 15 接收割机的液压马达的选择 . 15 接传送带的液压马达的选择 . 16 动液压泵站的选择 . 16 电机组的选择 . 16 5 6 结论 . 16 参考文献 . 17 谢 辞 . 18 6 7 8 9 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 1 引 言 水草在养殖、生态和景观三方面有重要的价值体现，正是因为水草有如此多的作用，吸引了人们去种植。由于种植量大，同时缺乏相应的管理措施，导致人工种植的水草一度发展到疯狂的状态。 为了保持水域的生态平衡，维持水质的清澈，需要在景观水域中大量种植水草，但是在每年 5 9月的高温时段，水草生长非常迅速，必须及时进行收割清理，否则会对水质造成二次污染。目前，水草治理方法主要有化学清除法和物理收割法两种。化学清除法会引起水质污染与恶化，破坏水域的生态环境，并对其他生物的生存造成很大影响。所以，人们大都采用更为环保的人工收割和 机械收割的物理方法来治理水草。但由于人工收割效率低下，往往打捞的速度跟不上水草生长的速度，因而机械收割就成为理想的水草治理方式。 目前，市场上的水草收割机产品有 5型水草收割机、9这些产品外型大，长度都大于 8 m，需要多人及辅助机械协同作业，适用于大型水域水草的收割。而景观水域的设计通常都采用自然造型，有各种不同的曲线，且水面较为狭小， 不利于大型机械作业。 现在，这些水域中的水草的收割都由人工完成，劳动强度大，效率低。而且往往在水草疯长时，人工收割跟不上生长速度，一部分水草因未及时收割而腐烂水中，造成水质恶化。现在大型的水草收割船一般有 2 3人进行操作。但随着水草收割机的小型化，它的收割和集草都要在同一条船上进行，由于空间有限，最多只能由一人操控，若都是手动操作的话，会不太方便，所以应该提高水草收割机的自动化程度，特别是遥控式的水草收割机不仅能进一步减小船体的尺寸，增大储草空间，而且安全。 所以智能化的小型水草收割机的需求量会越来越大，小型轻便、美观环保的水草收割机将是一个重要的发展方向。本文主要对小型水草收割船的明轮部分进行结构设计。 1 绪 论 题研究背景 目前，国内外对水草收割机的研究没有系统的、科学的分类。市场上所有水草收割机几乎都是大型机械，满足大型湖泊水草的收割与修理，但不适合小型河道和湖泊等小水面水域中水草的收割。 小型化和智能化是水草收割机的重要发展方向。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 2 草收割船的发展过程 国外关于水草收割机的研制比较早， 荷兰等国早在 50年代就开始使用专门的水利机械进 行河道的清淤除草作业。荷兰的 O 958年研制出 种机型，随后又相继开发出 兰的 初他们一般是把切割器安装在液压挖掘机或农用拖拉机上，把沟渠、河道内的蒲草、杂草切割后捞起放于岸边，其整机需停在岸边或沿岸边行驶进行作业，这就是陆用割草机。由于陆用割草机的使用范围有较大限制河道、沟渠旁常揎有树木，无法停机，远离岸边的水草又无法切割到，因此研制一种能在河道中航行的水中割草机应运而生。 60年代英国的 国的 程 )公司也开发出自己的系列产品。 3些产品至今还在世界各地广泛使用。 国内也有一些相关企业及研究机构进入该领域，并且取得了一定的研究成果，如宁波农业机械研究所、桂林象山农机厂、绍兴县农林管理总部联合研究的 京市水利局联合数家单位共同开发的的 海电器集团现代化装 备有限公司新液压长研究开发的 经历半个世纪的发展历程，水草收割机的设计，由开始的岸边切割水草作业，水中水草作业，水中收割水草作业，到现在的水中切割、收获、后续处理一体化作业模式 ，功能日益完善，而且经过长时间的摸索和经验积累，其工作模式也发生了很大的改变。其主要是朝着小型化、自动化方向发展。 题研究的目的及意义 研发一种适合在河道、池塘等中小尺度水域作业的小型水草收割机。目前市场上的水草收割机一般是大型机械，在大的湖波水域可以进行切割，但不适于在小型水域的作业。 所研制的小型水草收割机，可以有效取代在中小水域的人工收割，有效减轻了劳动轻度，大大调高了切割效率，符合水草收割机小型化与智能化的发展方向。 2 明轮简介 轮装置的特点 当明轮在低速主机带动下旋转时，蹼 板依次进出水面，蹼板向后拨水产生反用力推中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 3 船前进。 水草收割机的工作的环境是水深大于 ，平均水深 ，水草植物丛生的浅水湖泊。常用的推进装置有螺旋推进器、空气螺旋推进器和明轮推进器。螺旋式推进器在浅水域中效率低，易使船体沉降，且在有水草的水域易出现缠绕问题。空气螺旋推进器的制造工艺和使用维护要求很高且易翻船，而明轮推进器平衡性好、不易出现缠绕、用于中低速小型船舶效率较高适于水中割草作业。 明轮推进器由沿船宽方向水平布置于水线以上的中心轴和在该轴两端旋转的轮及轮周缘上的蹼板构成。一般每一舷侧轮装有 7 11叶蹼板。当明轮在低速主机带动下旋转时，蹼板依次进出水面，蹼板向后拨水产生反作用力推船前进。当船舶吃水有限时，明轮的结构比螺旋桨的结构能保证更大的水力断面。因而对于吃水浅的船舶来说，采用明轮推进器能提高推进系数。所以至今在某些内河客货船和拖船上还有使用明轮推进器的。 明轮是一种局部入水的推进器，根据蹼板在明轮上的安装形式，分为“定蹼式明轮”和“动蹼式明轮”。 蹼式明轮 图 1a 定蹼式明轮 图 1b 动蹼式明轮 图 1 明轮分类 定蹼式明轮的特点是构造简单结构牢固，小直径时效率差，蹼板在入水时压水，而在出水前提水，因而浪费了大部分能量，必须有很大的直径和低的转速才能得到较高的效率。所以它的直径往往做得很大，入水深度一般不超过半径的 1 2，图 1 蹼式明轮 动蹼式明轮的蹼板以铰接方式与轮体相连，通过偏心作复合运动，因为它的蹼板能以适宜的角度入水和出水，提高了效率。对于相同尺寸的蹼板，由于动蹼明轮蹼板垂直入、中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 4 出水的程度要比定蹼明轮高，因而对船体产生的推进力要大，推进效率可提高 15到 25，并且溅水小。 其缺点是制造相对复杂，造价高，但在目前的加工条件下个零部件均可制造，并且由于水草收割机一般在浅水水域作业，定蹼式明轮难以适应，所以选用动蹼式明轮作为水草收割机的推进器，图 1 蹼式明轮的工作原理 当动蹼式明轮分布在船的中部两侧位置时，称为动蹼腰明轮。图 2表示动蹼腰明轮的结构示意图，将其简化为平面四杆机构来分析，当主动杆 圆周运动时，引导连杆 与连杆销连接 )作平面运动，连杆驱动摇杆 板拨水推动船体行进。几组平面四杆机构的协调运动产生了明轮 推进力。 动蹼明轮可以借偏心装置控制蹼板，以调节出水和入水的角度，消除了蹼板入水时产生的拍水现象与出水时产生的提水现象；其次，还可以增大明轮的划水面积从而提高推进效率。 3 明轮机构的分析计算 工作速度 .0 km/h (m/s)； 航行速度 .0 km/h (m/s)； 船重 W=5 103 吃水深度 T=0.5 m； 船的特征长度 L=5.3 m； 水的密度 =kg/ 粘性系数 v=10-6 m2/s (水温低限 7 )； 船的特征宽度 B=1.2 m； 船的排水量： V=W/ =5000/1000=5.0 的方形系数： =V/的浸湿表面积： 对于无隧道的内河船舶按 A 即 代入数据得： 相应的弗鲁德数 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 5 式中： 9.8 m/入数据得： 相应的雷诺数 入数据得： 进阻力计算 式的确定 根据弗鲁德数可以判断，水草收割机为慢速船，因此在阻力的计算中，只考虑粘性阻力和兴波阻力两项，其它可忽略不计。 其公式为： 总阻力为： 式中： 粘性阻力系数； w 兴波阻力系数 在总阻力中只有粘性阻力系数、兴波阻力系数未知，其它各参数已确定；从而只需确定这两项。 性阻力系数的计算 式中： 比例系数 k 比例修正系数 摩擦阻力系数 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 6 f 阻力修正系数 k 附加阻力修正系数 1)比例系数 例修正系数 根据船型特点： k =0 2)摩擦阻力系数 故： 3)阻力修正系数 由资料可知， f = (0 4 0 7) 10)附加阻力修正系数 为了船的稳定性良好，一般 (0 1 0 2) 10 f、 入公式得： (0) (10101010 (0) (10101010 兴波阻力系数的计算 其中 10 10入数据得： 10 = 10 10 = 101 = （ 1010 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 7 （ 1010 考虑到浅水对阻力的影响，选取层流系数 Q=正后的阻力为： (1+Q) (1+ (1+Q) (1+ 204 N 送带阻力的计算 由于输送带在工作时一部分是在水中，在行进中会产生行进阻力。假设输送带为一个平板在水中运动，切割架宽 深 0.8 平板所产生的阻力。由基尔霍夫理论，输送带产生的阻力可由以 下公式计算： 式中： a 物体垂直于运动方向的截面积， a = c 阻力系数，查得 c = 输送带阻力只有在收割水草时产生，所以 V = m/s 代入公式得： 考虑水草的附加阻力 R = 。 当进行水草收割作业时，水草收割机总阻力 ；航行时总阻力 204 N。 轮推进力分析 明轮推进力 P= 中： 推进力系数， 查得 明轮的水力作用面积， 0.5 m ，最大入水深度 n 明轮工作转速， n = 0.6 s；计算得明轮总推进力 P = 854 N ， P 国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 8 轮偏心率的确定 平面四杆机构设计是否合理，将直接影响明轮滑水效率。现从收割机整体结构要求出发，采用解析法来讨论这一问题。 根据船体结构要求，明轮轴线安装高度为 m，水线至船面 0 15 m，故采用图1b 所示机构，连杆长 l = m，蹼板为 板的数量一般由明轮直径和转速大小来确定，因该明轮用于中低转速，直径较小，故取 7叶，相应的在一个明轮上要出现 7组四杆机构，这里只需分析一组。如图 2 所示建立 将各杆 作为杆矢量，则： （ 1） 将（ 1）式中各矢量向 x、 y 轴投影得： E+R + = R （ 2） R + = R （ 3） 其中 (2)、 (3)式中消去 3 并整理得： （ 4） 设蹼板入水角为 1，出水角为 2，因为蹼板垂直于连杆，所以式 (4)间接给出了机架即偏心距 E 与 1、 2 的函数关系。在机构运动过程中，传动角 r 的大小是变化的。最小传动角将出现在主动杆与机 架共线的两个位置之一 (见图 2)，即： （ 5） （ 6） （ 7） 通常为保证机构的传动性良好，设计时应使 40。 ，有些尺寸较小的机构允许小些，只要不发生自锁即可。 将 R = 575 l = 70 1= ， 2 = 90。 + 1代入 (4) (7)式，可知： 1)当 E = m 时， = 90。 ， O。 ，此时机构为平行四杆机构，蹼板垂直入、出水面，不发生溅水，明轮的推进效果最好。至于死点，不会出现两组机构同时处于死点位置。但这种机构的连杆与摇杆间的相对摆动是在整个圆周上进行的，使得明轮结构，受力状态不好，且易出现缠绕。若能解决此问题，则平行四杆机构是最优设计； 2)当 E=于定蹼式明轮； 3)当 OE曲柄摇杆机构，蹼板倾斜入、出水面，推进效果较平行四杆 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 9 图 2 动蹼式明轮结构示 意图 机构差些，并产生一定的溅水现象，但无死点，此时摇杆可置于连杆之间，使得结构合理，受力状态好，无缠绕，故设计中采用这种方案，设计时，考虑到 现在水面上方位置，明轮直径又较小，取 40。 ，从而尽可能使蹼板入、出水角接近 90。，以提高明轮滑水效率。当 E=m 时， 36。， 1 80。， 2 77。，并且在蹼板出、入水角位置上机构的传动角均高于 40。 。 明轮偏心率 e = E/1， E = m时 e=1，蹼板垂直出入水，此时推进效果好，但是结构受力状态不好，而且倒转明轮时 蹼板出水角度不理想。一般 e = 围内，当取 E = m时 e = 取偏心距 E=m。 轮尺寸参数的确定 明轮水草收割机明轮参数为：明轮直径 D = m ，蹼板宽度 m ，明轮蹼板底部到水面的最大距离 m 。 明轮理论效率 其中： P 明轮推进力； 进速， 1+ e）， m/s ， m/s （ 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 10 输入功率， 算得 = 。 图 6 蹼板简图 蹼板采用焊接性能良好的 抗拉强度为 b = 335 安全系数为 5，许用应力为 = 67 设计蹼板厚度 b = 板厚度 板长度 轴大径为 轴大径 轴小径 轴小径 他数据图纸给出。 明轮支撑架的各杆件均为空管，且材料、尺寸相 同。支撑杆采用直缝电焊钢管 拉强度 b = 375 由于明轮承受交变载荷，并且工作环境是水与空气交替的环境，并且是焊接件，安全系数取为 5。则许用应力 = 75 轮支撑架采用内径 14径 18 图 7支撑架 其他尺寸参照设计图纸。 4 明轮轴的设计 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 11 的材料及结构 的材料 轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。本设计轴 选用 45 号钢调质处理。 的结构 轴的结构主要决定于以下因素：轴载机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴连接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺性等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同的情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装载轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。 的支承结构 该机构中，轴的支承采用滚动轴承。一般来说，一根轴需要两 个支点，每个支点可由一个或一个以上的轴承组成。合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正确的位置、防止轴向窜动以及轴受热膨胀后不致将轴承卡死等因素。常用的轴承配置方法有双支点各单向固定、一支点双向固定，另一端支点游动、两端游动支承三种。 其中双支点各单向固定方式常用两个反向安装的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，两个轴承各限制丝杠在一个方向的轴向移动；一支点双向固定，另一端支点游动方式常用在工作温度较高，跨度较大的场合，作为固定支承的轴承应能承受双向轴向载荷，故内外圈都要固定。当轴向载荷较大时，作为固定端的支点可以采用向心 轴承和推力轴承组合在一起的结构，也可以采用两个角接触球轴承（或圆锥滚子轴承）“背对背”或“面对面”组合的结构；两端游动方式常用在人字形齿轮的装配中。 的设计与校核 轴的设计计算 （在以下轴的计算中如无特殊说明，所查阅公示、表格、图等均出自濮良贵、纪名刚主编机械设计第八版） （ 1）求轴上的功率 P，转速 P= =国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 12 n = r/s T=9549=m （ 2）求作用明轮的力 已知明轮的直径： D=1250轮推进力： F 轮 =P/2=427N （ 3）初步确定轴的最小值 先按式（ 15步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45钢，调质处理。 根据表 15 1100 A，于是得 d = 4）轴的结构设计 拟定轴上零件的装配方案 现采用如下 图 4 图 4装配方案 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 为了满足明轮的轴向定位要求， 轴端右端需制造出一轴肩，故取 段的直径 5 ，取 d； 根据定位条件， 段的直径 0。 根据明轮宽度取 L - =570 根据零部件的装配位置，取 L - =30L - = 200L - =84步选择滚动轴承。 因为轴承主要承受径向力的作用，故选用深沟球轴承。由轴承产品目录中初步选取 0基本游隙组、标准精度级的深沟球轴承 6205，其尺寸为 55225 。 轴承两端均采用轴肩定位，并用轴承座固定。 轴上零件的周向定位 明轮与轴的轴向定位采用花键连接。 滚动轴承与轴的轴向定位是由过度配合来保证的。 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 13 确定轴上的圆角与倒角尺寸 参考表 15轴端倒角为 0451 。 （ 5）求轴上的载荷 首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。在确定轴承的支点位置时，应从手册中查取a 值（参看图 15对于 6205深沟球轴承，查 。 根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。如下图 4 从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面 将计算出的截面处的 的值如下： 弯矩： 5 4 1 1 7 2 4 4 3 2 3 6 2 4 4总弯矩： 21 5 1 2 4 6 2 9 222 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 14 1 2 6 3 1 6 9 3 2 3 6 223 扭矩： 439301 219652 （ 6）按照弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据式（ 15上面的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取 ，轴的计算应力 M 2 1 9 6 2 6 3 1 1)( 3 222223 前已确定轴的材料为 40 调质处理，由表 15的 1 。因此 1 ，故安全。 承的设计与校核 查 择深沟球轴承 6205，其基本额定动载荷 0800 ，基本额定静载荷 9500 （ 1）求两轴承受到的径向载荷 将轴承部件受到的空间力系分解为铅垂面和水平面两个平面力系。 由前面轴的受力的分析可知： NF 22r 1 22r 2 （ 2）求两轴承的计算在轴向力派生轴向力，由于轴上没有轴向力的作用，所以两轴承 的计算轴向力 （ 3）求轴承的当量动载荷 1P 和 2P 因为 0 3的径向载荷分布系数和轴向载荷分布系数为 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 15 对轴承 1 0,1 11 对轴承 2 0,1 22 因运转过程中有中等冲击载荷，按表 13f,取 6 7 ）（）（ ）（）（ （ 4）验算轴承寿命 因为 21 ，所以按轴承 1的受力大小验算 9 2) 6 21 0 8 0 0(2060 10)(6010 3616h 轴器的选择 计算联轴器所需的转矩： T 查课本 269 表 17 1 . 5 2 9 4 . 6 4 4 1 . 9 T N m 查手册 94页表 8 5 液压件及内燃机的选择 接明轮轴的液压马达的选择 输入轴的扭矩为 T=m，查手册选用型号为 数如下： 排量 V=1413 ml/r；额定压力 0高压力 5定扭矩 4332=283速范围 2320r/ 接收割机的液压马达的选择 输入收割机的主轴转速为 738 r/手册选用型号为 数如下： 排量 V=64 ml/r；压力 P=25矩 T=225速范围 151500r/ 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 16 接传送带的液压马达的选择 输入传送带的扭矩为 T=m，查手册选用型号为 数如下： 排量 V=64 ml/r；压力 5矩 T=225速范围 151500r/ 动液压泵站的选择 根据需要选择 量 箱可用油 60L。 电机组的选择 根据需要选择玉柴发电机组型号 24率 24压 400/230V，电流 43A，配柴油机型号 发电机型号 1800 750100重 870 6 结 论 中国地质大学长城学院 2012 届毕业论文（设计） 17 （ 1）明轮部分经计算，能够完成相关的任务，设计比较合理。 （ 2）主要零部件经过强度校核满足强度要求，但是由于回收水草的需要，轴较长，结构不是特别紧凑。 （ 3）所设计的清除装置尺寸小，运动灵活，适宜在中小尺度的水域生态系统中进行水草收割，能够达到净化水质的作用。 （ 4）本设计的小型水草收割机船体平稳、灵活，驱动力小，可以大大提高沉水植物的收割速度，有效解决人工收割效率低的问题。 （ 5）由于