水面垃圾自动打捞船的设计-水上垃圾清理机器人【4张PDF图纸+CAD制图+文档】
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摘 要在当今日趋严重的环境污染的形势下，为了解决一般水面垃圾的打捞问题，设计了一种水面垃圾自动打捞船。为减小船的阻力，船体采用左右双体结构，船以蓄电池供电，分别驱动直流电动机和马达，马达驱动船的前进与转向，电动机通过减速器的减速后，分别通过带传动驱动打捞传送链和过渡链轮，打捞传送链把垃圾从水面运到垃圾储存仓，如果垃圾储存仓装满了后，可以用人工将其倒入船体中，而过渡链轮通过链传动驱动锥齿轮的主动轴，动力通过锥齿轮减速器驱动收集装置。从而完成垃圾的打捞，它的主要特点是能用左右收集轮双向伸缩回转，将垃圾集中到双船体的中间，运送机构再将垃圾从水面运到双船体的垃圾储存仓，垃圾储存仓将垃圾中的水排出，减少了垃圾的体积与重量，水面垃圾清理船结构设计合理，运行机动灵活，操作简单可靠，使用范围广，制作成本低，有着良好的应用前景和推广价值。装置通过制作装配调试，完全能够顺利的完成水面垃圾自打捞作业。 关键词 ： 船体 收集装置 打捞装置AbstractWith the increasingly serious situation of environmental pollution in today，In order to solve the general problem of water waste salvage, I designe a surface automatically refuse salvage shipIn order to reduce the resistance of ship, the boat used catamaran around the structure，the Ships power is supplied by the battery, and motor-driven and DC motor respectively，Ship is shifted forward is driven by the motor，after the speed reduce of Motor，We drive salvage transmission sprocket chain and the transition through the belts driven.Refuse to salvage transmission chain from the surface of the water storage position to refuse, if the storage warehouse filled with junk, they can be manually poured into the hull, and the transition through the chain drive sprocket drive bevel gear shaft of the initiative, power through the bevel gear reducer driven collection device. Refuse to complete the salvage, and its main characteristic is that the collection can be about turning round a two-way flexibility, the litter into the middle of double-hull, transporting bodies from the water and then refuse to double-hull storage warehouse refuse，Refuse storage warehouse in the litter from the water, reducing waste volume and weight, surface ship structural design of refuse removal reasonable, flexible operation, simple and reliable operation, the use of a wide range of production costs low, has good prospects and promotion of the value of applications .Device could completed the the salvage operation of surface litler while it Device through the production of the assembly debuggingKey: Hull the device of collection the device of Salvage 目 录摘 要1Abstract2第1章 绪论41.1 选题背景和意义41.2毕业设计的现状及特点分析5第2章 船体的设计72.1船体的结构设计72.2船体的材料及尺寸设计8第3章 原动件的设计93.1蓄电池的选择93.2电动机的选择103.3马达的选择10第4章 中间部件的设计124.1蜗杆减速器的设计124.1.1参数选择：124.1.2传动装置总体设计：124.1.3 电动机的选择：134.1.4、运动参数计算：144.1.5 传动零件的设计计算154.1.6、蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计184.1.7蜗轮轴的校核224.1.8 箱体的结构形式和材料244.1.9铸铁箱体主要结构尺寸和关系254.1.10.键等相关标准的选择254.2带传动的设计264.3链传动的设计274.4轴的设计285.1收集装置的设计305.2打捞装置的设计31致 谢33第1章 绪论1.1 选题背景和意义随着我国经济的快速发展，公共设施及旅游区的建设力度不断大，小区、广场的公共设施的建设力度也在不断地增大。由于陆地上的垃圾随风飘散，或者由于公民、游客的素质问题，在大的广场、公园、风景区的水面上中随时可以见到飘浮的白色垃圾。这些垃圾比较分散，打捞难度比较大。用竹竿打捞范围太小，开小船进去又费时费力。针对这一问题，发明了一种用于水面的垃圾清理船，就为我们提供水资源的长江来说吧，这条中华民族赖以生存的母亲河受到越来越严重的污染，据统计，近年来长江干流一般年份的漂浮物来量为10-20万立方米左右，不仅严重污染了长江、影响了三峡的美好风光，更是对船闸安全运行构成了严重的威胁特别是在小三峡地段，那里的垃圾壮观的简直是令人骇然。大片大片的垃圾漂浮在水面上，覆盖了整个河道，连船都无发前进。虽然这些垃圾中有不少是枯树枝，但除去褐色部分人为垃圾的量也是惊人的。白色部分就是漂浮在江上的泡沫塑料，还可清晰的看到绿色红色的塑料包装。特别是今年9月份以来，水上漂浮物造成了葛洲坝船闸32次运行程序中断为最，直接威胁着过往旅客和船舶的生命财产安全。据悉 在长江三峡库区，每天要清理漂流物高达100吨，清漂工作关系到长江水质、关系到航运畅通，更关系到大坝安全，库区负责清漂的环卫部门曾经设想有朝一日能够让清漂船达到标准化作业，垃圾规范处理，实现对漂浮物的全自动跟踪。该船主要适用于河流 湖泊 等水面垃圾的清理收集，可有效的保证水域环境的整洁与美观，对营造绿色的生存环境有着重要的意义和积极的作用，水面垃圾清理船的推广和使用，可实现水面垃圾清理的机械化与自动化，极大的提高水面垃圾清理效率和作业质量，同时又起到对水面环境的维护保障功能。，与水面垃圾的人工打捞相比，极大地提高了工作效率，它的使用对减小水面的污染有着积极的意义。1.2毕业设计的现状及特点分析水面漂浮物打捞船采用成熟的技术、简单的结构和巧妙的方法，可以自动地把其快速行进所到之处的水面漂浮物和半漂浮物打捞到船上，整个打捞过程无需人工参与，安全性非常好，效率大约是人工打捞的几百倍，水面越大、风浪越大效果越显著。 据报道韩国海洋水产部在2000年投资23.5亿韩元（1美元约合1170韩元），委托韩国海洋研究院开发一种能在浅滩和港口进行垃圾清除作业的垃圾打捞船。最近，这种海上垃圾打捞船已建造完成，并通过了性能试验。这艘名为“海洋清扫号”的垃圾打捞船为平底船，长30m、宽10m、高2.3m，可在水深只有两米的浅滩和港口清除漂浮垃圾。船上装有臂长达20m的“多关节”抓铲，可打捞水深为15m的滩底沉积垃圾。船上的钩状收集机可用于收集水中的渔网及渔具。船舱还可容纳40吨垃圾，这些垃圾可被船载的宽体切割机切割分解。 横浜港湾空港技术调查事务所的海洋环保型船“BayClean”号船是用于回收清扫海面垃圾兼溢油回收船，为提高作业效率采用双船体。船首双体的上部为居住区，双体中央部设有回收垃圾用的翻斗，装备了垃圾集装箱和海上流木等起吊用悬臂吊车(4节液压升缩型、作业半径 12.3m)。双船体尾部设油回处装置，由油回收器、油回收泵、油水分离柜、送油泵组成。总长32.5m，双体最大宽11.6m，单体宽4m，型深4.3m，满载吃水2.7m，198GT。航速14.5kn(常规)，34kn(回收作业时)。主机为2台立式单动四冲程直接喷射式、带增压机和气冷器的柴油发动机(海马6N2lAEN)，连续最大输出功率956.15kW X850/min。在操舵室可对全船搭载的各种装置进行集中管理，可模拟监控或遥控。燃油舱和油回收柜考虑到安全，而采用双底结构。 美国联合国际船舶公司(UMI)研制的系列清扫船采用双体船型，配两套Z型推进装置，线型较简单，主要功能是清扫水面垃圾。主要作业机具包括导流门、船首传送带、垃圾箱、船尾传送带。船尾传送带用于将垃圾输送至岸上。 苏州市航运公司机务技术科的张林根所著的内河打捞船设计概要中介绍了内河打捞船设计时，航速是没有过高要求的，因而在选择船型时，主要应考虑工作稳性、操作方便性等因素，因而，内河打捞船选用“箱体型”是十分适宜的，内河打捞船的打捞方式，一般应选用操作方便、安全可靠的“双扒扦”式为佳。双扒杆打捞船一般由：两台卷扬机组、立杆、起吊杆、稳索、变幅索、起吊索等部件组成。内河打捞船应设置艏、艉压载水舱。艏压载水舱用于降低艏高，以利于过桥洞，艉压载水舱用于平衡起吊重物，一般应以大于、等于额定设计起吊重量所产生纵倾力矩值来确定艉压载水舱的舱容大小。艏、艉压载水舱均应设纵舱壁，并在纵舱壁上设置“闸阀”，以利于减少自由液面影响、调整左右倾斜，保打捞工作的安全性。 第2章 船体的设计2.1船体的结构设计根据我们设计的打捞装置的具体结构来设计船体，首先我们来看下垃圾打捞船的总体结构图。 2.1船的总体结构UG模型图 然后，根据总体结构图的设计可以设计出船体的总体构造如下图所示：2.2 船体的总体结构UG模型图上图为船体的结构三维图，船体是水陆两用打捞船的躯体部分，在系统设计中起着至关重要的作用。首先在躯体上需要安装收集装置、桨、打捞装置等机构；其次要隔绝外部水的环境和内部环境，起到隔离的作用，另外还要考虑船体的重心设计，为减小船的阻力，船体采用左右对称布置的结构。两船体之间用杆件焊接起来。前方有4个支撑杆，1个凸台，1对对称安置放轴承的支架，船尾有对称安置的4个支架，另外，右边船舱还有1个用于按放电动机的凸台，和一个用于放置减速器的凸台。船体前面的4个伸缩杆一是为了放置左右两个用于动力换向的锥齿轮减速器，二是在上下两杆之间可以放置收集轮。船体右边的那个凸台是为了放置用于支撑把带传动换成链传动的轴的支座。船体中间的1对对称安置的支架，主要用于支撑打捞装置的滑动轴承。船体后边的4个支架主要用于支撑安放马达的压板的用途。右船舱的2个凸台用于支撑和定位电动机和减速器的作用。他们的高度差分别参考电动机轴和减速器轴的高度差。 2.2船体的材料及尺寸设计船体用灰铸铁HT200制作而成，厚15mm，长4020mm，宽2200mm，高800mm它的总体尺寸设计见零件图五：船体。 第3章 原动件的设计 3.1蓄电池的选择综合考虑船的动力情况，选择蓄电池作为动力源（可充电），分别为电动机和马达供电，根据设计减速器的相关参数，查相关手册选择蓄电池的型号为GB/T10076-1988型号:12-QA-200 。 图3.1 蓄电池的外观图电压：12V额定容量：200AH尺寸：511*270*2373.2电动机的选择 根据减速器设计的相关参数，查表可查得所需的电动机Z系列直流技术数据，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和减速器的传动比，选定电动机机型号为Z2-62-114其主要性能如下表;电动机型号额定功率额定转速Z2-62-1147.5kw1000rmin3.3马达的选择 根据锂电池的直流供电特点和船体的结构特征，查相关的资料选用以下的马达。这种马达结构简单，安全可靠，适应性较广。 查知这种马达的基本参数为：马达型号：SJM400型 马达形式：外转子马达 轴的直径：30mm 重量：5kg 转速：1000rmin电压：220V 功率：4.5KW第4章 中间部件的设计4.1蜗杆减速器的设计4.1.1参数选择：根据这个传动装置的实际情况，特选定如下的初选参数。总传动比：I=35 Z1=1 Z2=35链轮（传送带）直径:D1=240mm D2=120mm传送链有效拉力：F=3KN传送链速度：V1=0.5m/s链轮的速度：V2=1 m/s 工作环境：有粉尘 常温连续工作. 图4.1 减速器的传动系统图4.1.2传动装置总体设计：根据要求设计单级蜗杆减速器，传动路线为：电机连轴器减速器带-链式传送带 根据生产设计要求可知，该蜗杆的圆周速度V45m/s，所以该蜗杆减速器采用蜗杆下置式见,采用此布置结构，由于蜗杆在蜗轮的下边，啮合处的冷却和润滑均较好。蜗轮及蜗轮轴利用平键作轴向固定。蜗杆及蜗轮轴均采用圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷的复合作用，为防止轴外伸段箱内润滑油漏失以及外界灰尘，异物侵入箱内，在轴承盖中装有密封元件。4.1.3 电动机的选择：由于该生产单位采用直流电源，可考虑采用Z系列直流电动机。直流电动机的结构简单，工作可靠，价格低廉，维护方便，启动性能好等优点。一般电动机的额定电压为220V根据生产设计要求，该减速器链轮直径D=240mm。运输带的有效拉力F=5000N，带速V=0.5m/s，载荷平稳，常温下连续工作，工作环境多尘，电源为三相交流电，电压为220V。1、 按工作要求及工作条件选用Z2系列直流电动机，封闭扇冷式结构，电压为220V，2、 传动链轮所需功3、 传动装置效率：（根据参考文献机械设计课程设计）其中：蜗杆传动效率1=0.73 滚动轴承效率2=0.99联轴器效率3=0.99 滚子链传动效率4=0.98V带传动效率5=0.95滑动轴承效率6=0.98所以 ： =1223456=0.73x0.99x0.99x0.99x0.98x0.95x0.98=0.646电动机所需功率: Pr= =（4.5）/0.646=6.97KW由表选取电动机的额定功率为7.5kw传动链轮1工作转速： nw601000v / 24039.7r/min则链轮2的工作速度：=69.4r/min根据容量和转速，根据参考文献 机械设计课程设计147-149页查表可查得所需的电动机Z系列直流技术数据综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格和减速器的传动比，选定电动机机型号为Z2-62-114其主要性能如下表电动机型号额定功率额定转速Z2-62-1147.5 KW1000rmin4.1.4、运动参数计算：1.蜗杆轴的输入功率、转速与转矩P0 = Pr=6.97kw n0=1000r/minT0=9.55=6.979.55103/ 1000 =66.6N .m2.蜗轮轴的输入功率、转速与转矩P1 = P01223= 6.970.990.730.992 = 4.94kw n= = =28.6r/minT1= 9550 = 9550 = 1649.5Nm3.传动链轮的输入功率、转速与转矩（传动链轮轴与涡轮轴等直径）P2 = P1456=4.940.980.980.9513=1.5kwn2= = = 28.6r/minT2= 9550 = 9550 = 500.9Nm4.分支传动链轮的输入功率、转速与转矩 P3 =4.940.98 0.980.9523=3kw n3 = 2n2 =57.2 r/min T3=9550=9550=500.9Nm运动和动力参数计算结果整理于下表4-1： 表4-1类型功率P（kw）转速n（r/min）转矩T（Nm）传动比i效率蜗杆轴6.97100066.6 10.646蜗轮轴4.9428.61649.5 35传动链轮轴1.528.6500.9链轮轴2357.2500.94.1.5 传动零件的设计计算4.1.5.1蜗杆蜗轮设计计算1.选择蜗轮蜗杆的传动类型根据 GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线蜗杆ZI。2.选择材料考虑到蜗杆的传动功率不大，速度只是中等，故选择45钢，蜗杆螺旋部分要求淬火，硬度为45-55HRC，蜗轮用铸锡磷青钢ZCuSn10P1，金属模铸造，为了节约贵重金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造5.2.3按齿面接触强度进行设计由式（7-13）传动中心矩计算公式如下：(1) 确定作用在蜗轮上的转矩=1649.5Nm(2) 确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布系数,由于转速不高，冲击不太大，可选取动荷系数,则根据表7-8K=1.1111.05=1.17(3) 确定弹性影响系数因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故=160(4) 确定接触系数先假设蜗杆分度圆d1和传动中心矩a的比值为0.4，从图7-14中可查得=3.1(5) 确定许用接触应力根据蜗轮材料为ZCuSn10P1，金属模铸造 蜗杆硬度45HRC，可从表中查得无蜗轮的基本许用应力(6) 应力循环次数N=60(=12000h)=60112000=2.06(7)寿命系数=0.914=0.914268MPa=244.85MPa（8）计算中心矩=199.3mm查表 取中心矩a=200mm,因i=35,故从表7-2中取出模数m=10mm, 蜗杆分度圆直径d1=80mm这时， =3.1由图7-14查得，=2.74 因为=12010. 单根V带的基本额定功率 =3.511. 功率增量=0.4612. 长度系数0.9413. 包角系数0.9214. 单根带许用功率（）. =3.960.940.92=3.42kw15. V带根数Z=0.965 Z=1；综合考虑选择窄V带的型号为SPA1250 GB|T11544-1997 节宽bp=11mm 顶宽b=13mm,高度h=8,楔角a=40度。（2）打捞装置传送带的设计 根据额定功率P=1.5kw,传动比i=1,转速n=28.6rmin,每天的运转时间不超过10h,综合考虑选择窄V带的型号为SPA600 GB|T11544-1997 节宽bp=11mm 顶宽b=13mm,高度h=8,楔角a=40度。4.3链传动的设计 原始参数P=3 kw,由于过渡轴的转速为26.5rmin,传动比为1,设计参数如下；（参考 王为主编 机械设计 华中科技大学出版社）1. 传动比I=12. 主动轮齿数Z1=20从带轮齿数Z2=20，3. 中心距L=1245mm4.链节数Lp=+()=80+20=1005.单排链额定功率P0=2.86kw查表5-8 取=1假定链工作点在图5-22所示曲线顶点查表5-19 取=1.05查表5-19 取=1选用单排链，查表5-20，取KP=1根据=2.86KW，=28.6rmin丛图5-21查出链号为24A，查表5-14链节距P=38.16. 中心距a=a0+,中心距可调a=1245mm7.演算链速 V=0.72ms查表5-17，当V带在0.6-3ms时，齿数Z1=17.取Z1=20 与假设相符，故取Z1=20合格8，选择润滑方式 根据P=38.1 V=0.72ms 采用润滑脂润滑9，工作拉力F=4166.6N10作用在轴上的拉力 FQ=（1.2-1.3）F=1.34166.6=5146N11.链条节距为38.1mm,A系列，单排150节滚子链中心距为 L=1245mm链条标记为24A-1150GBT1243.1-19834.4轴的设计4.4.1打捞装置轴的设计原始条件 输出轴的功率P=1.5KW n=28.6rmin1,选择轴的材料该轴无特殊要求，因而选用调质处理的45钢，查表知，6b=640mpa.2.求输出轴的功率P2 , n 及扭矩T,若取机械效率V=0.97 则=P1.41kwn28.6rminTT2= 9550 = 9550 = 500.9N.m3初步估算最小轴径先初步估算轴的最小直径，当选取轴的材料为45钢时，取c=110，于是得=1103=40.05mm如图所示最小轴经为50。其他轴的直径可以根据使用要求选取 总体尺寸如总装配图 图4.4 链轮轴的三维图第5章 执行部件的设计5.1收集装置的设计 收集装置在整个设计中起着相当重要的作用，它把垃圾从水面传送到打捞机构上。下面说明它的工作原理。 根据船体的结构设计 ,而且为了提高收集效率,把收集装置设计成收集轮的形式,如总装配图所示,左右两个收集轮均垂直于水面，左边收集轮的轴通过锥齿轮的换向，变为顺时针方向，而右边的收集轮的轴也通过锥齿轮的换向，变为逆时针方向。而这样通过左右两个收集轮的相向运转。再将收集轮安装在船体前面的杆件上，这样就可以完成垃圾从水面传送到打捞装置的作业。它的尺寸如零件图1 过滤板所示,把过滤网板设计成左右对称分布(12.)结构可以扩大收集面积,从而提高效率. 图5.1 收集轮的UG模型图收集装置轴速度计算：（1） 过渡链轮(主动轮)的转速=57.2 r/min（2） 求过渡链轮到收集装置轴的传动比I=1=1.5（3） 可求得收集装置轴的转速为=57.2=85.8 r/min5.2打捞装置的设计 打捞装置在整个设计中起着不可替代的作用。在这个船体中，我们将它设计成两个链轮用特制销轴联接的结构,如图所示,。它的尺寸及结构如图二所示，下面说明一下它的工作原理。首先我们要根据船体的构造原理，把打捞装置放置在两船体的中间，此时，我们要设计成传送链轮的形式，再设计一个特制销轴的结构，将两个链轮连接起来，这样就完成了打捞装置的组合，为了能使打捞装置能顺利的把垃圾传送到装置上,可以在特制销轴焊接上钩子,可以把垃圾从水面钩到传送轴上,再传送到垃圾储存仓.这样就完成了打捞作业 ，链条标记为24A-1416GBT1243.1-1983 图5.2打捞装置示意图总 结为期两个多月的毕业设计在忙忙碌碌的设计与计算中结束了，这意味着几年多姿多彩的大学生活也将结束。本次设计是我们在大学里的最后一个综合学习，也是对我们几年学习的检验与考核，更是理论联系实际的一次体验，可以说我又发现了很多不足，在不断发现问题解决问题的过程中，我体会到了干好任何一份工作的艰辛和快乐，对我来说是充实的。刚开始做设计的时候，都不知道怎么动手，心中没有对整个设计的完整概念，只是跑图书馆查书籍和上网找资料，但收获甚微。在这时宋老师的不厌其烦和悉心指导，让我有了信心才使得毕业设计得以开始，万事开头难，有了一个好的开始，再加上老师给我们提供的一些相关资料和帮助指导，我的设计进行得以慢慢进行，虽然中途由于找工作的原因中断过而影响了进度，但通过调整方法以及在宋老师的鼓励下工作还是顺利的完成了。这次毕业设计不但全面检验了过去我们所学，特别是对机械设计等课程的检验更是让我意识到查找资料的不易与重要性。记得老师曾
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