机械水面垃圾自动打捞船的设计

1、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，如果装满了后，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，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, I Key: Hull the device of collec

2、tion the device of Salvage 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12参数选择：12传动装置总体设计：124.1.3 电动机的选择：13、运动参数计算：144.1.5 传动零件的设计计算15、蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计18蜗轮轴的校核22 箱体的结构形式和材料24铸铁箱体主要结构尺寸和关系254.1.10.键等相关

3、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。  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。1.2毕业设计的现状及特点分

4、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

5、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)

6、，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

7、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 船的总体结构UG模型图 然后，根据总体结构图

8、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，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。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GB/T10076-1988查表Z2-62-114电动机型号额定功率额定转速Z2-62-1147.5kw1000rmin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：4.5KW4.1.1参数选择：根据这个传动装置的实际情况，特选定如下的

9、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

10、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：由表选取电

11、动机的额定功率为7.5kw根据参考文献 机械设计课程设计147-149页查表Z2-62-114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=6.97kw =1000r/min=9.55=6.97×9.55×10/=66.6N .m输入功率、转速与转矩输入功率、转速与转矩（=4.94×0.98×0.98×0.95×13=1.5kw输入功率、转速与转矩 ×0.98×0.98×0.95×23=3kw类型功率P（kw）

12、转速n（r/min）转矩T（Nm）传动比蜗杆轴6.97100066.6蜗轮轴4.9428.61649.5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

13、公式如下：(1) 确定作用在蜗轮上的转矩=1649.5N·m(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=··=1.11×1×1.05=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

14、15;(=12000h)=60×1××12000=2.06×(7)寿命系数=0.914=0.914×268MPa=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<，因此以上计算结果可用。3.蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺（1）蜗杆的计算分度圆直径d1=80mm模数 m=10直径系数q=10，齿顶圆 齿根圆df1=m(q-2.4)=76mm分度圆导程角，蜗杆轴向齿厚Sa=0.5=12.

15、56mm蜗杆头数Z1=1（2）蜗轮的计算蜗轮齿数=×31=31变位系数为蜗轮分度圆直径=mZ =310mm蜗轮喉圆直径=（310+2×10）=330mm蜗轮齿根直径=（310-2×1.2×8）=280.8mm蜗轮咽喉母圆半径=（200-×330）=35mm4.校核齿根弯曲疲劳强度 (mpa)当量齿数根据=-0.5 =31.47，从图7-15中可差得齿形系数=3.34 螺旋角系数=许用弯曲应力 从表7-10中查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用应力=56MPa寿命系数=56×0.715=40.04MPa=38.86 弯曲强度是满

16、足的。5 .精度等级公差和表面粗糙度的确定考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动，属于用机械减速器。从GB/T10089-1988圆柱蜗杆，蜗轮精度中选择38级精度，侧隙种类为f,标注为8f GB/T10089-1988。蜗杆与轴做成一体，即蜗杆轴。蜗轮采用轮箍式，与铸造铁心采用H7/S6配合， 4.1.6、蜗杆、蜗轮的基本尺寸设计1蜗杆基本尺寸设计（1）轴的材料的选择，确定许用应力考虑到减速器为普通中用途中小功率减速传动装置，轴主要传递蜗杆的转矩。选材45钢，淬火处理。选用45号钢， b=600MPa b-1 =55MPa（2）根据电动机的功率P=7.5kw，额定转速为1000r/min，电动机轴

17、径，轴伸长E=80mm估计蜗杆轴外伸段的直径.初步估算轴的最小直径（外伸段的直径）当选取材料为45，取C=110，于是得D=110×3 =21.5mm输出轴的最小直径显然是安装联轴器处直径.考虑到轴上有键槽对轴强度的削弱，轴径需增大5%，则D=22.6d=（0.810）=30.438mm计算转矩：Tc=KT=K×9550×由Tc、d根据机械零件设计课程设计表14-13可查得选用YL7凸缘联轴器 确定蜗杆轴外伸端直径为40mm。长度L1为84mm.（3） 从轴段d1=40mm开始逐渐选取轴段直径，d1右端非定位轴肩，且安装密封毡圈。取d2=45mm；d2段与轴承的内

18、径相配合，为便于轴承的安装，选定轴承型号为30310。取d3=50mm d×D×T=50×110×29.25d4起定位作用，由h=（0.070.1）×d3=（0.070.1）×50=0.355mmd8=d4=d3+2h=50+2×3.5=57mmd5和d7为退刀槽选d5=d7=48mmd6取蜗杆齿顶圆直径 d6=120mm=da1L1=联轴器轴孔长度=84mmd2的长度为：轴承端盖总宽度（20mm）+端盖的外端面，与半联轴器右端面间的距离l=30mm 故L2=20+30=50mmd3轴段的长度：取64mm（参照蜗轮轴承段的选

19、取），所以L3=64mm。d4和d5为退刀槽那段轴端长度：L4+L5=70mm d6轴段的长度： 查表（传动零件的结构尺寸） Z11 L6(11+0.1ZV)m 可得： L6=110mmL7+L8=L4+L5=70mm L3=L9=64mm 可得： 蜗杆的总长度为512mm。 如图所示 图4.2 蜗杆的尺寸设计图 2.蜗轮轴的设计（1）轴的材料的选择，确定许用应力考虑到减速器为普通中用途中小功率减速传动装置，轴主要传递蜗轮的转矩。选用45号钢， b=600MPa b-11=55MPa（2）按扭转强度，初步估计轴的最小直径 选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3取C=110，于是得D=1

20、10×3=45.03mm又考虑与带轮结合，故选择d50（3)定位轴肩高度在（0.070.1）d范围内，故d2=d1+2h=48×（1+2×0.07）=54.72mm，标准直径d2=55mm。为了保证轴端挡圈在压在半联轴器上，而不压在轴的端面上，L联孔的长度应比d1段的长度L1长点：L1=75mm（4 )选滚动轴承根据d2=55mm，初步选取0基本游隙组，标准精度级的单列圆锥滚子轴承30212，其尺寸为：d×D×T=60mm×110mm×23.75mm故选d3=60mm查GB/T294-94得：圆锥滚子轴承da=69（3021

21、2）即轴肩为h=mm=4.5mm 取3 所以d5=69+3=72mm又：轴环的亮度b=1.4h，即b1.4×6=8.4b取12mm，即L5=12mm（5）蜗轮的轴段直径 蜗轮轴段的直径的右端为定位轴肩。故d4=d5-2h，求出d4=66mm与传动零件相配合的轴段，略小于传动零件的轮毂宽。蜗轮轮毂的宽度为：B2=(1.21.5)d4=（1.21.5）×64 =76.896，取b=80mm，即L4=76mm（6）轴承端盖的总宽度为20mm。取端盖的外端面与半联轴器右端端面的距离为l=35mm。故L2=20+35=55mm（7）取蜗轮与箱体内壁距离为a=16mm，滚动轴承应距箱体

22、内壁一段距离s（58）。取s=8mm，已知滚动轴承宽度为T=23.75mm，蜗轮轮毂长为L=80mm，则：L3=T+s+a=55mm至此已初步确定了轴端各段直径和长度，蜗轮轴设计草图所示：轴的总长为：L总=15+82+52+66+76+12+48+55=466mm图4.3 蜗轮的尺寸设计图4.1.7蜗轮轴的校核1.轴的受力分析图 图4.1X-Y平面受力分析 图4.2X-Z平面受力图：图4.3 1102123.75216079797119图4.4垂直面弯矩 图4.5 436150.8合成弯矩 1184736.3 714000 681175.5 图4.6当量弯矩T与aTT=1111840NmmaT

23、=655985.6Nmm图4.72轴的校核计算轴材料为45钢，（1）. 转矩 圆周力 （3）. 径向力 轴向力 计算支承反力 垂直面反力 水平面X-Y受力图 图4.2（8），垂直面X-Z受力 图4.3（9）画轴的弯矩图水平面X-Y弯矩图 图4.4垂直面X-Z弯矩图 图4.5合成弯矩 图4.6轴受转矩T T=9.5 许用应力值 表16.3，查得应力校正系数a a=当量弯矩图轮段轴中间截面 轴承段轴中间截面处当量弯矩图 图4.7（11） 轴径校核 验算结果在设计范围之内，设计合格 箱体的结构形式和材料箱体采用铸造工艺，材料选用HT200。因其属于中型铸件，铸件最小壁厚810mm，取=15mm4.1

24、.9铸铁箱体主要结构尺寸和关系 名称 减速器型式及尺寸关系箱座壁厚 =10mm 箱盖壁厚1 1=0.8=9.6mm 取1=10mm箱座凸缘厚度b1，箱盖凸缘厚度b，箱座底凸缘厚度b2 b1=1.5×1=15mmb=1.5×=16mm b2=2.5×=2.5×12=10mm地脚螺钉直径及数目 df=0.036a+12=21mm 取df=25mm n=4轴承旁联接螺栓直径 d1=0.075df=18.75mm 取d1=20mm盖与座联接螺栓直径 d2=（0.50.6）df 取d2=16mm联接螺栓d2间的间距l=150200mm轴承端盖螺栓直径 d3=（0.

25、40.5）df 取d3=12mm 检查孔盖螺栓直径 d4=（0.30.4）df 取d4=8mmDf，d1，d2至外壁距离 df，d2至凸缘边缘距离 C1=26,20,16 C2=24,14轴承端盖外径 D2=140mm 轴承旁联接螺栓距离 S=140mm轴承旁凸台半径 R1=16mm轴承旁凸台高度 根据轴承座外径和扳手空间的要求由结构确定箱盖，箱座筋厚 m1=9mm m2=9mm蜗轮外圆与箱内壁间距离 1=16mm蜗轮轮毂端面与箱内壁距离 2=30mm4.1.10.键等相关标准的选择本部分含键的选择，联轴器的选择，螺栓、螺母、螺钉的选择具体内容如下：1.键的选择查表GB1095-79联轴器与轴

26、相配合的键：A型普通平键，b×h=12mm×63mmGB1095-79 链轮与蜗杆的连接 b×h=14mm×56mmA型，12mm×63mmA型，14mm×56mm GB1095-792.联轴器的选择 根据轴设计中的相关数据，查表10-43，选用联轴器的型号3.螺栓，螺母，螺钉的选择考虑到减速器的工作条件，后续箱体附件的结构，以及其他因素的影响选用 螺栓GB5782-86， M16×180， 数量为4个 M16×60， 数量为4个 M20×80 数量为4个 M10×50 数量为6个 螺母GB61

27、70-86 M16 数量为4个 M16， 数量为4个螺钉GB5782-86 M8×30 数量为4个 M10×30， 数量为6个 M16×80M16×60 M20×80M10×50M16M16M8×30M10×30×=0.24ms大轮直径da2=100mm从动轮的转速n2=57.2×50100=28.6=154.8>=120××=0.965 Z=1；+()=80+20=1005.单排链额定功率P0=2.86kw=1.05查表5-19 取=1选用单排链，查表5-20，取KP

28、=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=38.1,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3=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（1） =57.2（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