污泥处理船升降机构设计研究

华中科技大学文华学院毕业设计（论文）污泥处理船升降机构设计研究,学 生 姓 名： 张波 学号：09030204113学 部 （系）： 机械与电气工程学部 专 业 年 级： 09级机械设计制造及其自动化 指 导 教 师： 毛宽民 职称或学位： 教授,研究概述,研究背景：我国江河湖库众多,泥沙淤积问题严重,污泥处理是提高大江、大河、大湖防洪及通航能力行之有效的一项工程措施。研究意义：污泥处理船升降部分结构设计的意义，从性能上来说，可以提高污泥处理船的工作性能，从使用上来说，可以延长污泥处理船的使用寿命。升降结构部分的设计，在污泥船整体结构设计中，是很重要的一个环节。 研究问题：实现污泥处理船在不同密度污泥下上升下降的目标。国内外研究状况：有关资料报告,中港集团四大航道局拥有各种类挖泥船和辅助船舶430余艘,整个交通航道系统的年疏浚能力达到2.45亿立方左右。我国的河湖疏浚业正处于发展时期,无论过去还是现在,我国大规模水运和水利建设一直是我国疏浚业发展的主要推动力。就国外而言，据1988年初资料介绍,美、荷等70个国家和地区共有大型挖泥船2582艘,较1980年增加11.3%。相对于国外疏浚机的发展概况,国内船类还有待发展,目前很多先进的挖泥船都需要进口，河道疏浚业有广阔的发展前景。,污泥船结构简介,就本篇论文所提到的污泥船，有两种形式。其中图1为叶轮式污泥处理船，图2为爬行式污泥处理船，本文中的污泥处理升降结构设计是针对爬行式污泥处理船而设计的。,也就是说在设计的过程当中，要尽可能少地消耗以材料、能源、劳动力、资金等形式存在的资源，创造出满足预先设想功能要求的物质实体。,结构选择,1.结构设计考虑因素：a）减少成本的投入 b）强度问题 c）机械设计中的摩擦、磨损和润滑问题 d）材料的选择 e）使用寿命的分析2.污泥处理船升降机构选择 在本篇论文设计中，可实现升降运动的机构有如下几种：a）摇杆滑块机构 摇杆滑块的机构原理比较简单，但在污泥处理船升降结构设计研究时要求滑块的循环运动，这也就是说，摇杆也能实现往复运动。一般来说，实现摇杆往复运动还需要用其他机构带动，显得比较复杂。所以在升降结构设计时，不考虑使用摇杆滑块机构。,机器及其零部件丧失正常工作能力或其功能参数降低到限定值以下，称为失效。所谓强度，就是抵抗这类失效的能力。而强度约束，则是指要求所设计的零部件，在正常工作条件下，不出现这种类型的失效。,两个接触表面做相对运动或有相对运动趋势时，将会有阻止其产生相对运动的现象发生，这种现象就称为摩擦。磨损是指由于表面的相对运动而使物体工作表面的物质不断损失的现象。润滑是减少摩擦和磨损的有效措施之一。,考虑材料的力学性能、工艺性能、经济性以及产品的轻型化、高寿命。,使用寿命是设计一个机构所必须考虑的，因为它决定了机构工作时间的长短，使用寿命的计算，与机构运行的循环次数以及寿命系数相关。,结构选择,b）链传动 链传动时，不会出现弹性滑动和打滑，且能够保持准确的平均传动比；需要的张紧力小，作用于轴的压力也小，可减少轴承的摩擦损失；结构紧凑；能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作。链传动效率高，轴间距离适应范围较大，能在温度较高、湿度较大的环境中使用；但链传动一般只能用作平行轴间传动，且其瞬时传动比波动，传动噪声较大。其结构简图如图3所示。c）曲柄滑块机构 曲柄滑块机构分为3种类型，其中偏置曲柄滑块机构为本次论文所设计的实现升降的机构，简图如图4所示,曲柄摇杆机构的优点：面接触低副，压强小，便于润滑，磨损轻，寿命长，传递动力大，低副易于加工，可获得较高精度，成本低，杆可较长，可用作实现远距离的操纵控制，可利用连杆实现较复杂的运动规律和运动轨迹。,机构设计,曲柄滑块机构尺寸计算 由船的结构初步估计，本次设计要求污泥处理升降结构升降范围为1m，行程变化系数为1.5,偏距值为400mm，设计曲柄长度以及连杆长度 。 几何法求杆长。 极位夹角=180o*(k+1)/（k-1）=36o。按滑块的行程作线段C1C2。过点C1作OC1C2=54o, 过点C2作54 o,则得到交点O,以O为圆心、OC1或OC2为半径作圆弧，它与直线C1C2的平行线交于A，如图5。,根据图示几何关系从图上量得：LAC2=LBC+LAB=68mm，LAC1=LBC-LAB=25mm，联解上式可得：LBC=46.5，LAB=21.5。再由于图示比例为1:20，故选择曲柄长度为430mm，连杆长度设计为930mm。 曲柄滑块机构力学特性 滑块长宽高分别为0.5m、0.25m、0.25m。选择材料为铸铁，密度为7250kg/m3。故滑块自重计算为2220.3N。再根据力之间的关系计算得： Pcmin=2264.3N Ptmin =Pcmin*sin(+) Prmin =P*cos(+)/cos,曲柄滑块的运动学特性,由曲柄滑块机构运动分析知，曲柄以r/min转动时，连杆的速度为移动和转动两种速度的合成。而实现上下升降的滑块存在平移的速度，其移动速度是变化的，即存在水平方向上的加速度。图7为曲柄滑块机构运动分析简图. 取A点为坐标原点，x轴水平向右。在任意瞬时t，机构的位置如图。按矢量封闭回路ABCD建立矢量方程和其投影的坐标方程： 根据该方程对时间求一次导便可得到速度的函数。,再对时间求导便可得到加速度的表达式：,污泥处理船升降部分材料的选择,首先是选材的思路，选材应考虑材料的力学性能，根据材料的工作条件，分析计算出或测定出材料力学性能，这是选用材料的基本出发点。零件的工作条件是复杂的，为了便于分析，可将它分为受力状态、载荷性质、工作温度、环境介质等几个方面来考虑。对于新设计的重要零件，还应进行失效分析，以确定失效的主要抗力指标。从机械零件设计和制造的一般程序来看,先是按照零件工作条件的要求来选择材料,然后根据所选材料的机械性能和工艺性能来确定零件的结构形状和尺寸。在着手制造零件时,也要按所用的材料来制订加工工艺方案。对于连杆件，其一般加工路线为：下料模锻成形正火粗加工调质精加工对于滑块与曲柄的材料选择，则一般选择45钢或40Cr，其工艺路线为：下料锻造正火粗加工调质精加工高频淬火及低温回火精磨,污泥处理船升降机构的有限元分析,有限元法是一种基于变分法而发展起来的求解微分方程的数值计算过程，该方法以计算机为手段，采用分片近似，进而逼近整体的研究思想求解物理过程。有限元法的基本步骤：结构离散化 所谓结构离散化，就是用假想的的线或面将连续物体分割成由有限个单元组成的集合体，且单元之间仅在节点处连接，单元之间的作用仅由节点传递。单元分析 单元分析包括选择位移函数、建立单元平衡方程、计算等效节点力三个方面的内容。整体分析 其基本任务是建立整体平衡方程，形成整体刚度矩阵和节点载荷向量，完成整体方程求解。有限元法的分析过程是先分后和，即先进行单元分析，在进行整体分析。,曲柄连杆机构ANSYS分析,图8所示为一曲柄滑块机构，曲柄长度R=430 mm、连杆长度L=930 mm、偏距e=400 mm，曲柄为原动件，其所受力为2264.3N。根据机械原理的知识，该问题的解析解十分复杂，使用不太方便。本例采用单独分析的原理，对曲柄、连杆进行受力分析，最终得到曲柄、连杆在受力之后的变形，通过所得到的变形，对机构进行分析，检测材料是否满足强度上的需求。,在ANSYS分析曲柄时，所选择的曲柄材料属性分别如下： 材料选择为45钢，密度=7850kg/m3，泊松比=0.3，弹性模量E=2*1011，长度为430mm，厚为50mm，由于长度与宽度比值约为5，故将曲柄分析采用平面受力分析，而且划分单元采用四边形单元。创建曲柄的几何模型如图9。网格划分如图10。,查看变形结果如图11。,连杆ANSYS分析 连杆长度为930mm，宽100mm，高50mm，材料选择为45钢，密度=7850kg/m3，泊松比=0.3，弹性模量E=2*1011，由于长度与宽度比值大于5，故连杆分析同样采用平面受力分析，而且划分单元采用四边形单元。由于连杆在受力过程中，所受的力为连续变化的力，为了简便起见，在分析连杆时，将在连杆上所施加最大的力，观测连杆的变形情况。结果如图12。,曲柄滑块在PRO/E中的仿真,建立曲柄滑块机构所需构件：如图13所示，曲柄长度430mm，连杆长度930mm，滑块长宽高分别为500mm，250mm，250mm。机架 绘制机架，图14为机架的立体图,曲柄的设计 绘制曲柄，如图15，长度430mm，宽100mm，拉伸50mm。连杆的设计 连杆长度930mm，宽100mm，拉伸50mm。,滑块三维造型 滑块长500mm，宽250mm，高250mm，如图17所示。曲柄滑块机构装配 插入机架，位置缺省，然后插入曲柄，约束类型选销钉，然后插入连杆，同样选销钉，把凸台插入曲柄孔中，再插入滑块，首先选销钉，把滑块凸台插入连杆孔中，销钉的平移不能选重合，选偏距，距离计算好后再输入，要使滑块孔轴线与机架圆柱轴线在同一基准平面内。,装配完成的曲柄滑块机构如图18所示。运动仿真 仿真结果如图19所示。,结束语,本篇论文由毛宽民