（机械设计及理论专业论文）土壤切削实验台车的设计及力学分析.pdf

i 海大学坝j 一学位论文 十壤纠削实验台车的设计 摘要 疏浚设备，又称挖泥船，广泛应用于江河湖库的清淤整治、港口航道的建设 与维护、填海造地以及城乡现代化建设等国民经济基础建设领域。疏浚设备是一 种水、土、机械三者相互作用的水上装备，掌握这三者之间的相互关系，是正确 选择、设计、制造和使用挖泥船，提高疏浚工程效益的关键。 虽然经过几十年的发展，我国疏浚业取得了巨大的成就，但是在自行设计大 型高效的挖泥船方面与国外的先进水平还存在着一定的差距。实验条件落后、专 业基础人才的缺乏都是制约我国疏浚行业发展的重要因素。因此，我们期望研究 设计一个具有多种切削功能、又可对各种介质进行切削的土壤切削实验台。 本文主要是进行土壤切削实验台车的设计，包括实验台车的方案比较、设计 思路、实验台的总体布局以及各个部分的功能介绍。并利用有限元分析软件 a n s y s 对土壤切削实验台车进行了机架的强度计算和校核、切削实验台车的固 有频率的计算，将此频率与绞刀切削土壤时的激励频率比较，进行了共振分析。 还对实验台车和牵引钢丝绳组成的振动系统也进行了共振分析。该课题为挖泥船 高效耐磨挖掘机具的研发提供了一个良好的基础。 关键词：疏浚，实验台车设计，建模，力学分析，共振 t h e s ，i s f o r m a s t e r d 。e g r e e o f h o h a i u n i v e r s i t y t h e d e s i g no fs o i lc u t t i n gc a r r i a g e a b s t r a c t d r e d g i n ge q u i p m e n t ，a l s o c a l l e d d r e d g e r s ，h a v e b e e n w i d e l y u s e di nt h e f u n d a m e n t a li n f r a s t r u c t u r eo fn a t i o n a le c o n o m y , s u c h a sd r e d g i n gi nr i v e r sa n dl a k e s ， c o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c eo fp o r t sa n dw a t e r w a y sa n d m o d e r n i z a t i o ni nu r b a na n d r u r a la r e a s d r e d g i n ge q u i p m e n tw o r k o nt h em e c h a n i s mo fi n t e r a c t i o na m o n gw a t e l s o i la n dm a c h i n e r y t om a s t e rt h ei n t e r r e l a t i o no ft h o s et h r e ef a c t o r s i st h ek e yt o c h o o s e ，d e s i g n ，m a n u f a c t u r ea n du s et h ee q u i p m e n ta c c u r a t e l y , a n d t oi m p r o v et h e b e n e f i to fd r e d g i n gp r o j e c t s a f t e rd e c a d e so f d e v e l o p m e n t ，d r e d g i n gi n d u s t r y i nc h i n ah a so b t a i n e d e n o l t n o u sa c h i e v e m e n t s ，b u ti ts t i l ll a g sb e h i n dt h ew o r l d a d v a n c e dd e v e l o p m e n ti n t h ed e s i g no fl a r g ea n de f f i c i e n td r e d g e r s l a go fe x p e r i m e n tc o n d i t i o na n ds h o r t a g e o fp r o f e s s i o n a lb a s i ct a l e n t sa r ei m p o r t a n tf a c t o r sr e s t r i c t i n go u rd r e d g i n gi n d u s t r y d e v e l o p m e n t ，t h e r e f o r e ，w ee x p e c t t h a tas o i l c u t t i n gc a r r i a g e c o u l db ed e s i g n e d s u c c e s s f u l l y , w h i c hh a sd i f f e r e n tc u t t i n gf u n c t i o na n di sa b l et oc u td i f f e r e n tt y p e so f s o i l t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd e s i g n st h es o i l c u t t i n gc a r r i a g e ，i n c l u d i n g s c h e m e c o m p a r i s o no fs c h e m e o ft h ec a r r i a g e ，p r i n c i p l eo f d e s i g n ，a r r a n g e m e n t o ft h e c a r r i a g e a n dp r e s e n t a t i o no fi t sd i f f e r e n tp a r t s t h es t r e n g t ho ft h ec a r r i a g ei sc a l c u l a t e da n d c h e c k e da n dt h en a t u r a lf r e q u e n c yo ft h ec a r r i a g ei sc a l c u l a t e db ya n s y s ak i n do f s o f t w a r eo ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d a l s ot h er e s o n a n c ea n a l y s i so ft h ec a r r i a g ee x c i m db y t h ef r e q u e n c yo fc u t t e ri sm a d e i na d d i t i o n ，t h ep o s s i b l er e s o n a n c eo ft h es y s t e mc o m p o s e do f c a r r i a g ea n d s t e e lw i r e si sa l s oa n a l y z e d t h i sp r o j e c tw i l lo f f e rag o o d e x p e r i m e n tp l a t f o r m t or e s e a r c ha n d d e s i g nl a r g ea n d e f f i c l e a tc u t t i n gt o o l s k e y w o r d ：d r e d g i n g ，d e s i g nc a r r i a g e ，m o d e l i n g ，m e c h a n i c a la n a l y s i s ，r e s o n a n c e 型塑叁堂堡l 二兰竺丝兰兰塑塑些坚塑笙堡至塑! 坠 第一章绪论 1 1课题背景 1 1 1 国内疏浚行业发展的历史和现状 如果从清政府1 8 9 5 年向荷兰订购第一艘链斗挖泥船算起，中国疏浚业已整 整跨过一个多世纪的历程。然而，和世界疏浚工业的历史相比，我国疏浚工业的 起步足足晚了1 0 0 余年。1 8 9 7 年我国成立了海河疏浚工程局，即今天的中港集 团天滓航道局( 天津疏浚公司) ，1 9 0 2 年海河工程局从荷兰进口1 艘1 8 0 m 3 h 链 斗式挖泥船“北河”号，同年从英国进口2 艘抓斗挖泥船；1 9 1 0 年进口5 0 0 m 3 h 链斗挖泥船“新河”号和5 0 0 m 3 h 挖泥船及5 艘泥驳。到1 9 1 0 年，我国的疏浚 能力才仅仅只有大约3 0 0 万i l l 3 。可见，在新中国诞生之前的5 0 年间，我国疏浚 工业可谓风雨萧条，旧中国残留下来的疏浚设备更是寥寥无几，几乎都是舶来品。 因此，可以这样说，解放前的5 0 年，中国没有自己的疏浚制造业【”】。 上个世纪5 0 年代初至8 0 年代末是我国疏浚工业的创业阶段。解放初期，百 废待举，在这种财力、物力及技术力量都缺乏的历史条件下，民族疏浚工业大多 只能依靠对若干进口小型绞吸、链斗船进行测绘仿造，如“水工一号”、“洞庭号” 等。1 9 5 3 年交通部将海河工程处与上海港务局疏浚工程公司、张华浜船厂、天 津新河船厂合并成立交通部航务工程总局疏浚公司。这是一个全国性的专业疏浚 公司，负责全国港口航道和水利工程的疏浚，以此为基础，逐步发展成为天津、 上海、广州、长江、黑龙江等5 个航道局 6 ”。这些专业疏浚公司组建以后，国 内挖泥船才开始走上专业化设计的阶段。到了6 0 年代末期，尽管产品技术粗糙、 规模小、可靠性差、能耗高，但毕竟我们有了自己设计制造的挖泥船。7 0 至8 0 年代期间，为满足国内治水工程的需要，陆续开发出一大批具有一定技术水准的 新船型，较具代表性的有8 0 m 3 h 全液压绞吸船等。这期间国内所建造的挖泥船 无论在数量、品种以及技术含量上都较7 0 年代以前有了明显进步，并在一些重 要的航道、水利建筑工程中发挥了较好的效益。尽管如此，由于多种因素的影响， 这个进程与同期国民经济建设发展的需要仍相去甚远。7 0 年代，为实现“三年 第一章绪论 改变港l l 面貌”的目标】，中国歧府先后两次向荷兰i h c 公司订购了3 9 艘各 类大中型挖泥船，这批进口的大中型挖泥船在我国其后的疏浚工程中一直发挥 着主干作用。很显然，在建国之后的将近4 0 年的漫长时间旱，我国疏浚装备依 赖进口的局面十分明显，我们自己的民族疏浚工业还依然处于艰难的创业阶段。 虽然我国的疏浚工业与世界同期水平比较，仍然存在着不小的差距，但是 4 0 年的艰辛创业，毕竟为我国疏浚工业进入高速发展的轨道奠定了坚实的基础。 从9 0 年代初期起，我国疏浚工业开始步入了一个以高新技术为目标的快速发展 时期。在这个期间，一大批高技术含量的创新产品相继问世，其中比较具有代 表性的产品有：独立研制的多功能1 2 5 0 m 3 h 吸盘挖泥船( 关键装备进口，用于 葛洲坝大江航道) ，采用德国k r u p p 泥船装卸系统新技术的1 5 0 0 m 3 耙吸挖泥 船( 关键装备进口) 等等。这些产品的问世，不仅填补了多项国内空白，而且 部分产品的技术性能接近了国外水平，且经济实用，已经形成批量生产，如长 航型1 5 0 0 m 3 耙吸船批量建造6 艘，5 0 0 m 3 耙吸船批量4 艘( 以上两船型已经明 显优于7 0 年代荷兰、日本进口的同型船) f 2 , 6 l ，近1 0 年国产的疏浚设备无论整 体技术的先进性、建造规模、品种的多样性等方面都是建国以来所未曾达到的。 而且，在此期间，许多疏浚公司还结合自身的经验和需要，成功进行了多项技 术改造，使得不少旧的装备在节能增效方面作出了新的贡献。进入9 0 年代以后， 大批进口i 虱# j - 挖泥船的势头开始受阻于国内疏浚工业的崛起。同时，在进口规 模受到抑制的情况下，中国设计制造的挖泥船开始跨出国门，走向世界，我们 先后向东南亚、西亚的一些国家出口了我们自己的挖泥船。这一方面显示出我 国疏浚工业的不凡业绩，同样也是我国疏浚业发展的一个里程碑。今后在常规 挖泥船上已经完全没有必要依赖进口。1 9 9 9 年底正式启动的“百船”工程，成 为我国疏浚工业发展的一个新的亮点【9 , 1 0 】。这给国内产品与国外同行竞技提供了 很好的机会，同时也促进了产品技术质量的提高，有利于拉近同国外先进水平 的差距a 百船工程不仅拉动了内需，锻炼了队伍，还集中展示和检阅了我国疏 浚工业的进步，对加大地方水利整治力度起到了有力的推动作用。 近年来，各疏浚公司在经历了体制调整、“政经分离”的短时阵痛之后，找 准了自己的定位，主动进行改革，并积极投入国内外疏浚市场的竞争。作为国 内疏浚界的龙头老大，拥有总装机功率约1 7 万千瓦、4 0 余艘各类挖泥船的上 第一章绪论 海航道局，2 0 0 1 年将一艘由日本进口的6 5 0 0 m 3 耙吸船成功地改造为9 0 0 0 m 。耙 吸船，使我国终于有了第一艘进入世界级大型耙吸挖泥船行列的挖泥船。面对 上海航道局的厉兵秣马以及长江航道局的异军突起，其他疏浚公司也积极的采 取相应的措施，近些年来，江苏、安徽、湖南等地疏浚部门、行业，在自主发 展地方疏浚工业方面表现出极大的热忱和创造力，成绩斐然【2 0 j 。 近1 0 年来我国疏浚工业所发生的变化是前4 0 年所不及的。但是如果没有 4 0 年的摸索和积淀，没有疏浚界几代人的执着追求，也就没有今天的成就。另 个重大因素就是改革开放。l o 多年的改革开放，为9 0 年代疏浚工业的迅猛 发展打下了充实的物质与经济基础，同时也营造了一个良好的外部环境，有了 更多与国外同行进行技术切磋、学习和消化吸收国外先进经验的机会。 1 1 2 疏浚设备的概述 经过几个世纪的发展演变，疏浚设备的结构种类基本已经确定。按照工作 原理一般分为两大类：机械式挖泥船和水力式挖泥船。机械式挖泥船包括抓斗 式、链斗式、铲斗式等，其作业特点是利用挖掘机具作周期性地切泥、输送、 卸泥。水力式挖泥船主要有绞吸式、耙吸式、斗轮式、吸扬式等。水力式挖泥 船依靠水力输送或船舶自航可以长距离输送挖掘的介质，而且挖掘、输送、排 放是同时连续进行的。很显然，水力式挖泥船更适合于向大型化发展，适合于 大型疏浚与吹填工程的施工。另外，由于疏浚工程需求的多样性，还有所谓的 环保挖泥船、喷水挖泥船、射流泵挖泥船、气动挖泥船、两栖爬猫挖泥船、半 潜挖泥船、水力挖塘清淤机等等【1 1 _ 1 3 】。这里主要介绍几种主要的挖泥船： 1 。1 2 1 绞吸式挖泥船 大多数绞吸式挖泥船都是静态作业，抗风能力相对较弱，适合在内河航道 及湖泊疏浚。绞吸式挖泥船主要是通过绞刀对介质进行切削，然后通过输送管 道将介质输送到指定地点。绞吸式挖泥船如图1 i 所示。 绞吸式挖泥船源于美国并获得及其广泛的应用。为了保证全美4 0 2 2 5 k r n 航 道的畅通，美国每年疏浚大约3 0 5 亿1 1 1 3 ，可谓世界硫浚大国f 1 , 1 4 1 。在1 9 世纪 第一章绪论 末2 0 世纪仞，绞吸式挖泥船得到了迅速发展，例如，1 8 9 6 年芝加哥美洲疏浚 公司建造的“b e t a ”号绞吸式挖泥船，吃水深度1 9 5 m ，有2 个独立的泥泵，吸 管直径8 5 0 r a m ，是当时最大的挖泥船。据1 9 8 8 年初统计，美国、荷兰等7 0 个 国家( 不含中国) 拥有挖泥船2 5 8 2 艘，其中绞吸式挖泥船占4 0 ，在各类挖 泥船中比例最大【1 5 _ ”j 。 图1 - 1 绞吸式挖泥船 2 0 世纪7 0 年代末8 0 年代初，在中东地区深水港的建设过程中，由于需要 开挖大量坚硬的土质和岩石，而且疏浚区域大多在无掩护的海区，因此推动了 大型自航绞吸式挖泥船的发展，并导致了绞吸式挖泥船的性能跨入了一个新的 发展时代，其中尤为重要的是1 9 7 7 年第1 艘自航绞吸式挖泥船的诞生。1 9 8 6 年“l e o n a r d od av i n c i ”号自航绞吸式挖泥船研制成功，船内装有计算机控制的 自动化挖掘系统，可以使挖泥船操控达到最佳状态。那时是岩石疏浚的黄金时 代。 世界上著名的绞吸式挖泥船生产商当首推荷兰的i h c 公司，该公司生产的 挖泥船占世界挖泥船市场份额的5 0 。图1 - 2 列出了2 0 世纪7 0 年代以来巨型 绞吸式挖泥船的主要参数。除i h c 公司外，世界著名的绞吸式挖泥船制造商还 有德国的k r u p p 公司、荷兰的d a m e n 公司、美国的e l l i c o t t 公司、月本的三菱 重工、澳大利亚的n e u m a n n 公司等。 瓣井 姥蕴 黼 i 髓跨 。1 # + e _ 0 甄礴缵善端率隶 鼙率驰孵巢磅警撼撼搿 i i 赢r 诋，j 9 7 9矗知r 、，：；【1 6l i f 一 。j 磊” o ；52 蠢5 3 。j 逸j 赫 l 删i 舯 如h 9 s 6 如“r 一、 “：2 5 t l 潮4 - 蝴 2 j 5缸44 靳! 蛾? ，5 、，n h h r 州s u r z “r i k h 1 靶7 琳24 l 剐 ? g t o2 联， 2 x 5 舯l 班照 竺型二苎坐兰兰竺塾兰塑! 一兰 ! ：! 恕生堂 ! 翌墼 ! 堡燮! i ii 鬯 图1 - 2 不同年代最大绞吸式挖泥船的特性参数 1 1 2 2 耙吸式挖泥船 耙吸式挖泥船具有自航能力，调遣费用低，挖深大，输泥距离不受限制， 因此特别适合于远距离取沙的填海造地、大型港口航道的建设与维护等工程。 耙吸式挖泥船主要利用耙头进行介质的切削，并把切削的介质通过管道吸入挖 泥船的泥舱部分。耙吸式挖泥船如图i - 3 所示。 图i - 3 耙吸式挖泥船 洲海人掌心【学位论文 第一章绪论 靛j r _ ，、 ! i rf “x li j l 。1 一 ) “ 、”t d 1 “ - d ” j 1 r # h t ；? s ! i n 。：；t “， i ! i l + t t h ，。 ，：s q k 。1 1 $ 32 s ：e ：j 2 汕“：、r ，：r t 。 二孙煨 s ：二1 jq j n1 m t m 、h 岍“a “f ；：j i ：i 0 5 t q + t ，、4h t h i 、；“ 辩f x l l o is ：嘲 i ；“”a - 嚏时l4 ，1 i 辩二 ：瓤ij 瓣 、钔z 4 l 攫罅二 4 9 5融 挺l j l n ；a ，：le t l 4 l s ) t bi 二0 、”i l s ”m4 鲫 湘 图1 - 4 超大型耙吸式挖泥船的特性参数 1 0 0 多年来，耙吸式挖泥船虽然也在不断地发展，但是直到上世纪8 0 年代， 大型耙吸式挖泥船的平均舱容没有突破1 0 0 0 0 m 3 。1 9 9 3 年以前，全球共有1 8 艘舱容大于8 0 0 0 m 3 的大型耙吸船，总舱容1 6 4 2 0 0 m 3 ，平均9 1 2 2 m 3 ：然而，从 1 9 9 2 年开始并延续至今的东南亚大型吹填工程，创造了耙吸式挖泥船发展的辉 煌时代。1 9 9 4 年比利时d r e d g i r gi a t e m a t i o n a l ( 国际疏浚公司) 建成世界上第1 艘舱容1 7 0 0 0 m 3 的“p e a rr i v e r ”号超大型自航耙吸式挖泥船，这标志着耙吸式 挖泥船的设计、制造水平取得了重大突破【堋之o l 。据d r e d g i n ga n dp o r t c o n s t r u c t i o n ) ) ( d p c ) 2 0 0 3 年8 月统计，当时舱容在8 0 0 0 m 3 以上的大型自航耙 吸式挖泥船，全世界共有4 7 艘，其中超大型的( 舱容在1 7 0 0 0 m 3 以上) 有1 3 艘，这样的增长速度是惊人的。图i 一4 为超大型耙吸式挖泥船的特性参数。 最大的挖泥船历来都是业内人士关注的焦点，因为她代表了疏浚设备的技 术进步和发展动向。2 0 0 3 年疏浚巨头荷兰r o y a lb o s k a l i s 公司成功地将1 9 9 6 年 建造的“w df a i r w a y ”号的舱容从2 3 3 5 0 m 3 扩建至3 5 5 0 8 m 3 ，成为当今世界舱 容量最大的耙吸式挖泥船。但是，在2 0 0 3 年底上海疏浚国际会议上得到的消息， j a n d en u l 公司计划将“v a s c od ag a m a ”号扩建，舱容量将达到创纪录的 4 4 0 0 0 m 3 ，最大挖深达到1 6 0 m t 5 1 。这宏伟计划何时能够实现，国际疏浚界将 拭目以待。 从上述介绍可以看出，对于挖泥船功能的界定和名字的命名，主要是由挖 泥船切削介质的工具所决定的，这些工具包括绞刀、耙头、抓斗、链斗、铲斗、 水射流装置等等。由此，我们设想能设计一种疏浚实验台，在机架大部分装嚣 6 一差乏镰珊；i；，鼢】薹瑚撼嘲!兰瞄一自f；：，ii；t l | ；鬟赢阳期瓤澎m r， j 1 一磋嚣 餐耘糍斑豁察糕犍掣鲣蛾鲢蕺糙糍羲掣 觏扣：毒嘲”鲥辩嬲：；呈蝴蛐跏 一 |鞭皱豫灌羔!兰；薹_；汹陕燃阳瓣 一：=。 ， ； 、 j 、 ； ； 、 e： 叫 鬻_ 味_ 翟狰辩o b 坨 型堂尘鲎! 翌上! 垡堕= ! ! ；皇上兰已! i 垒 保持不变的情况下，希望只更换切削工具，从而实现绞吸、耙吸、抓斗、铲斗、 链斗、高压水射流等多种切削方式。如果能够实现这些设想，那么将为研究没 计高性能的挖泥船及配套的机具提供很好的实验平台。 1 1 3 课题研究意义 1 1 3 1 外因充分利用有利因素 我国疏浚工业经过几代人的奋斗和努力，尤其是近1 0 多年成效卓著的发 展，使疏浚装备的研制水平有了重大突破，并形成了一定的规模。加之我国改 革开发的不断深入，经济力量的不断强大，这些都为我国疏浚工业的进一步发 展进而腾飞奠定了非常重要的技术和物质基础。 另外，我国江河湖库众多，长江、黄河、淮河、海河、钱塘江等水系发达， 内河航道总里程约1 2 0 0 0 0 k m ，还拥有6 0 0 0 多个岛屿，1 8 0 0 0 k m 大陆海岸线和 1 4 0 0 0 k m 岛屿岸线，每年仅江湖泥沙淤积量就新增8 亿m 3 ，现有3 亿m 3 的疏 浚能力远不能满足要求，况且现有近1 0 0 0 艘挖泥船中将近半数的超龄船有待更 新，这些还不包括其他工程建设以来环保疏浚方面的需求，这样的缺口估计在 十年内都是很难填满的【4 , 2 1 - 2 4 。 从国际市场来看更加如此，；令战时代结束以后，各个发展中国家正抓紧机遇 大力推进国内的经济建设，远东地区大规模的基础设施建设尤其突出【甜。澳大 利亚在人工半岛上修筑的机场跑道；日本关西在一座人工岛上修建的整座机场； 在香港为修建集装箱码头、高速公路、机场、迪斯尼乐园等而展开的大规模围 垦作业；在新加坡、在马来西亚仅香港赤蜡机场一个项目就需填土3 亿m 3 。 因此9 0 年代以来有眼力的世界各大疏浚公司都源源不断地从挖泥船供应商手 中订购新装备，扩充自己的实力，主动参与激烈的市场角逐。国际著名的杨德 鲁疏浚公司2 0 0 0 年6 月就向k r u p p 购买了“航母”型3 3 0 0 0 m 3 耙吸挖泥船参 加新加坡的填海工程( 该船挖深已高达1 3 1 m ) 。面对这些在我们家门口的巨大 疏浚工程，中国各大疏浚公司当然不愿坐失良机。事实上，上海航道局除去前 述两个大船改造项目外，一艘1 2 8 8 8 m 3 的耙吸船已投入使用，广州航道局一艘 1 0 8 8 8 m 3 的耙吸船也已交付使用，新近天津航道局也同的一艘3 5 0 0 m 3 的耙吸船 已经交付使用。可见，巨大的市场需求将大大推动我国疏浚业的发展。 而且，传统的维护性疏浚只是一种基本任务，在其他领域对于疏浚要求的 增长也越来越快：如为港l 7 和工业开发创建新陆地；为近海管线，海岸排水口 管线和海底电缆的敷设而丌沟，回填和防护性作业；深海取砂，采矿；对海滩 平u 岸线的重新冲填，既有利海岸防护，还可开发为娱乐场所等等。所有这些都 取决于挖泥船的应用，也为疏浚业提供了更为广阔的市场。 1 1 3 2 内因总结制约因素，找出应对措施 多少年来我国一直没有一所高等院校设置过疏浚方面的专业( 研究、设计、 使用、管理、维修等) 。专业基础入才的匮乏，已严重阻碍了疏浚业的发展。与 国外一些先进国家如荷兰、比利时等形成鲜明的对比。尽快地加速体制改革， 重视疏浚高等教育的发展，设立疏浚或者与之相关的学科专业，从研究、设计、 锘8 造、施工、服务等各种环节加强科学管理，才能从根本上加固我国疏浚产业 的根基。 由于疏浚挖掘设备大部分在水下工作，受力复杂，探测困难，国内厂家的 注意力一般集中在生存上，无暇顾及水下挖掘工作的深入研究，因此在诸如尺 寸、重量、效率、寿命、动力匹配、挖掘机具受力、泥沙运动规律等关键指标 上只能依赖经验及宏观分析定性决定最终造成疏浚设备各项指标长期落后于 国外。所以只有加大科研资金投入，加强技术装备研制，并至少建立2 3 个有 权威性的完备的实验机构，才有可能改变这种局面。针对目前的薄弱环节制订 攻关计划，对土壤特性、耐磨材料、新型疏浚机具、环保机具、大挖深关键技 术、复合传动系统以及相关计算机软件等进行试验研究。 虽然我国的疏浚产业已经取得了长足的进步，但是由于很多大型高效的挖 泥船依然还是只能依靠进口，因此坚持“国轮国造”的保护政策，不断提高设 备国产化率；重点产品应注意“关键装备的引进”，以确保装备的整体性能，这 样的措施比较符合当前的国情1 2 , 2 5 1 。 综上所述，现在疏泼挖泥船的大型高效化已经成为一种发展趋势。而且我 国已经具备了某些重要的基础条件，也有能力，更有必要进行研制，从根本匕 8 塑塑叁兰堡：1 ：兰丝堡壅 塑二里! ! 堡 来说，只有在大型挖泥船的设计制造技术t ：有所突破，才谈得上是“疏浚强国”。 当然，这需要政府的扶持，也需要疏浚界人士的鼎力支持。 因此，如果成功的研究设计出能够模拟多种土壤切削方式，并可以对各种 介质进行切削的土壤仞削实验台车，作为疏浚实验台的一部分，将有助于改变 目前国内疏浚设备与技术实验研究条件不足的局面，为挖泥船高效耐磨挖掘机 具的研发提供了一个良好的实验平台。 1 2 本文的主要内容 论文从土壤切削实验台车的整体布局入手，在统筹考虑机械部分、控制部 分、泥泵以及其它各个装置的作用和最佳工作位置的基础上，希望能充分合理 的安排好它们之间的相互位置，从而在实验过程中，能尽可能少的移动这些装 置，使土壤切削实验台车能高效的工作。在上述前提下，论文侧重于机械部分 的设计，利用有限元分析a n s y s 软件，对整个实验台车的机架部分进行静力 分析和模态分析，以校正整个实验台车机架的强度，同时期望能避免由于受到 切削机具在工作过程中产生的激励而导致的共振，最终使疏浚切削实验台能够 安全高效的进行工作。 第一章将对我国疏浚行业的发展和现状进行概述，并介绍几种主要的疏浚 设备，同时对“土壤切削实验台车的设计”这一课题的研究意义进行阐述。 第二章将先介绍疏浚的主要过程，然后对两个实验台车设计方案进行比较， 并对采用的方案进行设计思路、整体布局及各部分功能的介绍。 第三章简单介绍a n s y s 软件，然后利用a n s y s 对土壤切削实验台车进行 了建模。接着对土壤切削实验台车模型进行静力分析，并进行了强度的计算和 校核。 第四章先建立实验台车的振动方程，接着介绍a n s y s 程序进行模态分析 所利用的子空间法的原理，然后对模态分析得到的固有频率及其振型进行共振 分析，最后建立实验台车钢索这样一个振动系统，同样对其作共振分析。 第五章对整个论文进行总结，一一列出结论，并指出本文的不足及有待改 善的地方。 i l _ i7 雄人学顺学位沧己 第二章土壤切削实验台车的总体设计 2 1疏浚作业的主要过程 上一章大致介绍了疏浚行业发展的历史和现状，以及一些主要的疏浚设备， 并对疏浚行业的前景进行了乐观的预测。正是基于这样的背景，使我们对土壤切 削实验台车的设计充满了信心和期待。 在设计土壤切削实验台车之前，首先须明确，疏浚过程一般可划分为四个阶 段f 1 2 l ： 1 用水力方法或用机械切割方法将水下介质( 如淤泥、粘土、泥沙、砾石、 珊瑚礁、岩石、污染物等) 破碎 2 用泥斗、抓斗或吸泥管将混和介质挖起 3 用管线、泥驳、皮带输送机或卡车输送 4 将混和介质进行处理。 传统上对“疏浚”一词的定义为：对河( 海) 底床泥土的挖掘，并将所挖掘 的泥土输送到指定的卸泥地区。但是现在疏浚设备已经广泛应用于港口、航道的 疏浚，农业水利的灌溉，采矿和采砂，护岸，地基工程等领域。由此可见，实际 上疏浚过程中的第一个阶段看作是切削的过程，第二个阶段为垂直提升过程，而 第三阶段则是输送，第四阶段为卸泥。 疏浚设备切削介质的方式有很多，根据不同的介质采取不同的切削方式，常 见的切削方式有：绞刀切削、耙头切削、斗轮切削、链斗切削、高压水射流切削 等等。一般情况下，大多数挖泥船只能实现其中的种切削形式。但是，本文设 计研制土壤切削实验台车的初衷是能为研究设计大型高效的挖泥船及其配套的 机具提供良好的实验平台。既然是一个实验平台，也就要求所设计的土壤切削实 验台车必须具备多种切削功能，否则就不可能达到预期的效果。 在我们河海大学的疏浚实验室中，我们也希望挖出的介质能够通过一定的输 送方式卸到指定的地点，这样一方面不致使挖出的介质污染周围的环境，另方 面也便于回收介质，以起到反复利用的效果。 为此，我们在实验室设计并建造了个长为2 4 米、宽为3 米的泥沙槽和同 1 0 第二章士壤纠削实验台车的总体砹计 样氏度、宽为l 米的副槽，如图2 一l 所示为泥沙槽和副槽的示意图。泥沙槽中 可以放置各种介质来模拟各种条件下的切削状况，另外泥沙槽还分别设置了1 5 米长的浅槽和9 米长的深槽，这样又可以模拟不同深度的切削状况。副槽的作 用就是放置从泥沙槽中挖出的介质。把副槽设计在泥沙槽的一侧就是考虑更加 方便的进行排泥和介质的回收再利用，同时也可以节省一定的空间。 1己 34 廿 图2 一l 泥沙槽和副槽的示意简图 1 一副槽，2 浅槽，3 一深槽，4 一泥沙槽 如图2 1 所示，在泥沙槽和副槽的顶端的三条长边上设置了三根轨道，希 望所设计的土壤切削实验台车可以在轨道上滑动，以模拟挖泥船的行进，而且 不仅能够模拟对不同介质的多种形式地切削，还能较方便的进行排泥和介质的 回收利用等工作过程。 2 2 土壤切削实验台车的方案比较 根据最初的设想以及现有的实验条件，我们设计了两套方案： 方案一如图2 - 2 所示，是以行车结构作为框架，在此基础上加上了横移小 车和升降平台，可以通过相互之间的移动来实现各个方向的切削过程，整个系 统的各个机架之间的相互运动以及刀具切削介质的工作，都是由电动机来控制 的。 方案一中实验台车的工作过程是这样实现的：桥架即为行车结构，也称大 车结构，通过变频电机的控制在轨道上移动，实现挖掘机具沿泥沙槽长度方向 的纵向运动。升降平台由桥架四角伸下的四根螺杆联结，由蜗轮蜗杆升降机来 实现平台的升降，从而控制挖掘机具切削土壤的深度。横移小车通过驱动装置 可在升降平台表面的轨道上滑动，实现挖掘机具在图2 2 中的横向移动。而刀 具架则是固定在横移小车上。 第一章 卜壤州削实验台车的总体世计 幽2 2 方案一简图 1 一螺杆，2 一桥架，3 一导轨，4 一横移小车，5 一升降平台，6 一刀具( 以绞刀为例) 方案二如图2 3 所示，是参考了荷兰代尔夫特大学疏浚实验室的土壤切削 实验台车，并结合中国疏浚工程实际和现有的实验条件，对实验台的功能进行 ，调整加强，整个系统也是由主机架、横移机架和升降机架多个部分组成，同 样可以实现挖掘机具各个方向的土壤切削，合理的布局了液压系统、电气控制 系统和泥泵系统等装置。 图2 - 3 方案二简图 1 一升降机架，2 - - 横移机架，3 一主机架，4 - - 导轨，5 一刀具( 以绞刀为例) 方案二中实验台车的工作过程是这样实现的：主机架可以在沿泥沙槽长度 方向的轨道上由钢丝绳牵引移动，从而实现了挖掘机具沿泥沙槽长度方向的切 海大学帧h 学位论史 第章十壤即削实验台：1 ：= 的总体设计 削运动，其中钢丝绳绕在卷扬机和滑轮上，组成了一循环系统，如图2 - 4 所示， 并由油泵电机系统驱动卷扬机，从而使钢丝绳实现了对实验台车的牵引。横移 机架通过轮子架在主机架上表面的轨道上，可以控制其在轨道上的移动，实现 了挖掘机具在图2 3 中沿水平方向的土壤切削运动。升降机架通过液压系统的 控制实现在横移机架轨道上的升降运动，因为挖掘机具固定在升降机架上，因 此升降机架的运动实际上就控制挖掘机具切削土壤的深度。另外，在主机架上 靠近副槽的一边还放置了两个泥泵电机组，其中一个泥泵电机组用来为切削实 验的吸泥排泥过程提供动力，另一个则用来为回收利用切削介质提供动力。 3 图2 4 实验台车在轨道上移动的示意图 l 卷扬机 2 试验槽 3 实验台车 4 钢丝绳 5 滑轮 在比较两个方案时，我们首先从整体的布局着手。可以说，两个方案的整 体布局都有自己的特点，方案一很好地利用了现有的行车结构，大部分尺寸参 照有关起重机械的国家标准，通过自行设计特殊结构的升降平台，可达到疏浚 技术的基本要求。但是，它还存在着下列不足：一、升降平台的跨度比较大， 整个横移机架和刀具架的重力都直接施加在升降平台上，这就对升降平台的结 构强度要求比较高。二、方案的整个机构是通过桥架上的轮子架设在泥沙槽 轨道上的，从图2 2 中可以看出，桥架平面到挖掘机具接触所切削介质的垂直 距离较大，无形中对泥沙槽的深度就提高了要求。三、有些机械结构较为复杂， 例如，为保证升降平台在四根螺杆上的升降的同步性，用了浮动轴及锥齿轮等 结构，其可靠性也较难保证。方案二为全桁架结构，虽然在自重和材料的成本 上，较方案一可能要大一些。但是这样设计的框架结构整体将更加稳定，而且 钢架的侧面都设计了钢结构斜撑，这样也就增加了主机架的强度，足以承受横 移机架和升降机架的重力以及挖掘机具切削介质时产生的反作用力。相比较方 笫一章土壤切削实验台车的总体设汁 案一，从主机架的下平面到挖掘机具接触所切削介质的距离相对较小，因此对 于泥沙槽的深度没有特别的要求，基本上不会影响土壤切削实验台车的正常工 作。 下面再从两个方案的动力装置上来比较一下他们的优劣。方案一完全使用 了电动机作为驱动装置，只是在不同的部位使用了不同的动力传递装置而已。 使用电动机具有操作简单、工作可靠、使用寿命长、维修费用低等优点，但是 由于绞刀工作时的转速相对较低，因此还需要使用减速机和电动机配合，以保 证绞刀在相对较低的转速下进行工作f 3 0 】。上面提到，方案一中刀具架和横移小 车的重量都是旎加在升降平台上的，因此在刀具架上增加了减速机后，将更增 加升降平台的负担。而方案二在局部使用电动机作为驱动装景的同时，又引入 了液压系统作为实现一些功能的驱动装置。尤其是绞刀的驱动装置，方案二使 用了液压系统。我们知道，在同等体积下，液压装置能比电气装置产生出更多 的动力，因为液压系统中的压力可以比电枢磁场中的磁力大出3 0 4 0 倍。而在 同等的功率下，液压装置的体积又相对较小，重量较轻，结构也紧凑。液压马 达的体积和重量只有同等功率电动机的1 2 左右【3 l 】。这些都是使用液压系统的 优点，然而，液压传动同样也存在着很多缺点，比如在工作过程中常有较多的 能量损失( 摩擦损失、泄漏损失等) ，而且一旦出现故障时不易找出原因。另外 液压装置易于实现过载保护，液压缸和液压马达都能长期在失速状态下工作而 不会过热，这是电气传动装置和机械传动装置无法办到的，看起来这是液压传 动较之其它传动装置的优势，然而在实际的对水下介质切削过程中，会突然遇 到硬度较大的介质，这时同样需要刀具对它进行瞬间的切削，如果使用的是电 动机驱动，则可以实现上述动作，但是由于液压装置的过载保护，液压装置就 必须借助于其它的一些手段才能实现上述动作。因此，方案二在综合考虑了液 压传动装置和电气传动装置的优缺点之后，将两者结合使用，这样就可以使整 个土壤切削实验台车能够更加高效的工作。 还有，桁架结构空间较多，便于各种各样的管道进出，而方案一为钢板结 构，通管道就需钻孑l ，这也是方案一不可取的地方。 综上所述，方案二在很多方面都较方案一具有一定的优势，因此，我们决 定采取方案二作为土壤切削实验台车的浸计方案f 2 6 2 9 1 。下面将对方案二的设计- 塑塑查兰塑生兰篁堕壅塑三童兰鳖塑! 蝗塑鱼笪圭堕璺壁兰! 生 思路、总体布局以及各部分主要功能作详细的介绍。 2 3 土壤切削实验台的总体介绍 2 , 3 1 设计思路 前面已经介绍过，所选定的方案二是参考了荷兰代尔夫特大学疏浚实验室 的土壤切削实验台，并结合中国疏浚工程实际和现有的实验条件，对实验台的 功能进行了调整加强。我们希望所设计的疏浚切削实验台能够模拟多种切削方 式，并能对各种介质进行切削，同时具备排泥和对所切削介质回收利用的功能。 土壤切削实验台作为一个大型的机械结构，在设计前，首先必须考虑符合 机械结构的基本设计原则1 2 6 】： 在使用方面，土壤切削实验台应能在给定的工作期限内具有高的工作可靠 性，并能始终正常工作( 定期维修和更换易损件除外) 。操作人员和实验台之间 的各个环节应做到：操作轻便省力；操纵机构的部位适合人体的生理条件；操 作安全，万一失误应有连锁装置或保险装置：简单重复的劳动应尽量由机械机 构完成；维修方便等。 在经济方面，应从机器费用、实验台结构制造的成本等多种因素中综合衡 量，以能获得最大经济效益的方案为最佳设计方案。功能多、适用范围广、自 动化程度高的机器，价格虽然贵一些，但对以后的使用、保养、维护却会省去 很多麻烦。 从外观方面，机器应比例协调、大方，给人以时代感、美感、安全感。 另外，噪声也是一种环境污染，会影响人体健康。液压系统、电动机等都 是常见的噪声源，因此，在设计过程中，应尽可能多的考虑这些问题。 有了框架结构，还需要有动力驱动装置，才能使整个土壤切削实验台正常 工作起来。常用的动力驱动装置有电动机、柴油机、油泵电机( 液压系统) 等 等。前面已经详细介绍了电动机和液压系统驱动的优缺点，这里只对柴油机驱 动进行简短的介绍。使用柴油机的优点是：机动灵活，不受电源和使用地点的 限制，技术较普及，维修比较容易。但结构比较复杂而且笨重，需要经常维修 和保养，还会造成一定的环境污染【3 2 1 。 型塑查堂! ! ! ! ! ! ，堂生丝兰 笙三主圭堡型型兰竺鱼至堕生! ! 兰堕 可见，电动机、柴油机和液压系统在作为驱动装置时都有各自的优缺点， 只是由于使用场合的不同，才会显示出某种驱动装置的特殊优势。因此，在对 土壤切削实验台各个动作选择驱动装置时，需要全面地考虑各种驱动装置的优 劣，始终遵循“适合的才是最好的”原则。 z z 2 总体布局及各部分功能介绍 合理的布局土壤切削实验台不仅可以使整个实验台正常的工作，而且还便 于实验人员对实验进行观察，同时也方便操作人员对实验台进行维护和保养。 土壤切削实验台的整体布局如图2 5 所示。 l 2 ：45 图2 5 土壤切削实验台整体布局图 1 一主机架，2 一液压系统( 油泵电机总成) ，3 一控制系统，4 辅助泥泵电机组，5 一高压 水泵电机，6 一走道，7 一横移机架，8 一升降机架，9 一副机架，1 0 主泥泵电机组，1 l 一 变频器 在图2 5 中，1 、7 、8 、9 都是桁架结构机架，作为整个实验台车的框架， 所有的装置和受力都将旋加在机架上，因此合理的布局机架的结构就显得尤为 重要。作为机架设计中的一个重要问题，机架截面形状的合理选择将直接影响 机架的刚度和整个实验台车的稳定性l 矧。 由材料力学得知，当其他条件相同，受拉或受压零件的强度和刚度只决定 1 6 洲海人学顺二j 学 讧论文 第二章_ j 壤剀削实验台车的总体议汁 于截面面积的大小，与截面形状无关。这时，材料用量主要由作用力、许用应 力、许用变形的大小决定。受弯曲和扭转的零件则不同，如果截面面积不变( 即 材料用量不变) ，通过合理改变截面形状、增大它的惯性矩和截面系数的方法， 可以提高零件的强度和刚度。多数机架处于复杂受载状态，合理选择截面形状 可以充分发挥材料的作用。 丽而孺内攀 i ( 基蛩) i n li v 乳国辩熏 括对强度弯曲 11 2 1 418 = 0 扭转 14 3罅54 5 相对剐度弩曲 11 1 5t 61 8 堡整! ：曼 ! ! ：! ：! 图2 6 各种截面形状梁的相对强度和相对刚度( 截面面积- 一2 9 0 0 m m 2 ) 几种截面面积相等而形状不同的机架零件在弯曲强度、弯曲刚度、扭转强 度、扭转刚度等方面的相对比较值如图2 6 所示。从图中可以看出，由于机架 受载情况一般都较复杂( 拉压、弯曲、扭转可能同时存在) ，对刚度要求又较高， 因而综合各方面盼隋况考虑，以选用空心方形截面比较有利。 同时，在各个机架的侧面都增加了一定的斜撑，这样既增加了土壤切削实 验台车的刚度，又提高了整体的美观性。 主机架1 在轨道上的移动是依靠绕在卷扬机上的钢丝绳的牵引实现的，而 卷扬机则是通过油泵电机系统来驱动的。 横移机架7 在主机架1 轨道上的移动，由于其接触为