毕业设计（论文）-脱挂梁设计.doc

华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 I 前 言 中国地大物博，蕴藏着丰富的水利资源，长江黄河更是我们的历史动脉，一直以来 哺育着中华儿女，然而解放前我们并没有真正利用好这些资源，白白看着滚滚大水“奔 流到海不复回” ，浪费了多少宝贵财富。解放后，我们的水利建设迅速发展。水利工程建 设成为国民经济的一项重要任务，它可以综合满足工业和民用供电、供水、干旱地区的 灌溉、改善通航条件以及各项需要，并解决其它一些问题。 水利工程的建设和发展要有过硬技术的保证，水工机械就是其中特别重要一项，而 脱挂梁对于水工机械的可靠性具有极其重要的作用。脱挂梁的主要功用就是配合启闭机 完成起吊和放下闸门的任务，在人员无法进入的水下完成自动挂钩或脱钩工作。但是由 于其传动机构比较复杂，运动参数和动力参数都随着(时间或者位置)变化，在传统设计中 又需要知道全方位的传动性能特性，设计图纸多，绘图工作量大，因此脱挂梁的设计周 期比较长。但在本次设计中我们运用了C+在计算机上编程，这样就大大缩短了设计周 期，采用AotoLisp作为VC+和AutoCAD的接口建立基本图形元素的绘图函数，就 可以快速出图，从而实现了脱挂梁设计的全自动化。另外，设计过程中有些参数之间存 在复杂的相关关系，一般没有现成的公式可以套用，这就需用采用设计专家的知识来确 定这些关系。 C+是从C语言发展演变而来的一种面向对象的程序设计语言。C+语言的主要特 点表现在两个方面，一是全面兼容C，二是支持面向对象的方法。由于脱挂梁机构复杂， 有些零部件形状也比较复杂，况且运动参数和动力参数都是随着时间变化的，用常规的 方法设计，不仅计算繁琐，误差较大，可如果我们利用C+语言，对其进行分析设计， 将会得到事半功倍的效果。但是由于这是我们第一次真正的学习和运用C+语言，水平 和知识都很有限，在设计中存在很多不足，设计的成果也不是太满意，因此在设计过程 中可能会存在些许纰漏，不足之处敬请各位老师批评指正。 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 II 摘 要 脱挂梁的主要功用就是配合启闭机完成起吊和放下闸门的任务，在人员无法进入的 水下完成自动挂钩或脱钩工作。脱挂梁种类很多，应用也很广泛，因此在水利工程机械 上占有重要的地位。我们这次的设计项目是齿轮齿条式脱挂梁，它是一种机械传动形式 的脱挂梁，其传动机构主要由吊钩、拉杆、偏心轮、中间轴、齿轮、齿条等组成。软件 界面是在C+环境中生成的图形，其目的是方便与用户进行交流。类库的建立可以使我 们设计工作量大大的减少。我们这次设计，利用VC+建立了计算模型，运用计算机进行 计算，这样不仅保证了设计精度，提高了脱挂梁的性能，而且实现了脱挂梁设计的全自 动化。我们通过对脱挂梁的参数化设计的研究,并且通过对脱挂梁运动过程的分析,成功 建立了脱挂梁各部件之间的函数关系，也就是利用VC+编制了脱挂梁所有图纸的参数化 程序,并利用VisualLISP作为C+和autocad的接口,试验表明次设计方法可以大大缩短 脱挂梁设计周期,在水利工程机械设计中有较大的应用价值. 关键词：关键词： 脱挂梁 水利工程机械 软件界面 参数化设计 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 III Abstract The main function of the shed and lifting beam is to complete the duty of hoisting up and laying down the strobe,when people are unable to complete the automatic suspension hook or get unhooked the work under the water . The shed and lifting beam has many kinds and ueses widely ,consequently it is has an important place in the haydraulic engineering .Our goal in this design is shed and lifting beam which type is gear.The software interface is prouduced in c+ environment,which purse is get on well with the user.The aim of the class set up is to decrease our design load. Its a kind of mechanically driven one, whose running gear is principally composed by hook, drawbar, wobblers, jackshaft, gear, and rack grade. In the process of designing, we create the computation modol and compost the computational program with VC+ theory by computer.Moreover all the figures are marched by computer. In this way, it can ensure the design accuracy, and achieve the transfer characteristic, and then the load of mechanism would come to a basic equilibration at omni range. Basing on the result of the theoretical calculation, we have an innovation on the running gear, and realize the full automation of the lifting beam. According to the research of parametric method design and the analysis of its moving process, we establish the function relationship among every component of lifting beam. Besides, we work out all the drawing parametric procedures with the VC+ 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 IV theory, and use the VisualLISP as interface.All the tests show that the program can greatly reduce the time of the design of lifting beam. The program is of great value in hydraulic engineering design. Key words : shed and lifting beam hydraulic engineering software interface parametric method design 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 1 前前 言言 .I I 摘摘 要要 .IIII ABSTRACTABSTRACT .IIIIII 第一章第一章 概述概述 .1 1 1.1 脱挂梁的用途 .1 1.2 脱挂梁的各种类型及工作原理 .1 1.3 国内外应用概况 .3 1.4 发展前景 .3 1.5 常见脱挂梁的缺陷分析 .3 1.6 脱挂梁智能化自动化设计的优势分析和可行性论证 .4 第二章第二章 软件界面的设计软件界面的设计 .4 4 2.1 图片准备 .4 2.1.1 图形绘制.4 2.1.2 图片的处理.5 2.2. 程序框架的制作.5 图图 2-82-8 程序运行结果程序运行结果 .1010 第三章第三章 图形接口的绘制图形接口的绘制 .1010 3.1. 引言.10 3.2. AUTO CAD 命令、AUTO LISP 语句和 C+函数对应关系 .11 3.3. 任务.12 3.4. 采用 VISUAL C+6.0-AUTOLISP作为接口，建立基本图形元素的绘图函数。 .14 3.4.1 圆心半径画圆.14 3.4.2 两点直径画圆.14 3.4.3 三点画圆.15 3.4.4 两点画直线 .15 3.4.5 图层的选择.16 3.4.6 圆弧的绘制 .16 3.4.7 镜像的使用 .17 3.4.8 矩形的绘制 .17 3.4.9 倒圆角的绘制 .17 第四章第四章 类库建立类库建立 .1818 4.1.基本要求.18 4.2.绘制图形.21 4.2.1.溢洪道脱挂梁.21 第五章第五章 主要参数建立主要参数建立 .2323 5.1 梁断面的系列化设计 .23 5.2.吊钩主要尺寸的确定.26 5.2.1 吊钩开口宽度有关的尺寸的确定：.26 5.2.2 吊钩厚度和宽度的确定：.26 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 2 5.2.3 吊钩的选择.28 5.2.4 吊钩的重量（面积）计算.28 5.2.5 吊钩重心坐标计算.28 5.3 组合梁的整体稳定性 .29 5.3.1 焊接等截面简支梁的校核 .29 5.3.2 结论.31 第六章齿轮齿条式脱挂梁的运动分析和动力分析第六章齿轮齿条式脱挂梁的运动分析和动力分析 .3131 6.1 传动机构的运动学分析 .32 6.1.1 偏心轮和吊钩之间的转角关系.32 6.1.3 偏心轮与左吊钩之间的受力关系 .37 6.1.4 偏心轮与右吊钩之间的受力关系 .38 6.2 传动特性的逼近 .39 6.3 中间轴计算 .40 6.4 拉杆销轴的计算 .40 第七章第七章 参数化绘图程序设计参数化绘图程序设计 .4141 7.1 基本要求.41 7.1.1 零件图按照完全参数化绘图 .41 7.1.2 装配图按照半参数化绘图 .41 7.1.3 图框标题栏明细表等不变部分作为初始环境 .41 7.2 本次设计图形编码 .41 论文设计总结及致谢论文设计总结及致谢 .4242 参考文献参考文献 .4242 附录附录 1 1 程序代码程序代码.4343 附录附录 2 2 英文文献及翻译英文文献及翻译.124124 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 1 第一章 概述 1.1 脱挂梁的用途 脱挂梁是水电站的重要设备，在人员无法进入的水下完成挂钩或脱钩作业时，配合 启闭机实现起吊和下放闸门。在水坝的闸门中，脱挂梁具有十分重要的作用，当水坝采 用移动平车启闭闸门时，就必须对闸门自动挂钩和脱钩。采用液压启闭机启闭闸门而需 长期悬挂时，为了使液压系统卸荷，有时也采用自动挂钩和脱钩。而简单的挂钩和脱钩 如果采用人力，操作烦琐，费时费事，且不安全。所以自动脱挂梁的设计显得优为重要， 设计参数的精确性也极为重要。脱挂梁可以保证闸门（拦污栅）与起重机重吊钩之间的 远距离脱挂钩，而无须繁重的手工操作。挂钩与脱钩都可以在水下进行，脱挂梁可以快 速操作闸门，减轻工作人员的劳动强度。 1.2 脱挂梁的各种类型及工作原理 由于脱挂梁的发展尚处于初级阶段，国内外标准不一，具体统计较为困难，但我们 常见的脱挂梁类型主要有吊式自动脱挂梁，齿轮齿条式，液压自动式和电磁式等。 （1）吊式自动脱挂梁的工作原理，其结构示意如下图 1-1： 1 2 3 4 5 6 7 III 图 1-1 脱挂梁示意图 1-驱动装置，2-吊钩装置，3-梁体，4-偏心轮装置，5-滚轮装置，6-制动装置，7-拉杆装置和平衡装置。 自动脱挂梁在工作时，是从起重机司机室远距离控制台发出操作指令，抓梁与闸门 的联接和脱挂钩信号也送到控制室。因为在平衡装置的作用下，吊钩会停在 I 点位置， 当梁下降时，驱动装置先与闸门接触，并把动力传输到偏心轮装置，再到拉杆，这时拉 杆对吊钩有水平方向的作用力，吊钩就会到 II 点，这就是挂钩过程。 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 2 当梁体再下降，吊钩在拉杆作用下，会再由 II 点回到 I 点，实现脱钩的过程，因为 驱动装置的齿轮是单向作用的，上升过程中对吊钩没有任何影响，吊钩在平衡装置的作 用下，会一直保持在 I 点。 （2）齿轮齿条式脱挂梁是一种机械式自动脱挂梁，其传动机构主要由吊钩，拉杆， 偏心轮，中间轴，齿轮，齿条等组成。其传动机构由齿轮齿条和几何对称但运动不对称 的双四连杆机构组成。 其传动机构由齿轮齿条和几何对称但运动不对称的双四连杆机构组成。为便于分析， 脱挂梁的传动机构可以抽象为四杆机构。偏心轮抽象为 OA，吊钩抽象为摇杆 BC，拉杆抽 象为连杆 AB，梁体抽象为机架 OC，现以左吊钩传动机构为例，计算模型如下图 1-2 所示： L a e b h AL x y A0L BL B0L C B A O f 图 1-2 自动脱挂梁左连杆机构计算模型 （3）液压自动式的主要组成由脱挂梁体，泵站系统，液压穿轴装置，定位装置，信 号装置以及电缆防水接线和防水密封插头等部件组成。液压自动脱挂梁主要由脱挂梁体、 泵站系统、液压穿轴装置、定位装置、导向滚轮装置、信号装置以及电缆防水接线盒和 防水密封插头等部件组成。液压脱挂梁的工作原理如下： 1） 对位 脱信号装置能将信号发送到操作室，直观显示出销轴位置。挂梁对位是指脱 挂梁销轴中心与闸门吊耳孔中心对准的过程。脱挂梁对位由设在脱挂梁两侧底板上的定 位销和设在下吊耳上方的对位信号装置来完成。当脱挂梁下降接近闸门时，定位销首先 进入闸门上的定位孔，固定住脱挂梁的前后左右位置。然后随着脱挂梁的进一步下放， 对位信号装置的铁芯头部与闸门吊耳顶板接触，并将铁芯上推，对位信号装置的下降感 应器中产生感应电流。当脱挂梁继续下降使铁芯全部进入感应器中时，感应电流达到量 程的最小值。这时脱挂梁正好落在闸门上，脱挂梁上的液压穿轴装置的中心也正好对准 闸门吊耳孔的中心。同时设在起升机构上的高度传感器动作，起升机构断电停机。对位 过程完成，可以进行穿轴动作。 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 3 这种对位方式由定位销、对位信号装置以及高度指示器三个环节共同进行约束，因此一 般不会出现对位错误。另外，通过荷载限制器也能对是否准确对位辅助加以判断：当脱 挂梁坐在闸门上时，荷载限制器的显示值达到最小值。如果此时对位信号装置也同时达 到最小位置，则可判定已准确对位。 2） 穿轴 按“泵站启动按钮”启动油泵组，液压油经三位四通电磁阀中位卸荷口(滑 阀机能为 M 型)回至油箱，电动机空载启动。至电机运行平稳后，再按下“穿轴”按钮， 三位四通换向阀动作，阀芯换位，穿轴油路系统接通，液压油经三位四通阀进入销轴无 杆腔，销轴前移穿轴。穿轴到位后，位置发信器发出信号。按下“停止”按钮，电动机 停止运转，三位四通换向阀复位，油路系统锁死。油路系统闭锁后，销轴不会在水压作 用下自动回退。 3） 脱轴 按“泵站启动按钮”启动油泵组，液压油经三位四通电磁阀中位卸荷口回 至油箱，电动机空载启动。至电机运行平稳后，再按下“脱轴”按钮，三位四通换向阀 动作，阀芯换位至另一位置，脱轴油路系统接通，液压油经三位四通阀进入销轴有杆腔， 销轴后撤脱轴。脱轴到位后，位置发信器发出信号。按下“停止”按钮，电动机停止运 转，三位四通换向阀复位，油路系统锁死。 1.3 国内外应用概况 自动脱挂梁技术在国内外都被遍利用，特别是在中小型的闸门。如秦山核电三期工 程海水系统，结构设计为平面滑动闸门、角钢边宽框钢筋混凝土结构，闸门槽宽度为 575 mm、深 150 mm，闸门宽 5250 mm、厚 500 mm、高度从 1000 mm 至 4200 mm 不等，在 那里也用到了自动脱挂梁。小浪底工程的液压自动抓梁技术的利用。小浪底工程的移动 式启闭机共有 9 套液压式自动抓梁，是目前国内集中采用液压抓梁较多的工程。其中 8 套单吊点抓梁，由 4000N 水塔门机操作，最大工作水深约 90M；1 套为双吊点抓梁，由 电站尾闸室 2x2500 台车式启闭机操作，最大工作水深约 10m。 1.4 发展前景 由于现在水电站要求的水头越来越大，也就是说闸门工作的深度越来越深，这就对 自动抓挂梁的技术要求越来越高。水流流动对脱挂梁的稳定性的影响也变大。这对自动 脱挂梁结构要求更高，导向装置要更精确，稳定，自动脱挂灵活，并且还要观察到脱挂 钩的运动过程。吊点与吊环的设计要求更合理，尽量减小水流对其的影响。 1.5 常见脱挂梁的缺陷分析 （1）齿轮齿条式脱挂梁：齿轮齿条式脱挂梁的吊钩重达数百公斤，在脱钩或挂钩过程 中产生较大的不平衡力矩。脱钩时产生较大的正值负载，需要较大的驱动力。而在挂钩 时产生较大的负值负载，造成机构的前冲。影响传动机构的平稳性。为了保证传动机构 的正常工作，齿条不得不兼作平衡重，牺牲了脱挂梁的部分自动性能，这样脱挂梁每操 作一次，使用非常不便。 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 4 （2）液压式脱挂梁：液压脱挂梁的设计目前国内尚无统一的标准。本工程液压脱挂 梁的设计既有对其他工程同类产品设计经验的借鉴，也有针对小浪底工程的具体条件所 采取的措施。从这些脱挂梁目前的运行情况来看还是比较好的，其安全性和可靠性均达 到了预期的设计目标，到目前为止还没有发生提门挂不上钩，闭门脱不掉钩的情况。但 根据对以往工程脱挂梁运行情况的调查，约 60%以上的故障是由于脱挂梁防水密封失效造 成的，而这其中又有一部分原因是拔、接电缆插头造成的。因此，从设计的角度来讲， 一方面要选用防水性能较高的电缆插座新产品，提高密封效果和延长插座的使用寿命， 另一方面应在工程总体布置阶段，在不影响工程正常运行的前提下，尽量减少不同尺寸 的孔口的数量，以减少脱挂梁种类和更换脱挂梁、拔接电缆插头的次数，提高脱挂梁的 工作可靠性。 1.6 脱挂梁智能化自动化设计的优势分析和可行性论证 脱挂梁智能化自动化设计具有以下优点： 1该设计是一个自动化的设计过程，整个设计过程都有计算机按照程序来完成。 2原始参数的输入采取对话框，界面友好，操作简便。 3脱挂梁的智能性全部集中在程序中，对用户来说，本程序是一个傻瓜操作。不需要 计算机专业知识就能操作，从而完成脱挂梁的设计。 4本程序是高效设计程序，使工作效率得到了有效的提高。 本设计通过建立计算模型，利用计算机进行全程计算，得到了脱挂梁的传动特性，使 传动机构的载荷在全程基本达到了平衡，并根据理论计算的结果，创新了传动机构，免 去了操作过程的拆装，从而实现了脱挂梁的全自动化。因此其开发设计是可行的。 总之，该程序的成功开发将在脱挂梁的设计中具有较大实用价值。 第二章 软件界面的设计 我们用Visual C+ 6.0作为编程语言，采用对话框上有图形的界面。因此脱挂梁参 数化设计软件的界面为带有图片的对话框。 2.1 图片准备 2.1.1 图形绘制 在AutoCAD中，首先把背景设置为白色，这样将能更清楚的显示绘制的图形。如 图 2-1 所示 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 5 L1 (a) (a) L2 QeQe 闸门门槽中心线 W3 L4 L3 图1 脱挂梁的主要参数 W2 L7 W1 闸门起吊中心线 L6 L5 水流方向 图 2-1 脱挂梁的主要参数 图形绘制完毕后可以输出图片文件（.bmp） 。利用AutoCAD的菜单工具中的保存 命令，然后输入自己的姓名保存即可。 2.1.2 图片的处理 由于绘制的图形不能恰当的满足要求，因此要对其进行适当的编辑修改，在这里我 们选择图片编辑器进行进一步的操作，使图片显得美观大方。 首先利用 windows 的画笔功能打开图片文件，再利用图象（I）属性 里的裁剪功能，修改宽度和高度把右边和下边的白色边裁剪掉 接着利用图象（I）翻转旋转使图片旋转 180 度，再把右边和下边的白边裁剪掉 最后利用图象（I）翻转旋转使图片再旋转 180 度，使其恢复到初始位置。这样就 完成了对图片的编辑。那就要存盘了。 2.2. 程序框架的制作 从开始菜单中找到，程序Mcrosoft Visual Studio 6.0 接着进入其下属选项，点击 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 6 Mcrosoft Visual C+ 6.0，即可运行 C+ 6.0。视图寻找如图 2-2 图 2-2 查找运行 C+ 接着我们进入如下图 2-3 界面 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 7 图 2-3 C+运行界面 选择 fileNew ,进入如下图 2-4 界面 图 2-4 建立 C+文件属性选择 选择MFC AppWizardexe，在 P中添入姓名（全拼）LIKUO，选择 OK 按钮进入下图 2-5 界面。 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 8 图 2-5 C+属性建立选择 选择Dialog Based,选择 Next 按钮进入下一步界面如图 2-6 图 2-6 C+属性选择 选择As a statically linked library,选择 Next 按钮进入下一步界面 选择 Finish 按钮进入下一步界面 选择 OK 进入下一步界面如图 2-7 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 9 图 2-7 C+操作界面 程序框架制作完毕，选择Save all.存盘，编译链接，运行程序，观察程序运行结果 用鼠标拖动对话框的右下角使对话框尽可能大，可窗口的右下角看到对话框的尺寸。 删除对话框的文本说明，将确定和取消两个按钮拖到对话框的底步。 1）创建图形资源，在 C+窗口选择 InsertRsource 菜单命令 2）在弹出的Insert source对话框中选择Resource type项中的Bitmap,单击New 按钮，系统自动产生一个。 3）将制作好的图片拷贝到剪贴板上。 4）剪贴板上粘贴到资源中。 5）双击ResourceView标签上选中Dialog IDD_NAME_DIALOG条目，打开对 话框资源，在对话框中添加一个Picture控件。 6）选中Picture控件（通过双击控件的边框） ，打开属性对话框。在General|Type中 选择Bitmap,在General|Type中选择IDBBITMAP1 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 10 选择Save all,存盘，编译，链接，运行程序，观察程序运行结果如图 2-8： 图 2-8 程序运行结果 第三章 图形接口的绘制 3.1. 引言 Auto CAD的图形文件是一个复杂而又庞大的数据库文件，利用高级程序 设计语言 Visual C+直接来书写是非常麻烦的事情。 Auto CAD支持.DXF、.DXB、.IGES数据交换文件和.SCR为后缀的命令文件 以及.WMF为后缀图元文件，利用高级语言可以书写这种文件。早期的二次开发往往采 用数据交换文件方式，利用数据文件开发的优点是不需要太多的Auto CAD开发技术知 识,缺点是功能有限，且无法实现交互功能。 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 11 Auto LISP语言是Auto CAD的内嵌语言，Visual LISP是Autodesk公司 90 年 代后期推出的可视化的语言开发环境，是Auto LISP语言的扩展和延伸，使Auto LISP 语言走进了一个新时代。因此我们利用Auto LISP技术作为Visual C+和Auto CAD 之间的接口。 3.2. Auto CAD 命令、Auto LISP 语句和 C+函数对应关系 以画直线为例，在（1，3）和（8，12）两点之间画直线。 Auto CAD命令：Line Enter 1,3 Enter 8,12 Enter Enter Auto LISP语句: (command Line 1,3 8,12 ) Visual C+： 在nameDlg.cpp文件的前面加上 #include math.h #include stdlib.h #include fstream.h ofstream fout(name.lsp); 在name.h文件的最后加上函数定义 void Line(double x1,double y1,double x2,double y2)； 在nameDlg.cpp文件的最后加上函数实现 void Line(double x1,double y1,double x2,double y2) 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 12 const char line=(command line ; /用 line 代表(command line const char comma=,; /用 comma 代表, const char blank= ; /用 blank 代表 const char lend= )n; /用 lend 代表 )n; foutlinex1commay1blankx2commay2lend; 说明：1 在 C+中输出用“” ，输出字幅“”用“” ；2 在 C+中用n作为 输出结束。 在nameDlg.cpp文件的添加代码段加上Line(1.0，3.0,8.0，12.0)； 编译、链接、运行 进入Auto CAD，选择菜单：工具-加载应用程序-name.lsp-加载-关闭即可得到图 形 3.3. 任务 接口设计任务 void Circle(double x,double y,char *DorR,double value) void Circle(double x1,double y1, double x2,double y2) void Circle(double x1,double y1, double x2,double y2，double x3,double y3) 圆的编制程序如下： #include math.h #include stdlib.h #include fstream.h ofstream fout(Circle.lsp); 华北水利水电学院毕业设计说明书 共 140 页 第 页 13 void Circle(double x,double y,char *DorR,double value) const char circle=(command circle ; const char comma=,; const char blank= ; const char lend=)n; foutcirclexcommayblankDorRblankvaluelend; void Circle(double x1,double y1,double x2,double y2) const char circle=(command circle ; const char comma=,; const char blank= ; const char lend=)n; foutcircle2Pblankx1commay1blankx2commay2 lend; void Circle(double x1,double y1,double x2,double y2,double x3,double y3) const char ci