水电站卷扬式启闭机结构设计.doc

水电站卷扬式启闭机结构设计1 绪论1.1 论文写作的目的、现实意义“水电站卷扬式启闭机结构设计”论文写作的主要目的是培养自己综合运用所学的基础理论课、技术基础课和专业课知识和技能去分析解决有关卷扬式启闭机结构的技术问题的能力；培养自己建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法；进一步巩固、扩展和深化自己所学的基本理论、基本知识和基本技能，提高自己设计计算、数据处理，编写技术文件，正确使用技术资料、文献标准、手册等工具书的独立工作能力；培养自己严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风，树立正确的生产观点、经济观点和全局观点，从而为自己走向社会适应工程技术工作打下一个坚实的基础。并能具体掌握有关卷扬式启闭机的理论知识。随着国民经济的飞速发展，国家各行各业及百姓生活对电力的需求量都大大增加。为了解决电力不足、缓解用电压力，国家充分利用水资源，大力发展水利电力事业，各种大大小小的水电站星罗密布、遍布全国。在工农业生产和日常生活中，水电站在水利发电、防洪排涝、农田灌溉及生产生活供水等方面都发挥着重要作用。而启闭机是水电站中用来调节闸门开度、起吊拦污栅，实现调节水流、拦泄洪峰、排沙冲沙等目的的重要的起重机械，也是完成其他金属结构与机电设备安装和检修的辅助机械。因此，启闭机的生产质量和工作性能的好坏，对水利水电工程的正常运行、充分发挥其效益，乃至对人民的生命财产安全都至关重要。 水电站的启闭机种类繁多。其中，卷扬式启闭机结构简单，操作方便，运行速度较快，能保证严格的传动比，对外界工作条件要求较低，适用于多种工作环境，性能可靠，并且维护方便，价格便宜，是大、中型水利水电工程广泛采用的一种闸门启闭机。因此，卷扬式启闭机的设计与制造在水电站启闭机事业研究中占有重要地位。卷扬机式启闭机一般由起升机构、机架及电气控制系统组成。水电站卷扬式启闭机结构设计主要是指机架的设计。机架在使用过程中承受很大的力，机架的设计包括对机架在外载荷作用下的应力、变形及挠度的校核计算和分析。在设计过程中，需要利用SolidWorks软件进行三维模型建模，并利用其“有限元分析”功能对机架进行强度、刚度、应力、应变和位移分析，还可进行结构的动力学分析。从不同角度确保机架设计合格、安全、经济，机架的可靠设计是保证启闭机正常运行的前提。1.2 国内外启闭机的研究与应用现状 1.2.1 国内外启闭机的研究现状很多年来，在国外的一些发达国家尤其是美、英国家，在工业革命后都对水电站启闭机进行了大量的分析和研究，采用先进的技术方法相继研制出了一批高质量、高性能的启闭机。由于他们研制工作开始较早，积累了很多的经验，已经有了设计和制造启闭机的一套完整的理论体系。他们已经摒弃了采用平面结构进行设计计算的方法，开始运用先进的相关软件，例如，solidworks、autoCAD、Pro/E、ANSYS等对启闭机进行三维建模或者是有限元分析。通过这些软件，他们设计和制造出来的启闭机性能好、工作安全可靠、事故率低、价格也相对便宜。这些水电站启闭机无论是在他们国内还是国外都有很好的竞争力。而在中国，由于工业起步较晚，远远落后于其他发达国家，现如今大部分设计和制造启闭机的方法均采用平面设计计算。采用二维设计计算不但耗时长而且安全可靠性低，很难在国内外有较高的竞争力。随着中国经济的日益发展，尤其是改革开放以来，国内设计人员已经意识到了手工绘图和计算的不足，已经有很多研究者运用高科技软件进行启闭机的设计与制造。例如：武汉水利电力大学的李纯教授面向方案的启闭机优化建模、优化方法、启闭机CAD；原电力部中南勘测设计院薛瑞宝教授等对启闭机的体系进行了研究确定；中国矿业大学孙幼兰教授研究了启闭机的优化结构设计1；国家电力公司郑州机械研究所采用变频器来控制启闭机，以免启闭机在制动时因受冲击而损坏。同时，在启闭机的动力学系统建模、分析及数字仿真等方面的研究也在不断地进步。例如：武汉水利电力大学的林武教授对固定式启闭机进行了数学建模和优化分析，并提出了新的优化设计方案2。随着CAD技术的发展，一些高性能、高技术的软件的开发应用，一些专家教授也开始利用CAD对其进行优化设计。例如：武汉大学袁策武教授CAD开发工具开发出了水工闸门启闭机智能CAD系统；太原重型机械学院的陶远芳开发了启闭机起升机构的CAD软件3。然而，国内的这些采用软件进行设计计算的方法大部分还是以二维平面结构进行设计计算的，他仍然有很大的局限性，因此采用solidworks进行启闭机的三维建模和有限元仿真分析是必要的。近年来，水利工程启闭机有了很大的发展，其工程规模不断地扩大，启闭机的安装工程量也越来越大，启闭力也不断地增加，启闭机的发展特点和发展趋势有以下几点： （1）向大型化和专用启闭机发展；（2）广泛采用液压技术；（3）新材料被广泛应用；（4）结构组成形式也越来越先进；（5）设计计算方法需要采用仿真分析；（6）大力推广标准化工作。4综上所述，根据国内外的启闭机的发展现状，国内设计者需要一套完整的三维建模体系和有限元仿真分析方法。 1.2.2 国内外启闭机的应用现状随着大大小小的水电站不断兴建，各种类型的启闭机得到了广泛的应用，如：卷扬式启闭机、链式启闭机、螺杆启闭机及连杆启闭机，还有液压式启闭机等15。螺杆式启闭机在小型平面闸门和弧形闸门上得到较广泛的应用，如图1.1 所示。通用的螺杆式启闭机启闭力大都在200KN 以下，已经实行系列标准（QL 系列），由各地方厂家进行定型生产。 图1.1 螺杆式启闭机 葛州坝二号船闸人字闸门采用的是连杆式启闭机，启闭机的设计能力(连杆上最大力矩）为2500KN.m，是目前世界上最大的连杆式启闭机，如图1.2 所示。链式启闭机采用片式关节链，国内上个世纪50 年代建成的佛子岭水库溢洪道的双扉门使用这种启闭机，但至今未能广泛应用。 1、双速鼠笼式电动机 2、制动器及带制动轮的联轴器 3、减速器 4、齿轮联轴器 5、立轴圆锥圆柱齿轮联轴器 6、小齿轮 7、扇形齿轮 8、曲柄 9、推拉杆 10、门体图1.2 人字闸门连杆式启闭机在国外，苏联伏尔加河水闸上的固定卷扬式启闭机启闭力为2x9000KN。在我国，东江水电站高扬程启闭机的启闭力为2x4000KN；浙江珊溪水利枢纽水库工程泄洪洞事故检修闸门的启闭设备是一台启闭能力为8000kN 的固定卷扬式启闭机，于2000 年4 月底投入使用，是目前国内启闭能力最大的高扬程固定卷扬式启闭机。而位于湖北清江上游的水布垭水利枢纽工程中的防空洞事故闸门的最大扬程达159m，在国内同类机型中扬程最高5 6 7 8。液压式启闭机是利用液体压力来传递动力，来驱动液压缸对闸门进行操作的一种启闭设备，如图1.4 所示，液压启闭机的组成部分有液压缸、液压阀组和管道、液压泵站及控制装置等。一些中小型液压启闭机已经实行系列化，并有专业化制造厂定型生产，大型液压启闭机的系列标准正在拟定之中。近年来，液压式启闭机在国内外得到了越来越广泛的应用，我国龙羊峡水电厂采用的液压启闭机，其最大启闭力是8000KN/3000KN，扬程为11m。还有举世瞩目的三峡工程就共用了120 多台液压启闭机，其中最大的启门力矩53100kNm,最大闭门力矩7800kNm，相应的启门力为4500kN，闭门力为500 kN，最大工作行程为16m，最大液压缸内径为4800mm，活塞杆直径为400mm。目前，国内液压启闭机最大启闭力可达10000kN，行程超过16m，油缸直径大于1m，活塞杆直径大于0.5m。液压式启闭机是今后启闭机发展的一个方向5 6 7 9。 1、 启闭机 2、闸门图 1.4 液压式启闭机 图1.3 固定式卷扬启闭机1.3 目前存在的主要问题及未来发展趋势 1.3.1 目前存在的主要问题由于众多历史原因和技术条件的限制，迄今为止在各式启闭机的设计方面仍大量采用类比法和经验法。由于这些方法存在着很大的主观性，缺乏细致的理论分析与足够的试验数据，对启闭机在工作时出现的动载荷和疲劳现象考虑不足或重视不够，导致启闭机机座变形、钢丝绳断裂等现象时有发生，严重影响了启闭机的工作性能和产品质量。另一方面，传统的启闭机设计均为非参数化的二维设计，往往需要反复修改设计方案、调整设计参数，存在着设计任务繁重、设计效率低、设计成本高等问题，给企业造成巨大的经济损失和人力资源浪费5 6 10。 1.3.2 未来发展趋势液压式启闭机将得到越来越广泛的应用。由于液压启闭机与其他启闭设备相比具有结构简单紧凑，体积小重量轻但承载能力大，传动平稳且传动效率高，易于防止过载、安全可靠等优点，能很好地满足水电工程规模不断发展的需要，所以液压启闭机在水利水电工程中的应用会越来越普遍11。许多跨学科的现代设计方法和技术将得到更加广泛的应用。由于二维设计已不能满足现代设计的需要，人们越来越热衷于三维实体化、形体参数化、产品形象化；作为能提高产品设计效率的三维CAD设计，也将成为产品设计的主流，并正在向着设计、分析、优化、装配、仿真、制造等集成化的方向发展12。而模糊优化反映了中介过渡普遍存在的模糊性，反映了定量研究从物理领域进入到事理领域必然遇到的大量的模糊概念，反映了启闭机系统所涉及的种种模糊因素，反映了定量值的模糊属性13，因此启闭机的模糊优化设计必将推动启闭机设计进入一个崭新的阶段。另外还有其他一些设计方法，如：可靠性设计、有限元法、动态仿真设计等。而这些现代设计方法也必将给启闭机设计注入新的生机和活力。1.4 关于本课题的研究内容及其意义 1.4.1 本课题的研究内容与技术路线鉴于以上分析，本课题选择2630N固定式卷扬启闭机为研究对象，采用了三维虚拟设计方法进行产品开发，其具体的研究内容是：在广泛调研和方案论证的基础上，确定整机参数；首先，查询和翻阅资料，并利用所学的机械设计理论完成对双吊点固定式卷扬式启闭机的零部件进行设计与计算，主要是对其运动机构进行选择和计算；其次，运用三维设计软件solidworks对其进行三维建模，得到其三维实体模型；再次，利用利用solidworks软件对初步设计好的模型进行力和运动仿真分析，根据结果对初选参数进行校核；最后，利用solidworks软件生成二维工程图。其技术路线如下所示：确定方案 对机架等主要部件进行初步选择和计算 三维建模设计 装配 干涉检查并修正 对机架部分有限元分析 得出的结果与初选值进行比较并优化设计方法 生成二维工程图 安装、使用、维修、保养 结束。 1.4.2 本课题的关键技术和方法 （1）利用solidworks进行三维建模，将机架、滑轮组、卷筒组、驱动装置（包括开式齿轮副、减速器、制动器、电动机等）的三维实体模型建立出来；（2）利用solidworks进行三维建模，将所建立的三维实体装配在一起； （3）利用solidworks生成工程图，将所得到的装配体生成二维平面图，并添加主要尺寸以及配合尺寸；（4） 利用solidworks simulation插件对机架进行有限元分析。 1.4.3 本课题的主要成果及其意义 1.4.3.1本课题的主要成果 （1）完成了固定式卷扬启闭机机架的设计计算；（2）建立了固定式卷扬启闭机的三维模型；（3）对启闭机机架进行了有限元分析分析；（4）生成固定式卷扬机的二维工程图；（5）完成毕业论文一份。 1.4.3.2 本课题的研究意义本课题采用了先进的三维建模技术和有限元分析方法，应用于传统的固定式卷扬启闭机当中，实现了产品模型的参数化、数字化，不仅提高了产品的设计质量，而且缩短了产品的研发周期，降低了设计成本，能为企业带来可观的经济效益和社会效益。本课题所采用的研究技术和方法对其他机械产品的设计和研发也有一定的参考价值。1.5 本章小结本章较全面概述了论文的目的意义、国内外启闭机的研究应用现状、存在问题以及未来发展趋势，阐述了本课题的主要研究内容、技术路线、关键技术及创新点、主要成果及本课题的研究意义等。2 启闭机结构设计与三维建模2.1 卷扬式启闭机结构设计 2.1.1 启闭机种类及特点按传动方式来分，启闭机有机械式和液压式两种类型；从启闭机的布置方式来分，启闭机有固定式和移动式两种。其中：固定式的启闭机有螺杆式、连杆式、链式、卷扬式等，这类启闭机专机专用，即一台启闭机只用来操作一扇闸门或拦污栅；而移动式启闭机又有桥式、门式、半门式等类型，这类启闭机往往一机多用，即一台启闭机用以轮流操作一组闸门或拦污栅。螺杆式启闭机：如图1.1所示，由于它采用人力驱动或小电机驱动，其启闭力小、起升速度慢、结构简单，具有自锁功能，故广泛应用于小型水电站。卷扬式启闭机：如图2.1 所示，卷扬式启闭机用于各种水利水电工程中，用来启闭各种闸门，由于卷扬式启闭机通过了减速器和开式齿轮的减速，速比可以很大，其实际扬程也可以不受限制，因此，卷扬式启闭机结构紧凑，承载能力大，运行平稳可靠，安装维修方便，同等承载能力条件下其所需费用较少。在电站厂房内用于起吊闸门或拦污栅的启闭机多为固定式卷扬启闭机4。液压式启闭机：如图1.4 所示，由于液压启闭机与其他启闭设备相比具有结构简单紧凑，量轻但承载能力大，传动平稳且传动效率高，易于防止过载、安全可靠等优点，是未来发展的趋势。但是，由于液压式启闭机要求加工精度高，对起升高度有一定的限制，因此在某种程度上限制了它的广泛应用。通过以上几种启闭机的比较，本课题的研究对象选择优点突出、适用广泛的固定卷扬式启闭机。1、电动机 2、定滑轮组 3、卷筒组 4、机架 5、减速器6、开式齿轮 7、负荷限制器 8、动滑轮组（启闭机下部）图2.1 固定式卷扬启闭机 2.1.2 卷扬式启闭机的构成及工作原理固定式卷扬启闭机一般由起升机构、卷扬机构、金属机架、动力传动部分和其他辅助设备等五部分组成。其中，起升机构包括动滑轮组、定滑轮组、钢丝绳等；卷扬机构包括卷筒、开式齿轮、排绳装置等；动力传动部分包括电动机、联轴器、制动器、减速器等部件；其他辅助设备包括负荷限制器、开度指示器、移轴装置等，如图2.1 所示4。当需要起吊闸门时，电机接通电源，动力由电机经联轴器、制动器、减速器、开式齿轮驱动卷筒卷动，由缠绕在卷筒上的钢丝绳经过动、定滑轮组的倍率放大作用，使动滑轮上升，从而吊起闸门。当闸门提升到一定高度时，开度指示器发出信号，使制动器制动，关闭电机，完成启闭闸门的过程。 2.1.3 启闭机总体方案比较与确定 2.1.3.1 卷扬式启闭机的整机布置固定式卷扬启闭机的整机布置对整台设备的结构、性能、工作方式等都有重大影响，因此，确定整机的总体布置是启闭机设计的一项重要内容。确定启闭机整机布置时应考虑水电站厂房的具体结构和实际使用要求，以及产品的结构型式、制造成本、工作可靠性等因素。双吊点固定式卷扬启闭机适用于闸门跨度大或一机双门的情况，在实际当中多采用双机架或三机的架型式，图2.2和图2.3 为双吊点启闭机机构布置示意图。由于这种启闭机需采用专门的机构保持双吊点同步，而且动力传递路线一般都比较长，致使其整机尺寸庞大、自身重量大、需要解决机架刚度或各部件之间安装精度的问题；其驱动方式多采用单电机集中驱动，也有采用多台同步电机分别驱动的情况，如图2.4 所示。对于集中驱动的双吊点启闭机，可通过机械同步轴保证吊点的同步。故本课题选择双机架分别驱动双吊点式卷扬式启闭机进行设计和分析。图2.2 双机架单边集中驱动的双吊点卷扬式启闭机图2.3 三机架集中驱动双吊点卷扬式启闭机图2.4 双机架分别驱动双吊点式卷扬式启闭机 2.1.3.2 卷扬式启闭机动力传动方式的确定对于固定卷扬式启闭机所采用的动力传递方式一般为：方式一：电机联轴器制动器齿轮减速器卷筒，如图2.5 所示。方式二：电机联轴器制动器齿轮减速器开式齿轮卷筒，如图2.6所示。一般情况下，当启闭机不需要很大的传动比时可采用第一种传动方式，即不采用开式齿轮，而是将卷筒的中心轴直接连接在减速器的输出轴上。这种形式结构紧凑、效率较高，但减速器输出轴的受力状况不好；当启闭机需要较大的传动比时，为了获得比较大的传动比往往采用第二种传动方式，即在减速器与卷筒之间增加一级开式齿轮。这种形式不仅改善了减速器的受力状况、便于安装和维修，而且也便于整机布置。因此，本次设计采用了第二种动力传递方式。 图2.5 单吊点无开式齿轮的卷扬式启闭机图 2.6 单吊点有开式齿轮 的卷扬式启闭机2.2 启闭机三维建模 2.2.1 三维建模软件Soliworks介绍Solidworks是由美国SolidWorks公司开发的三维机械CAD软件，问世于1995年。因其强大的功能、易用性和创新性，在于同类软件的竞争中逐步确立了市场地位。SolidWorks提供了强大的基于特征的实体建模功能，用户可以通过拉伸特征、旋转特征、薄壁特征、抽壳、特征阵列以及打孔等操作实现产品的设计，方便地添加特征、更改特征以及将特征重新排列，对特征和草图进行动态修改，并通过拖拽等方式实现实时设计修改。 在进行装配设计时，可以直接参考其他零件并保持这种参考关系生成新零件可以动态装配体的所有运动，并对运动零部件进行动态的干涉检查和间隙检查，还可以应用智能零件技术自动完成重复设计，运用智能化装配技术完成自动捕捉并定义装配关系。在进行工程图设计时，可以自动生成详细，准确的工程图样，且这种工程图样是全相关的，即在修改图样时，三维模型，各个视图，装配体都会自动进行更新，也即“尺寸驱动”。SolidWorks还提供了功能强大的全相关的钣金设计和模具设计能力，以及开放的二次开发工具。Solidworks相对其他三维绘图软件也有它独到的方便性，现列举几例如下：（1） 模型建模 1）草图绘制 草图由草图单元、几何约束和草图尺寸组成，对以上三部分的组合定义就完成了一个草图的绘制。为提高草图的设计效率，设计步骤通常按以下顺序进行：绘制草图轮廓定义草图单元间的几何约束关系添加尺寸。在草图绘制过程中要充分使用约束关系，减少不必要的草图尺寸，从而使草图的构思更加清晰。 2）更换草图绘制平面 在绘制草图时，会遇到草图绘制平面选择不当的情况，此时可以更换草图绘制平面。具体操作如下：在零件模型的特征管理树下选中草图，点击鼠标右键，在弹出的下拉菜单中选择“编辑草图平面”，点击特征管理树下的“ ”按钮，就可在特征管理树下选择合适的草图绘制平面来代替原先的草图绘制平面。最后，点击草图绘制平面对话框中的“确定”按钮即可。 3）快捷键的使用 在注解中的使用 特殊符号如：直径“”、度数“。”、正负号“”以及一些运算符号可以先在Word环境下创建，然后通过复制“CTRL+C”和粘贴“CTRL+V”快捷键复制到SolidWorks环境中。 在绘制草图中的使用 在绘制草图中，复制草图可以按照以下步骤完成：按住“CTRL”键，同时用鼠标逐个选择复制目标，点选草图放置位置，然后按“CTRL+V”即可。 4）完整设计信息产品模型的建立 可以将表面粗糙度、尺寸公差、形位公差和设计基准等符号直接标注到几何实体模型上，形成包含完整设计信息的产品模型。 5）学习功能 对于已存在的零件，拖动Feature Manager设计树上的退回控制棒来回退零件中的特征，可以让使用者看到模型生成的每一步，便于理解设计者的设计意图。 （2） 方程式 如果所设计的零件尺寸之间存在某种固有的数值关系、零部件之间存在某种数值的配合关系，可以通过方程式来实现其设计意图。 1）尺寸变量的使用 在零件模型尺寸之间可以使用尺寸名称作为变量来生成方程式；装配体中零件之间或零件与子零部件之间，也可以配合尺寸来生成方程式。被方程式所驱动的尺寸无法在模型中以编辑尺寸值的方式来改变。方程式由左到右，位于等号左侧的尺寸会被右侧的值驱动，多个方程式的求解按编辑方程式中所列顺序逐一解出。 2）方程式支持的运算符和函数 SolidWorks提供的方程式支持以下运算符和函数：“+”加法、“”减法、“*”乘法、“/”除法和“”求幂运算符，sin(a)正弦、cos(a)余弦、tan(a)正切、atn(a)反正切、abs(a)绝对值、exp(n)指数、log(a)自然对数、sqr(a)平方根、int(a) 取整和sgn(a)符号函数，同时还可以在方程式中使用常数圆周率pi，它的值精确计算到文件系统选项指定的小数位数。 3）方程式中可以使用条件语句 语法格式为：“Dx SketchX”=if(条件)，参数1，参数2)。当式中条件成立时，取值为参数1，否则取值为参数2。 （3） 装配 1）设计方式的灵活应用 在进行装配体的全新设计时，可参考的资料相对较少，应采用自上而下的设计方式，优先利用SolidWorks布局草图进行布局设计，再灵活地完成对具体零部件的设计。例如在工装夹具设计时，可直接把已经建立好的三维零件模型插入到装配体环境中，使用自上而下的设计方式参考模型几何体，通过与原零件模型建立几何关系来确定夹具的尺寸，这样的工装设计方式效率较高。 在进行装配体的改进设计时，可参考的资料相对较多，应采用自下而上的设计方式，先完成对逐个零件的设计，然后根据不同的位置要求和装配约束关系，将逐个零件按照实际的安装方式装配成部件产品。 2）配合关系 配合关系确定了零件在装配体中的位置。常用的配合关系有同轴心、重合、距离、角度、平行、垂直和相切等，每种配合关系对于特定的几何实体组合有效。在使用配合关系时，除了使用零件本身固有的几何实体外，还可以使用临时轴、创建的基准轴、基准面、对称平面等几何要素来确定零件在装配体中的正确位置。 3）问题及解决方法 建立装配体文件时，有时会遇到这样的情况：零件的尺寸或形状在装配前后发生了变化，要具体问题具体分析。 对于具有弹性的零件，比如弹簧和石棉板，在生产实际中装配前后的尺寸有变化，但在工程图中却应表示初始状态下的尺寸。这个矛盾可以通过为模型文件添加弹性零件尺寸在装配过程中被拉长或缩短的派生配置来解决，即装配体中使用所添加派生配置，工程图中使用原先默认的配置（初始状态下的零件配置模型）。 2.2.2 机架的三维建模过程举例 机架一般设计为框架结构，根据受力情况，其结构由承重梁、两侧的主梁和两端的端梁以及增加联结刚度和装置启闭机部件而布置的次梁等构件组成。启闭机的机架、门架等结构件中，其材料一般采用碳素结构钢（GB700）中规定的Q235或者低合金结构钢（GB1591）中规定的16Mn。对主要承载的材料应采用Q235-C或16Mn。当启闭机使用地区温度等于或者低于-20时，应采用Q235-D或16Mn。考虑到材料的来源及其经济性，机架选择材料为Q235，如图2.7所示，厚度区间为6-25mm。选取机架壁的厚度为10mm，关键承载部位如动平衡滑轮装置横梁厚度设为20mm。图2.7 常用钢板规格尺寸 （1)绘制底板草图如图所示。在绘制草图时，凡是对称的部分，一般情况下都要用“镜像”指令。因为这样能保持三维实体本身的对称性，而且方便修改，绘制效率也比较高。退出草图，选择“拉伸凸台实体”命令，选择“给定深度”，在数据框内输入“10mm”，确认得到底板三维实体。图2.8（2) 在底板上绘制肋板端面，同样绘制过程中注重镜像的应用。同时对于这样有交叉的等距面，可以使用“等距”命令来简化绘制过程，草图如图2.9所示。退出草图，选择“拉伸凸台实体”命令，在“给定深度”框内输入“576mm”，确认得到实体，如图2.10所示。图2.9图2.10同理可以得到上板面、横梁腹板、侧板、底脚以及挂钩，如图2.11所示。图2.11（3）绘制侧面筋。首先建立基准面如图2.12所示，在基准面上建立草图2.13如图所示。在绘制过程中，尤其是在实体上绘制草图，为了保证极强的可修改性，“转换实体”指令显得非常方便，不仅保持了该有的几何关系，而且对优化设计很有帮助。在“自顶向下”的设计运用最多。筋草图绘制完成后，退出草图。选择“筋”命令，在选项里，选择两侧对称形式，长度设为“10mm”，确认退出。图2.12图2.13按照此步骤可会制出机架主体如图2.14所示。 （4）绘制机架上的支座。支座也是用钢板焊接而成绘制方法和机架主体相同。有对称关系的用“镜像”，或者添加几何关，主意转换实体引用的运用，还有圆角、倒角、筋等命令的合理应用。 （5）机架上板面上的支座的装配。由于机架的的配合比较简单，配合时主要用到“重合”，“距离”，“同心”，“平行”等命令，配合后的效果图如图2.15所示。图2.14图2.15（6）其它零部件或者装配体的绘制。零件的绘制，一般首先要构思一下零件的形状，用最优化的方法进行建模，在建模的过程中尽量保持尺寸之间的关系，这样能保证三维图形良好的修改性，也方便“尺寸驱动”的应用，减少错误的发生。先举例说明一些零件或者装配体的绘制过程。图2.16所示为中间护罩装配图。其中“中间护罩”上的钢丝绳口的绘制需要用到“包覆命令”。具体过程如下：首先在右视基准面绘制草图如图2.17所示，退出草图。点击“包覆”命令，选择“蚀雕”选项，点击面罩表面，如图2.18所示。另外，护罩的绘制的过程中用到了“实体镜像”的命令，大大简化了绘图的过程，提高了绘图效率。图2.16图2.17图2.18图2.19所示为动滑轮的中心轴，下面举例说明异型孔的应用。需要再轴上画孔，其具体的步骤如下：首先建立一个孔位置所在的基准面，然后在基准面上孔的位置画一个点，退出草图，点击“异型孔向导”，设置好参数后点击轴的表面，然后用只能尺寸将点和孔心的距离设为0，如图2.20 所示。确认即可。图2.19图2.20（5） 整机装配零部件模型的建立只是产品三维设计的一小部分，完成零部件的建模后还需将这些零部件装配在一起形成一台完整的机器。通过产品零部件的装配，可以检查零件设计结构的合理性，如零件是否有干涉、装配体的运动情况是否符合设计要求等，对产品模型有一个整体评价。在计算机上实现产品的装配，就是将现实环境中的情况映射到计算机上的虚拟环境中，现实环境中零件之间的装配关系映射到虚拟环境就是零件模型之间的约束关系或连接关系，两者之间是一一对应。为了保证启闭机各部分的结构合理，在整机安装和正常工作时不至于发生相互干涉，在完成整机装配后需对启闭机各零部件进行干涉检查，以保证启闭机的产品质量。干涉检查包括静态检查和动态检查。静态干涉检查只对装配模型中各个构件之间在初始位置时的干涉情况进行检查，即判断任意两个零部件在空间上是否有重叠、碰撞的现象发生。各构件之间如有干涉，solidworks将报告发生干涉的部位及区域大小，以便重新设计构件或者重新装配。动态干涉检查是对装配模型中相关构件在运动过程中的干涉情况进行检查，这就需要建立相应的运动仿真模型，通过运动仿真才能确诊。但无论是那种情况下发生了干涉，设计者都需要可从模型中分析机构产生干涉的原因，并对造成干涉的相关零部件进行修改，直至排除干涉为止。下图为本课题设计的总装配体：2.3 本章小结 本章重点介绍了卷扬式启闭机结构的设计和三维图形的绘制，详细介绍了部分零件和装配体的建模过程，叙述了Solidworks三维绘图的过程以及一些关键技术。3 机架的有限元分析3.1 Solidworks Simulation插件简介 SolidWorks Simulation 是一个与SolidWorks 完全集成的设计分析系统。SolidWorks Simulation 提供了单一屏幕解决方案来进行应力分析、频率分析、扭曲分析、热分析，优化分析，非线性分析，线性动态分析，掉落测试分析，疲劳分析，压力容器分析。 SolidWorks Simulation 凭借着快速解算器的强有力支持，使得您能够使用个人计算机快速解决大型问题。SolidWorks Simulation 提供了多种捆绑包，可满足您的分析需要。SolidWorks Simulation 节省了搜索最佳设计所需的时间和精力，可大大缩短产品上市时间。 静态(或应力)算例。 静态算例计算位移、反作用力、应变、应力和安全系数分布。在应力超过一定水平的位置，材料将失效。安全系数计算基于失效准则。软件提供了四种失效准则。静态算例可以帮助避免材料因高应力而失效。安全系数低于一即表示材料失效。区域中安全系数较大即表明应力较低，您可能能够从该区域中取走部分材料。 频率算例。 当静止状态的实体受到干扰时，通常会以一定的频率振动，这一频率也称作固有频率或共振频率。最低的固有频率称作基础频率。对于每个固有频率，实体都呈一定的形状，也称作模式形状。频率分析就是计算固有频率和相关的模式形状。理论上，实体具有无限个模式。对于有限元分析，理论上，有多少个自由度(DOF)，就有多少个模式。在大多数情况下，只考虑其中的一些模式。如果实体承担的是动态载荷，而且载荷以其中一个固有频率工作，则会发生过度反应。这种现象就称为共振。例如，如果一辆汽车的一个轮胎失去平衡，则在一定速度下，由于共振现象，这辆汽车会发生剧烈摇摆。而以其它速度行驶时，这种摇摆现象就会减轻或消失。另一个范例是高音(例如歌剧演唱者的声音)可能会导致玻璃震碎。频率分析可帮助您避免由于共振造成的过度应力而导致的失效。它还提供了有关如何解决动态反应问题的信息。 扭曲算例。 扭曲指的是由于轴载荷而突然产生的大型位移。对于承载轴载荷的细长结构而言，即使载荷低于导致材料失效所需的载荷水平，仍可能由于产生扭曲而失效。在不同载荷水平的作用下，扭曲可能以不同的模式发生。在很多情况下，只考虑最低的扭曲载荷。扭曲算例可以帮助避免材料因扭曲而失效。 热算例。 热算例根据热的产生、传导、对流及辐射条件计算温度、温度梯度和热流。热算例可帮助避免发生不合需要的热力条件，例如过热和熔化。优化设计算例。优化设计算例根据几何模型自动进行搜索，以获得最佳设计。该软件配备的技术可以快速测出趋势，然后通过最少的运行次数确定最佳解决方案。 非线性算例。 在某些情况下，线性求解可能会产生错误结果，因为它所依赖的前提已不复存在。非线性分析可用来解决由材料行为、大型位移和接触条件造成的非线题。您可以定义静态算例和动态算例。 线性动态算例。 当无法忽略惯性和阻尼效应时，静态算例将不会给出精确的结果。线性动态算例使用固有频率和模式形状来评估结构对动态载荷环境的响应。 掉落测试算例。 掉落测试算例评估零件或装配体掉落在硬地板上的效应。可以使用掉落测试算例来模拟模型掉落在硬平面上的结果。 疲劳算例。 即使引发的应力比所允许的应力极限要小很多，反复装载和卸载在一段时间过后还是会削弱物体。这种现象称为疲劳。线性和非线性结构算例无法预测疲劳所导致的失效。它们会计算专为指定约束和载荷环境设计的反应。如果遵守了分析假设，并且算出的应力在允许的限制范围内，则它们认为无论应用多少次载荷，该设计在此环境中都是安全的。疲劳算例根据疲劳事件和S-N 曲线评估物体的使用寿命。您可根据应力强度、von Mises 应力或最大主要交替应力来进行疲劳计算。 压力容器设计算例。合并静态算例的结果和所需的因子。每个静态算例都具有不同的一组可以生成相应结果的载荷。这些载荷可以是恒载、动载(接近于静态载荷)、热载、震载等等。压力容器设计算例会使用线性组合或平方和平方根法(SRSS)，以代数方法合并静态算例的结果。3.2 机架的有限元分析 3.2.1 机架受力计算与分析为了对机架进行有限元分析，必须计算出机架的有效载荷。由于该启闭机起升机构工作级别Q3中，启门速度设计为1.56 m/min，起升机构启、制动加速度的绝对值不大于01ms2，因此比较适合进行静态力分析，假设启闭机工作在最大负荷状态，启闭机机架受力分析计算如下：定滑轮支座、平衡滑轮装置孔以及卷筒支座受力计算分析由于启闭机在工作中钢丝绳之间的夹角一直处于接近平衡的状态，因此在计算时近似认为它们平行，从而简化计算，但精确度不受影响。首先，该卷扬式启闭机的钢丝绳绕法如图3.1所示2431图3.1 1、卷筒 2、定滑轮装置 3、平衡滑轮装置 4、动滑轮装置由于缠绕的是同一根钢丝绳，近似认为钢丝绳处处受力相等，因此定滑轮支座、平衡滑轮装置孔以及卷筒支座受力大小的比为4:2:2。该启闭机额定启闭力为2630KN，考虑到启闭机启动时会有一个加速的过程，那么就以启闭机加速提升时受力为计算标准。起升机构启、制动加速度的绝对值不大于01ms2。计算荷载设计要求规定，启闭机基本荷载取额定启门力的11倍。综合以上两个方面的因素，启闭机有限元分析计算载荷为于是可得到：定滑轮支座所受总力大小平衡滑轮装置所受力大小卷筒支座所受总力大小为定滑轮支座板面面积为卷筒支座板面面积为得定滑轮支座应力卷筒支座应力 小齿轮装置支座、减速器支座受力计算与分析为了方便，在计算卷筒支座应力时忽略转矩，而近似地认为力均匀地作用在支座面板上。采用同样的方法来计算小齿轮装置支座以及减速器支座的受力。有小齿轮装置支座总受力大小为式中 D1-卷筒直径 D2-卷筒齿轮分度元直径小齿轮装置支座板面面积为得小齿轮装置支座应力大小为根据传动关系可得减速器支座受力大小为 式中 i开-开式齿轮传动比减速器支座板面面积为减速器支座所受应力大小为电动机支座所受应力相比之下过小，因此忽略不计。 3.2.2 机架的有限元分析 Solidworks simulation插件首先要获取三维实体的材料。启闭机的机架、门架等结构件中，其材料一般采用碳素结构钢（GB700）中规定的Q235或者低合金结构钢（GB1591）中规定的16Mn。对主要承载的材料应采用Q235-C或16Mn。当启闭机使用地区温度等于或者低于-20时，应采用Q235-D或16Mn。对于结构尺寸（如板厚度、主梁腹板及隔板的厚度）小于16mm，属钢材尺寸分组的第1组，其材料容许应力【1】=160MPa；其余构件厚度均大于16mm，属钢材尺寸分组中的第2组，其材料容许应力【2】=150MPa。如表3.1所示。表3.1 第一类荷载情况时的许用应力（N/mm2）注： 1.局部承压是指构件腹板的小部分表面受局部荷载的挤压或端面承压的情况； 2.局部紧接承压是指可动性小的铰在接触面的投影平面上的压应力； 3.第一类荷载按工作时的最大荷载进行强度刚度和稳定性计算。 考虑到造假问题，选择材料Q235进行有限元分析，材料具体参数选项选项如图3.2所示。图3.2 给机架添加约束，保证完全定位。采用的方法为固定几何体，使机架的4个脚固定，限制6个自由度。如图3.3所示图3.3 启闭机所受压力简化如图3.4所示，其中，定滑轮装置支座所受压力大小为1.48MPa，卷筒装置支座所受压力大小为1.49MPa，小齿轮装置支座所受压力大小为2.91MPa，减速器支座所受压力大小为0.26MPa，输入后效果如图3.5所示。图3.4图3.5横梁腹板孔处安装平衡滑轮装置，其受力大小为175000N。为了使其受力方向向下，添加外在负荷时，使用“力”选项，而非压力。调节其方向，取上视基准面为参考平面，使其竖直向下并输入力的大小。效果图如图3.6所示。图3.6紧接着，对机架进行网格化。为了保证软件分析的精确度，将网格密度调到最小，生成的网格包络最密，分析结果也最精确，可以方便地获取各点的受力情况以及位移情况。其效果图如图所示图3.7最后，运行有限元分析，得到应力、位移、应变效果图以及数据列。应力图显示，机架最大应力已经到达171MPa，发生在横梁腹板处，如图所示。其大小已经超过了许用应力的160MPa。图3.8为查看大应力的分布状态，利用Solidwoks simulation的“探测”功能，在应力较大的面上进行采样，将所得的数据以图表的形式生成出来，如图3.10所示。由图可知大应力大都集中在120-160MPa之间，很接近甚至超过材料Q235的许用应力，因此不能满足使用要求。图3.9图3.10由位移分析结果可知，机架在最大负荷状态的最大位移只有1.584mm，完全能满足使用要求，位移图如图3.11所示。图3.11取变形最大的定滑轮装置支座的边线为参考，如图3.12所示。利用Solidworks simulation有限元分析的探测功能，并将选择项设为“在所选实体上”，生成的边线位移图如图3.13所示。可知机架在最大负荷状态下，最大位移更为靠近小齿轮支座，不过位移都在许用范围之内。这方面机架能满足使用要求。图3.12图3.13由以上分析可知，机架的横梁腹板处最脆弱，最有可能发生屈服断裂。从受力的情况来看腹板孔正下方是应力最大点，为了使其应力小于屈服强度160MPa，可将腹板的长度从250mm延伸到300mm，保证其有足够的强度，如图3.14所示。然后再次进行有限元分析。图3.14同样，首先将材料选择为Q235，然后进行4脚固定（定位），在加载载荷。其中，定滑轮装置支座所受压力大小为1.48MPa，卷筒装置支座所受压力大小为1.49MPa，小齿轮装置支座所受压力大小为2.91MPa，减速器支座所受压力大小为0.26MPa。最后运行分析，得到的结果如图3.15所示。图3.15应力最大点在接近脚部，大小为157.6MPa，小于许用压力160MPa。如图3.16所示。图3.16由于机架在设计计算过程中考虑的载荷情况非常充裕，施加的载荷大小为700kN远大于额定载荷630kN，因此改动后的机架强度完全能满足设计要求。为查看大应力的分布状态，同样利用Solidwoks simulation的“探测”功能，在应力较大的面上进行采样，将所得的数据以图表的形式生成出来，如图3.17所示。由图可知大应力大都集中在110-130MPa之间，都小于材料Q235的许用应力，因此能满足使用要求。图3.173.3 本章小结本章主要介绍了Solidworks Simulation插件的有限元分析功能，并计算了机架的负荷，进行了机架的选材，最后进行了有限元分析，得到了应力、应变、位移图表，更正了机架设计初期的缺陷，保证机架正常作业的可靠性。4 卷扬式启闭机二维工程图在生产实际中，指导生产制造的技术文件主要是二维工程图。所以，在产品的三维模型设计完成之后，通常还需要将其转换成二维工程图。Solidworks系统提供的工程图模块，功能强大，它能够将零件或装配体直接转换成二维工程图。由三维模型所生成的二维视图与三维模型之间，数据具有全相关性，在一个模块中作的修改，另外模块中与之相关的数据将直接随之更新。三维模型的尺寸能够直接转换成工程图尺寸，用户可以在此基础上进行尺寸的编辑修改。工程图模块还提供有标注表面粗糙度、尺寸公差、形位公差等功能，在此环境中可以创建完全符合工程需要的工程图。5 结论与展望 5.1 结论 水电站启闭机是一种专门用于启闭水工钢闸门、拦污染和清污作用的起重机械。它是一种循环间隙吊用机械，是一种专用起重机械。水电站的启闭机种类繁多，其中，卷扬机式启闭机是大、中型水利水电工程广泛采用的一种闸门启闭机。故而，卷扬式启闭机的设计与制造也是如今水利事业中一项重要内容！本论文在查阅相关资料后对2630KN双吊点固定式卷扬式启闭机进行认真设计计算，得到以下成果：（1） 运用所学的机械设计知识，根据所给参数，对2630KN双吊点固定式卷扬式启闭机进行了计算设计，得到了启闭机的大部分参数；（2） 运用三维软件solidworks对该启闭机进行了三维建模，得到了启闭机的所有零件图，并对零件进行了装配，得到了该启闭机的三维模型图，该模型能很好的直观的对该启闭机进行表示；（3） 运用Solidworks Simulation插件对机架进行了有限元分析，并对机架结构进行了修正；（4） 利用solidworks软件的功能，生成了二维工程图，由solidworks三维模型所生成的二维视图与三维