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含4张CAD图纸 25 KN 液压 绞纲机 及其 系统 设计 CAD 图纸

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25KN液压绞纲机及其液压系统的设计 摘 要绞纲机是一种渔业机械，主要用于渔船在起网过程中绞收纲索（曳纲和底纲），亦可用于起锚、扬帆和起吊渔货等。绞纲机机械结构紧凑简单、布局合理、运转平稳、操作简单轻便、工作安全可靠。对提高捕捞作业的效率、减轻劳动强度、节省劳动力等都具有重要作用。随着渔业生产的快速发展，渔船的升级。原有的机械式绞纲机已经不能满足现代渔船的需求。它在机械传动中的不稳定性，操作控制上的不方便以及绞纲拉力小和速度慢等缺点也日益暴露出来。由于近年我国基础工业的发展，液压元件的制造技术越来越成熟。在同等功率条件下，液压传动装置比机械传动装置具有体积小，结构紧凑，重量轻，传递功率大，能自动防止过载，可无级变速操作等优点，但是考虑到成本的问题和各方面实际因素，为了能被广大渔民所接受，在本次设计中采取了液压与机械相结合的方法对立式绞纲机的动力传输和控制系统进行了改进。本文首先在对绞纲机进行简要介绍的基础上，分析了国内外绞纲机的发展现状和国内绞纲机的主要机型和展望，然后分析了绞纲机及其液压系统，分别对传动系统和控制系统进行设计。关键词：绞纲机；渔船机械；液压控制- I -AbstractGang cutter machine is a fishing machinery, mainly used for fishing in the process of hauling cable cutter income classes (trolling and bottom Gang Gang), it can be used for anchor, sailing and fishing lifting goods. Gang cutter machines for simple and compact structure, reasonable layout, smooth operation, simple operation, lightweight, safe and reliable. To improve the efficiency of fishing operations, reduce labor intensity, labor-saving and so has an important role.With the rapid development of fishery production, upgrade fishing vessels. Original mechanical cutter Gang machine has been unable to meet the requirements of modern fishing vessels. It is not stability in mechanical transmission, the disadvantage is inconvenient and twist Gang pull small and slow speed operation control are increasingly exposed. In recent years, due to the development of basic industries, manufacturing technology of hydraulic components and more mature. Under the same power, the hydraulic drive system with a small, compact, light weight, transmission power, can automatically prevent excessive advantage overload, stepless operation, but considering the cost issues and practical aspects of mechanical gearing ratio factors, in order to be accepted by the majority of fishermen in this design has taken a combination of hydraulic and mechanical power transmission and control approach system vertical cutter Gang machine has been improved. On the basis of this paper cutter machine briefly outline on the analysis of the main models and the development status and prospects of domestic twist Gang Gang machine cutter machine at home and abroad, and then analyzes the twist Gang machine and hydraulic systems, transmission respectively system and control system design.Key words: Gang cutter machine; fishing machinery; hydraulic control目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论51.1 课题研究背景及目的意义51.1.1 课题研究目的及意义51.1.2 绞纲机类型和基本参数51.2 国内外研究现状71.2.1 国外绞纲机发展现状71.2.2 国内绞纲机发展现状71.2.1 国内绞纲机主要机型81.2.4 绞纲机展望10第2章 绞纲机概述122.1 绞纲机传动概述122.1.1 对绞纲机要求122.1.2 液压绞纲机优点122.1.3 绞纲机压力级132.2 绞纲机液压回路设计142.3 绞纲机传动形式162.4 绞纲机拉力192.4.1 绞纲机负荷压力级192.4.2 绞纲机拉力的确定202.4.3 绞纲机速度212.5 绞纲机滚筒的布置212.5.1 串联式212.5.2 分列式212.6 绞纲机液压油的选择21第3章 绞纲机传动系统设计233.1 绞纲机总体设计233.2 绞纲机齿轮速比253.2.1 从拉力方面考虑卷简的输入扭矩253.2.2 从速度方面考虑卷简的输入扭矩263.3 传动比的选择以及各轴的参数计算273.3.1 各轴转速273.3.2 各轴输入功率283.3.3 各轴输出功率283.3.4 各轴输入转矩283.4 轴的设计计算293.4.1 输入轴参数确定设计303.4.2 轴的校核计算30第4章 绞纲机液压控制设计334.1 绞纲机液压控制系统334.2 液压阀的选择344.2.1 分流阀机构344.2.2 溢流阀354.2.3 换向阀的选择354.2.4 主阀机构374.2.5 安全阀机构374.3 油泵和液压马达的确定384.3.1 液压马达的确定384.3.2 液压泵的确定39参考文献43- IV -第1章 绪 论1.1 课题研究背景及目的意义1.1.1 课题研究目的及意义船舶工业作为一项现代化的综合性产业，一方面为航运交通和海洋资源的开发提供配套装备，促进着国家重点产业的发展；另一方面也为国家安全、能源战略和海洋权益维护提供着重要的工业技术基础。绞纲机简称“绞机”。渔业船舶上用来收绞、抛放、盘置渔具纲绳的主要捕捞机械，其主要用于渔船在起网过程中绞收纲索（曳纲和底纲）。这种机械结构紧凑简单、布局合理、运转平稳、操作简单轻便、工作安全可靠。其对提高捕捞作业的效率、减轻劳动强度、节省劳动力等都具有重要作用。1.1.2 绞纲机类型和基本参数有关绞纲机设计制造标准 ，现有 SC678“渔船绞纲机类型和基本参数”和SC878“海洋机帆渔船绞纲机类型,系列参数和技术要求”近20年来 ，受近海资源的影响和渔业科技进步的要求，海洋捕捞经历了很大的变化作业区域由近海向深海，远洋发展，船体向大型钢质渔船发展绞纲机的传动方式也从机械式和低压液压传动向中高压液压传动方向发展。显然，原标准已难以满足。SC878中卧式单卷筒或双卷筒绞纲机系列参数有4种规格，两种规格都只适应于底拖网作业。双卷筒仅有线状布置。图1.1 左机（L）右机（R）和中机（C）单卷筒和双卷筒绞纲机表1.1 绞纲机设计参数根据绞纲机容绳量大、卷绕直径变化大的情况规定了半长索最小卷筒负载、全长索最小卷筒负载，最小公称绞收速度(相当于半长索时额定卷筒负载下的绞收速度)和设计力矩(半长索绕直径处施加额定卷筒负载)因渔船绞纲机容绳量很大。受船型限制绞纲机卷筒不能太长，故纲绳卷绕层数往往有十层以上。卷绕直径变化相当大，造成绞纲机输出拉力变化范围也相当大，尤其在最外层卷绕直径时，绞收线速度最大而输出拉力最小。其性能由绞拉力、绞收速度和容绳量3个主要参数表征。其结构通常由动力传动系统、变速装置、制动器、离合器、排匀器、工作滚筒 (摩擦鼓轮)、绳索鼓轮等组成。传动方式有液压、电力和机械3种。按结构形式的不同，可分为串联式、并联式和分列式。其中分列式绞纲机多采用中高压，体积小，绞拉能力强，布置容易，操纵方便灵活，性能优于串联式和并联式。按作业功能，可以分为曳纲绞机(拖网绞机)、括纲绞机、过环绞机、上纲绞机、放灯绞机等。其安置部位，依据渔轮的布置及捕捞操作方式的不同而定。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外绞纲机发展现状在世界渔业杂志中罗列了由船厂提供的个系列不同的甲板机械制造厂商形式和规格，通过这些数据可以发现，除了荷兰和德国外，绞纲机采用液压驱动占主导优势。部分工程师提出可以采用噪音低、易于安装、安全可靠地电力驱动。但是，由于是在海上作业，极易遇到不良天气，电气元件容易受潮，损坏，而且它的价格并不比液压驱动便宜。所以总的来说多数的渔船还是采用液压驱动。挪威建造的渔船上大部分是低压系统,采用市场上紧俏的、主要出口的Brattvaag设备。16艘渔船用了这家公司的低压甲板机械,2艘渔船是用Norwinch的低压设备, 也有相当数量的渔船是用挪威的Rapp Hydema和Karmoy winch高压设备。低压系统的优点是简单、容易安装和修理, 不需要特殊维护, 而高压系统的优点则是管道直径小, 元件尺寸小, 有可能匹配动力滑车和其他专用高压设备。在法国,Bopp高压设备依然占领着国内市场。1.2.2 国内绞纲机发展现状我国渔船上的液压驱动捕捞机械发展的起点是低压系统, 到目前为止已有20多年的历史。70年代到80年代, 低压传动绞纲机在全国大中型渔船上占有统治地位,机械绞纲机逐步被取代。随着科技进步,低压绞纲机也同样会被中高压取代，因为中高压比低压有很多优点。近几年, 由于我国基础工业的发展, 液压元件的质量也越来越过关, 这就为液压系统的发展提供了有利条件, 促进了渔船绞纲机由低压向中高压的大力发展, 尤其是我国南方如宁波、温州等地发展尤为迅速, 基本上到了普及的程度。但中高压绞纲机在我国北方地区（包括上海）的发展仍十分缓慢,低压绞纲机仍占有主导地位, 就我们烟台地区而言, 除了几艘进口的渔船和几条围网船外, 大、中型渔船全部使用低压绞纲机。据我们了解, 大连、烟台、青岛等渔轮厂都不同程度地对中高压绞纲机进行了探讨研究, 但由于种种原因而搁浅, 1.2.1 国内绞纲机主要机型常熟市渔业机械厂生产的JYW一F22/60型绞纲机,适用于20-400马力小型渔轮作为海上捕捞作业妓纲、起吊鱼货等工作之用,是小型渔轮理想的辅助设备。该机具有启动,正转,反转,锁紧,调速等多种功能，同时可兼作船用带缆机和起描机等之用。JYW一F22/60型绞纲机使用中高压传动和安全性较大的电磁离合装置。绞纲机由低速大扛矩液压马达驱动,采用卧式分列结构,安装装置方便,2台绞纲机由各自独立的液压控制回路组成,通过操纵控制电磁离合器与机侧液压操作控制台,使绞纲机实现启动,正转,反转,锁紧,调速等多种功能,操作灵活,安全可靠,具有拉力大,速度快,效率高,使用寿命长等特点。整个绞纲机为2台各自独立的分列式绞纲机组成,即绞机,操纵台,泵站,油箱,电磁离合器控制箱和系统管理连接而成。绞机:由低速大扭拒液压马达,驱动轴,摩擦鼓轮,支架等零件组成。摩擦鼓轮通过液压马达直接驱动,结构简单可靠,鼓抢采用硬模浇制,硬度高,耐磨衬用。液压操纵台:由于动换向阀、调速阀、溢流阀、锁阀、压力表及组合阀块组成。通过操作控制手柄,可换向,调速,锁紧等,是整个系统的控制中心。泵站:液压泵站由连接主机前端输出轴的电磁离合器、升速齿轮箱及2台齿抢油泵组成。电磁离合器与控制箱:离合器由湿式多片线圈和摩擦片等组成,24V蓄电池进行工作。控制箱由二极管、电阻、分流器、电压表、电流表等元件组成。整套绞纲机的工作原理是:首先由主柴油机前端输出轴通过齿轮箱内电磁离合器传递动力,经过2对升速齿轮升速,随后带动2台液压齿轮泵,并通过安装于驾驶室或机舱内的电磁离合器开关,使液压泵进行工作或工作停止。JJL系列绞纲机采用蜗轮副减速，主要用于渔船捕捞绞纲、起网，也可用于起锚、扬帆、起货等。图1.2 JJL系列绞纲机LHQ系列锥轮摩擦式离合器采用矩形螺纹推动内摩擦锥轮，通过石棉摩擦片与固定在柴油机前端的外摩擦锥轮相摩擦用以传递动力，经传动轴系带动起网机工作。主要用于配套起网机离合传动，也可作为一般机械通用设备使用。型号规格和结构简图如下： 图1.3 齿条式操纵机构 图1.4 钢绳索式操纵机构 图1.5 手推式操纵机构1.2.4 绞纲机展望我国的现代造船业总的来说起步较晚，但发展的势头强劲，随之也暴露出了发展过热和竞争无序的现象。据不完全统计，由本国自主生产的船用设备的装船率，日本高达95%，韩国高达85%，而我国却仅有46%，高新技术船型则远远低于平均水平，而船用设备成本是船舶总成本的主要组成部分，约占船价的50%。我国的船舶配套生产能力远远落后于造船能力，这严重的阻碍着我国船舶工业的发展，我国船舶工业要想实现可持续发展，就必需尽快的提高船舶配套能力，因此解决我国船舶配套业目前所存在的问题就显得至关重要，我国船舶配套业的问题主要表现在以下几方面：第一，我国的船用设备总体技术方面比较落后，船用设备企业科研能力相对薄弱，这是船舶配套业不能跟随船舶工业发展的重要原因。第二，我国的船舶配套设备与我国的造船能力相比，配套设备的生产能力完全不能适应我国造船业的需求，多数船厂的生产体系不够完备，而且我国在高端设备和核心技术发面与国际先进水平的差距十分大。第三，我国有一定规模的船舶类企业较少，企业的集中程度不高，多数船舶类企业都是中小型企业，这些企业都不具备研发的能力或者研发能力很弱，这也在一定程度上制约着船舶配套业在技术方面的突破。第四，我国的船舶类企业管理理念不先进，只注重生产，在营销和服务方面做得不够周到，且产品结构单一，产品种类不够齐全，对船舶配套市场的依赖程度太大，承受金融风险的能力较弱。由此可见，我国船舶配套业需要尽快的改变其目前的发展现状，亟需在产业结构、生产规模、投资结构、产品结构、科技水平以及产品质量等许多方面进行调整，不断的引进国外的先进技术来弥补自己在技术创新上的不足，同时还要吸收消化实现可持续发展的自主创新。毕竟依靠别入的技术只能暂时解决问题，始终不能从根本上解决问题，而我国要想跻身造船强国的行列，就必须拥有真正属于自己的先进技术。我国从上个世纪80年代就开始引进国外先进技术，并不断的进行技术创新。目前，我国对锚绞机已经具备了一定的自主设计及创新能力，使之成为了船舶辅机中较为成熟的系列产品之一，但很大程度上还是要依赖中外合资合作和引进国外先进技术生产。随着船舶吨位的增加，承受载荷的增大，这些设备也朝大型化方向发展，但目前仍存在设计方法保守、效率低、系统线路复杂以及自动化程度低等缺陷，且大部分控制还需要入为的操作，不能通过计算机对其进行全面的分析和计算，理论承载能力与实际承载负荷之间也存在较大的差异。产品设计开发手段、模块化设计方法、软件设计、设计与制造技术、软件的接口技术、设计周期、设计质量管理等方面，与国外先进造船国家的差距依然很大。目前，国际船舶和海洋工程用的甲板机械技术发展的总体趋势是：高效率、自动化、集成化、模块化、数字化和智能化、远程控制、大容量、小体积、长寿命、无污染和安全可靠。现阶段，锚绞机系统的设计不能再按照传统的系统设计，应该适应船舶辅机系统的发展趋势，锚绞机系统的设计理应引入可编程逻辑控制器作为系统的控制核心，同时，系缆设备也不能单单靠入为的操作，应该引进智能化恒张力控制，使船舶能够更加安全可靠的系泊与停靠以及海洋设备的锚泊定位。- 46 -第2章 绞纲机概述2.1 绞纲机传动概述2.1.1 对绞纲机要求选用何种传动方式,是设计绞纲机首先要解决的问题。合理的选取传动方式。原则是要更好地符合捕捞操作的实况和捕捞作业的特点。就捕捞作业而论,主要是起网、收网和起鱼的工作。故绞纲机和一般起重绞车不同。第一,主要捕捞对象是鱼,因鱼在海水户,荷重大小无法估计,负荷变化很大。第二,绞纲机在暴风雨的天气下也得作业,此时风浪大,冲击负荷大增。第三,操纵应灵活。在轻负荷时,速度不能上升太快;重负荷时,亦不能使速度太慢。因为前者会使网具和船体受到损伤,后者涉及到能否按计划作业的问题。所以须能自由调节速度。第四,网具在海中移动,有时会遇上障碍物被挂住,这时绞纲机必须慢车、停转或反转,以让开障碍物以免拉坏网具。根据以上的特点,设计合理的绞纲机,必须具备以下条件:（1）两种转向(正反转)的速度范围要大,并能无级变速;（2）起网速度减小时,力矩要增大;（3）在超载时,能够自动停止起网或松出曳纲;（4）结构简单、操作容易、维修方便;（5）有足够的抗过载能力,安全可靠。从以上这些条件来看,机械和电动绞纲机显然不能或不易做到适合捕捞作业的实况。只有液压绞纲机能胜任如此恶劣的工作条件。2.1.2 液压绞纲机优点（1）易于大幅度减速,从而获得较大的力或扭矩,并能实现较大范围的无级变速,使整个传动简化;（2）易于实现直接驱动绞纲机,各液压元件间可用管路连接,故安装位置自由度多,便于船上的总体布置;（3）能容量大,即较小重量和尺寸的液压元件可传递较大的功率。由于液压元件的结构紧凑、重量轻,所以液压系统的惯量小、启快、工作平稳,易于实现快速而无冲击地变换与换向;（4）液压系统易于实现安全保护,1司时比机械传动操作简便、省力;（5）液压传动的工作介质本身就是润滑油,可使各液压元件自行润滑,因而简化了机械的维护保养,并利于延长元件的使用寿命;（6）液压元件的标准化、系列化、通用化,及其专业性生产,可提高产品质量,降低成本;（7）与电气配合,可设计出性能好、自动化程度高的传动及控制系统。以上所述,拖网绞纲机采用液压传动。2.1.3 绞纲机压力级目前绞纲机液压系统所采用的有两种压力级别,一种是低压(2.5兆帕),一种是中高压(3一25兆帕)。从国外资料看,近年来采用中高压比较普遍。在国内根据调查。多数国营海洋渔业公司都有两种意见:一种认为中高压的绞纲机拉力大,可以一次连网袋都拉到甲饭上,特别是遇到大网头时。低压就城得拉力不足;起网速度快,体积小、重量轻,易于布置;操作方便、安全可靠,尤其在8级风浪中渔船仍能作业,虽然一次性投资比低压大,但从整体上分析还是中高压好。还有一种意见认为:中高压的拉力大、体积小是发展方向,但中高压的一次性投资比低压大,目前有些液压元件的质量不过关,故障多,操作要求高,而船员的文化素质低,管理水平差;低压系统虽然管道粗,体积大,但投资省,使用可靠。所以,主张近海作业拖网渔船仍用低压。特别是辽宁、山东两省的多数国营单位都倾向于低压绞纲机。现就以上两种意见,对低压与中高压进行比较。低压优点如下:（1）制造费用低,只需普通的黑色金属;（2）不需要精密加工,部件也较少;（3）低压油泄漏少,操作方便;中高压优点如下:（1）体积小,管径细,便于安装;（2）由于是中高压,即使管长,和低压比较压力降低的幅度小;（3）效率比低压高,启动快、工作平稳;易实现集中、远距离和自动控制。（4）技术要求相对中高压要低,但在技术性能上比不上中高压,且低压绞纲机的日常维修量比中高压要大得多,在一定程度上影响了渔船的出航率。基于目前国内液压元件生产厂家的中高压元件质量、标准化程度的提高。以及在中高压绞纲机研制上成功的经验,所造渔船绞纲机应逐步从低压向中高压发展。2.2 绞纲机液压回路设计液压回路的设计我们要先考虑到绞纲机的基本功能，就是利用液压泵驱动液压马达。带动机器转动。并且有一定的控制机构，能够控制马达正反转动，在负载情况下也可一停止不动等。根据油泵输入功率计算公式 （2-1）式中：P油泵进出口压力差（MP） Q流量（1/min） 泵效率因绞纲机设计拉力不变，则式中P为定值由式中可知，油泵输入功率N与流量Q成正比，要增加流量Q，则油泵输入功率增大。但是，渔船所能提高油泵功率是有限的，而且是一个定值，因为渔船动力是以满足该船综合性能要求而定，然后进行功率分配，所以在选择系统动力元件时面部仅要考虑绞纲机的性能，而且要考虑渔船能分配绞纲机的最大功率。因此，设计的该液压系统应严格控制在所分配的功率范围内并充分利用提供的最大功率。根据以上分析，我们把系统设计成单泵差动连接系统，可以较好的解决问题。回路如图2.1所示：图2.1 绞纲机液压回路1-三位四通电磁换向阀 2-溢流阀 3-二位三通换向阀 4-二位二通换向阀 5-溢流阀 6-二位二通换向阀 7-精滤油器 8-粗滤油器在吸油口处设粗滤油器一个，该粗滤油器浸没在邮箱底部，很容易被堵塞而引起吸空想象。因而一般采用孔稍大一点的滤网，主要阻挡大颗粒污染物；而在油路上设置精滤油器，将系统产生的和外界侵入的污染物滤除，为液压泵提供清洁的油液。系统的工作原理如下：1、油箱液压油经球形阀至粗滤油器过滤后进入液压泵1，液压泵压出的高压油进入手动换向阀4.因为手动换向阀是M型阀，此时该阀不动作时处于零位，所以压力油从手动换向阀内腔向回油口流回油箱。此时系统是卸荷状态，油泵无负载，液压油的压力只需克服所经过管道的各元件的阻力即可。2、操纵换向阀2Y通电，即使阀芯左行，压力油经手动换向阀内腔油道，再从腔口进入油路，推动马达运转。此时是绞纲机撒网的阶段，因为是负载很小，只有网的重量，所以在这里采用了差动连接的方法，这种连接方式，可以在不增加液压泵流量的情况下提高液压元件的运动速度。3、操纵换向阀1Y通电，即使阀芯右行，压力油经手动换向阀内腔油道，再从腔口进入油路，换向阀4Y通电，推动马达反向运转，出来后，换向阀3Y通电，由于有背压阀，所以管道油路得到稳定，能够较平稳的将渔网收起。5、无论是撒网或是绞纲收网阶段，换向阀5Y一直保持通电状态，当液压泵出故障或是意外事故时，缸7的弹簧压力消失，使绞纲机紧急停车，这样有效地防止人员的伤亡和机器的受损。2.3 绞纲机传动形式目前制造液压绞纲机有多种形式。大致可分为叶片泵与叶片马达构成的低压系统和轴向柱塞泵与经向柱塞马达构成的中高压系统。（1）叶片泵与叶片马达低压系统，如图2.2所示。图2.2 液压系统原理图图中：1一双联液压泵组；2一绞纲饥操纵阀；3一绞纲机液压马达；4一膨胀油箱，5-机械滤油器；6一磁性滤油器；7一渔船主机机舱内叶片泵通过油管：压力油送入液压马达。液压马达是三作用的，并具有3个工作室。液压马达的速度和旋转方向由操纵阀来控制。作用二和作用三是基于液压马达的扭矩(即外界负荷)的大小而定的，由压力控制阀自动控制。操纵阀给予液压马达顺车(卷入)、倒车(放出)和停车3个位置，同时给予顺车方向3个速度范围，而倒车方向只有一个速度。这些都是由操纵手轮通过旋转蜗杆而带动蜗轮来实现的，即从停车到全顺车旋转3转，而从停车到全倒车则旋转两转。整个系统中，为了保证正常工作，防止压力意外的上升，而在泵上装有安全阀。为了防止液压油因气温的变化，产生液压油膨胀和收缩，而设有膨胀油箱，进行调节；为了保持液压油的清洁，就在管路中装置机械滤油器和磁性滤油器，来吸去油中的杂物与细铁屑。整个系统控制方便，设备简单，部件数也不变。其优点如下：（1）产生力矩是脉动的，叶片多时，脉动幅度较小；（2）叶片磨损后，压力不会降低。因为转子的旋转，使叶片受到离心力的作用，能使其在叶片有磨损的情况下，仍能和定子表面保持紧密配合。（3）故障少，保养容易。缺点：（1）由于狭窄的叶片要嵌在转子的狭槽内，使其自由滑动，并保持各部都成直角。所以，制造精度要求很高；（2）特别注意液压油的保养，防止粘度变化，以免影响叶片自由地在狭槽内滑动。当轴向柱塞泵工作时，从油箱内吸油，经油泵输出压力油源，通过手动换向阀控制油路方向，再利用机旁操纵台上的手动比例复合阀调节输入马达的油量或转换输入马达进出口的方向，使液压马达带动绞纲机低速或高速；正向或反向运转。而当手动比例复合阀处于中位时，压力油源经阀流回油箱，此时绞纲机处停车或锁紧状态。在绞纲机超载时，系统溢流阀会自动开启，压力油流经溢流阀流回油箱。使绞纲机停止运转，保护各元件设备不受损坏，当负载减轻时，溢流阀自动关闭，绞纲机继续运转。表2.1 油泵的技术性能表结构型式工作压力（兆帕）转速（转/分）容积效率（%）总效率（%）叶片泵1.5-6950-20008575轴向柱塞泵16-321500-25009885径向柱塞泵8-32400-20009080低压系统时，选双作用叶片泵较好。由于结构简单，液压泵的吸油口和出油口都是径向对称的，所以径向力是平衡的，轴泵负荷极小。再者，从叶片的底部引入压力油，由于离心力的作用，叶片紧压在定子的内壁上，工作确实可靠。在采用压力25兆帕低压系统时，泄漏又可以改善。而单作用叶片泵，定子和转问有偏心距，相对运动部件多，泄漏较大，容积效率低，调节不便，故通常叶片泵都制造成双作用式。在中高压系统中，轴向柱塞泵选得较好。由于其结构紧凑，径向尺寸小，惯性小，柱塞顶端及其它摩擦面的相对滑动速度小，能在较高转速下工作，并且具有较高的容积效率。而径向柱塞泵虽然轴向尺寸小，但由于柱塞便于做多排形式，因此可使输油量增大。但是，这种结构径向尺寸大，运动时摩擦表面速度高，限制了转速的提高。由于径向压力分布不均，轴受径向力，工作压力越高径向力越大，使用压力受限制。因而，轴径很粗，调节亦不方便。故中高压选用轴向柱塞泵。液压马达的选型，主要应根据压力和流量。但是也必须从经济效果、效率等具体情况着想。如对工作及可靠性和使用寿命，以及制造工艺复杂程度进行具体分析，才能得到正确的结论。在低压系统中，选三作用马达较好。因为单作用叶片马达结构复杂，相对运动部件多，泄漏大，容积效率低；二作用叶片马达只有二档速度、扭矩；而三作用叶片马达有三档速度、扭矩。中高压系统中，选径向柱塞式低速大扭矩马达较好。轴向柱塞式马达和径向柱塞式马达各具有很多优点。轴向柱塞式马达结构紧凑、尺寸小、惯性小，活塞顶端以及其它摩擦面相对滑动速度小，适于在高速下运转。径向柱塞式马达的轴向尺寸小，柱塞便于做成多排形式，输油率大、转速低、扭矩大，可以直接驱动绞纲机，可使机构大为简化，故绞纲机应选用径向柱塞式低速大扭矩马达。2.4 绞纲机拉力确定绞纲机的拉力，直接影响到捕捞作业和经济效果。同时，对能否正确而可靠地设计绞纲仉结构尺寸起着决定性作用。绞纲机拉力是一个复杂的问题，它受到很多因素的影响，与拖网速度，海底的地质，放网深度，网口张开角度，网衣大小，海和波浪等有着密切的关系。2.4.1 绞纲机负荷压力级艉拖网渔船绞纲机的负荷一般来说，在风平浪静时，艉拖网渔船的负荷等于水对网具的阻力与拖网的重量之和，如图2.3。图2.3 绞纲受力图T=R+PT一曳纲的张力；R一水对网具运动的阻力；P一拖网的重量。网具运动的速度是合成速度，如图2.4所示。图2.4 绞纲速度图解V= V1+ V2V一网具移动的速度；V1一绞曳纲的速度；V2一绞曳纲t船的速度。艉拖网时，船在航行中起网。由于绞纲时，使曳纲受力方向改变产生升力，使网具离开海底。由于沉子纲使网口形状变得丰满，网具阻力增加。另一方面网具离开海底，其海底阻力消失。收绞曳纲过程中，曳纲本身阻力逐渐减少而在绞纲开始时，由于船的惯性，曳纲负荷最大。2.4.2 绞纲机拉力的确定一般用扭力仪实船测得绞纲机拉力大小，但也可从理论上进行计算。在设计艉拖网绞纲机时必须合理的选定拉力，因为拉力选得太大，会使拖网绞纲机功率加大，在起网时功率未被全部利用，这样很不经济。拖网绞纲机拉力太小，直接影响捕捞效果，遇到实际使用中的扩刀过大时，绞纲机结构会遭到损坏，究竟如何选择，应该全面考虑。实船测量和理论计算相结合，因为理论公式中为简化计算起见，难免有些假定条件，正确与否有待于实测来验证。同时，可以和国外同类型船上的绞纲机的大小作比较。拖网绞纲机的额定拉力，按波浪中起网时之最大拉力来选定是不妥当的，这将使绞机在正常作业时，功率储备过大，经济上不合格。较合理的额定拉力应根据在无风浪时绞收曳纲场合，以及拖网在水中运动时曳纲上所承受的平均力来确定。实际上，只考虑曳纲、网具在水中的自重及其阻力就够了。因为装满鱼的囊网有一定的储备浮力，故可不考虑渔获物的重量。拖网绞纲机拉力和起网速度有密切关系，由于绞纲速度增加时，网具和阻力成倍增长，所以在确定拉力时，同时要考虑绞纲速度。一般拖网渔船的绞纲机的功率，应参考船的尺度，网具大小和主机功率来决定。综上所述，建议中型艉拖网渔船绞纲机的拉力确定为4060KN，大型艉拖网渔船绞纲机确定为7090KN。2.4.3 绞纲机速度绞纲机的速度选择和拉力一样，也是一个相当的复杂问题。近来，为了提高作业效率，有提高起网速度的趋势，起网速度已达5070mmin。在选择绞纲机的速度时，片面地追求高速或选用低速都是不恰当的，因为起网速度受到网机功率的大小，网具和曳纲的强度，捕捞作业的要求以及作业水深等方面的制约。根据目前我国渔业发展情况，渔场逐渐向外海扩大，对于艉拖网渔船绞纲机，适当地提高绞曳纲的速度是必要的，根据一般情况速度可选择在7085mmin之间。2.5 绞纲机滚筒的布置目前绞纲机的滚筒布置形式有两种：串联式和分列式。2.5.1 串联式串联式是以一个液压马达驱动两个滚筒并用一根轴横贯其中心，滚筒轴和油马达轴用联轴节予以联接。结构紧凑，两滚筒是同轴安装，这就保证了起、放网时其运转的同步性，便于操纵。2.5.2 分列式分列式的布置，将其分离两个滚筒，分别由单独的油马达驱动。这种形式的优点：甲板布置方便，而中间留较宽敞的操作面积；把一台绞纲机分成具有自动传动装置两台分列式绞纲机，便于船上的安装；便于在起网时调节曳纲的绞收速度以保证网形；全部液压系统可以在一个操纵台实行遥控。一般中型拖网渔船由于船宽有限，采用分列绞纲机后，中间并不能留出很大操作面积，增加了绞纲机控制机构的复杂程度。因此在中型艉拖网渔船上的拖网绞纲机宜用串联式。在大型艉拖网渔船上应采用分列式。2.6 绞纲机液压油的选择设计液压绞纲机时，选择合适的液压油是极其重要的，工作油必须具备以下条件：(1)具有良好的滑润性；(2)没有腐蚀性；(3)天热或天冷时，能够保持粘度的稳定性；(4)具有一般机油的润滑性；(5)不易灰化或氧化。其中，确保油的粘度的稳定性是很重要的，尤其是油的粘度，过大或过小都会直接影响绞纲机的拉力。选择液压油的粘度主要根据温度和压力。同时，应考虑液压机械的工作情况。所以选择液压油时，必须遵循以下原则：(1)冬季用粘度小的油，热天用粘度大的油；(2)在气温高的海域作业用粘度大的油，在气温低的海域作业用粘度小的油；(3)当压力高时袖粘度则变大高压时应选用粘度小的油，低压时应选用粘度大的油；(4)对叶片泵由于泄漏大，选用油的粘度也不宜过高。同时，也能保证叶片的自由移动，而不妨碍运转。(5)参照所选用液压元件制造者推荐的要求选用。根据我国具体情况，一般拖网渔船作业海域并非热带，往往冷天作业居多。因为在低压系统中，采用叶片泵和叶片马达，建议选用20号机械油。在中高压系统中，建议选用30号机床液压油。以上对于鹏拖网渔船的绞纲机的设计中几个主要问题作概略分析。我国目前中高压绞纲机比例还很少。随着液压元件质量的提高，批量增大，价格的逐渐减低，中高压在渔船绞纲机上应用将越来越多。第3章 绞纲机传动系统设计3.1 绞纲机总体设计船用绞纲机产品的核心部分是集离合、减速、制动于一体的离合减速箱,由渔船主机自由端输入动力,愉出部分采用箱外纵向空间布置的链传动,带动绞纲轴及其两端的摩擦鼓轮或绞盘旋转,来实现绞纲、拖网、起锚、起货等功能。长期以来,渔业生产中一直存在着这样一个问题:渔船在拖网绞纲作业时,需由主机(大功率柴油机,220一330kw)输入动力;而在泊岸卸货时,只需小功率(15一24kw)动力即可带动绞纲设备工作。但实际上卸货时的动力输入仍然一直由主机来完成,这样不仅使主机机械损耗大,而且造成了能源(柴油)的严重浪费。这种现象在鱼粉渔业中尤为突出,其卸鱼时间长达八九个小时。为解决这一问题,曾经用增加1一2台行星电动减速机的办法来进行泊岸卸货。这时布置在前甲板上的减速机不仅造价较高,防护、维护要求较为苛刻,而且使得渔船前甲板的空间更为紧张,给生产作业带来不便。为避免上述不足，设计了绞纲机，其主要技术参数见表3.l：表3.l 主要技术参数输入方式应用场合主要技术指标柴油主机220-330kw拖网绞纲额定拉力25kN绞纲输入转速850r/min额定传递转矩870Nm绞纲线速度70m/min离合减速箱速比6:1绞纲机总减速比10:1电动机15-24kw吊卸货物电动机功率起吊质量线速度总速比15KW1000kg38m/min40拖网绞纲时,由船舶主机输入动力;泊岸卸货时,由副机发电(或接驳岸电)驱动电动机输入动力。由两组互锁联动的离合器控制,经由同一套传动系统输出两组不同的纹纲拉力及纹纲线速度。这样一来,不仅使主机在泊岸过程中可以停机检修、减小机械损耗、节约大量燃油,而且没有额外占用舱室及前甲板的空间。图3.1 绞纲机液压传动系统两台绞纲机由各自独立的液压控制回路和低速大扭矩液压马达驱动。该动力系统传动过程：主机(船用柴油机)前端输出，通过气胎离合器再带动一台双联齿轮泵，从而驱动液压马达。其动力传动示意图见图3.2所示。图3.2 绞纲机动力示意图在绞纲机操作系统中，通过操纵气胎离合器和手动比例复合阀，可以使绞纲机实现启动、正转、反转和调速等功能。该机具有操作灵活机动、安全、可靠、拉力大、速度快、效率高、使用寿命长、便于渔船布置和远控等特点。3.2 绞纲机齿轮速比由于卷筒外型尺寸受到船体尺寸的限制，在绞纲机参数选择中，卷筒尺寸一般作为定值。液压系统与绞纲机的合理匹配只能通过齿轮速比来实现。假设在卷简直径D(m)处拉力为T(kgf)，绞收速度为V(mmin)。图3.3 绞纲机齿轮传动3.2.1 从拉力方面考虑卷简的输入扭矩 （3-1）式中一机械总效率(卷筒)；马达输出扭矩为： （3-2）式中为马达进出日压差(kg/cm2)；q为马达排量(L/r)；为马达机械效率。两者之同的关系为： （3-3）式中i为大、小齿轮速比。 （3-4） （3-5）由上式可知，卷筒拉力T是压差与齿轮速比i的函数。即：T=f(，i)3.2.2 从速度方面考虑卷简的输入扭矩卷筒转速为： （3-6）马达输出转速为： （3-7）式中：Q为系统供油量(1/min)为马达容积效率，两者之同的关系为： （3-8）整理得： （3-9） （3-10）由上式可知，卷简绞收速度(计算点)V是流量Q与齿轮速比的函数，即：V=f(Q，i)综上可知拉力T，速度v与液压系统中的重要参数流量Q，压差有关外，还与速比i有关。由于液压系统输出功率是由绞收所需功率而定。因此，当拉力T与速度v这两个参数确定以后，系统的输出功率就是O与值的乘积。只不过它们互为函数。液压系统的合理选择，关键在于Q、值的合理选定，而使系统中的油马达与油泵均发挥出最佳性能而当Q、值选定以后如何使该液压系统满足绞纲机的要求，也就是说如何使该液压系统既能满足绞收拉力，又能满足纹收速度要求。速比i在两者之问起到了合理匹配作用，可其重要性。由于一台绞纲机齿轮速比只有一个i，所以 （3-11）整理后得； （3-12）式中：为油马达总效率。 （3-13）由上式可知可以在兼顾Q、的情况下选定一个较为理想的Q、值，然后计算i值。 3.3 传动比的选择以及各轴的参数计算由于卷筒外型尺寸受到船体尺寸的限制，在绞纲机参数选择中.卷筒尺寸一般作为定值。这样一来液压系统与纹纲机的合理匹配只能通过齿轮速比来实现。本章就是介绍传动比的选择。总传动比 （3-14）由于绞纲机只有一个传动比，即总传动比。3.3.1 各轴转速轴 （3-15）轴 （3-16）3.3.2 各轴输入功率轴 （3-17）轴 （3-18）3.3.3 各轴输出功率轴 （3-19）II轴 （3-20）3.3.4 各轴输入转矩液压马达轴输出转矩 （3-21）轴输入转矩： （3-22） 轴输入转矩： （3-23）I轴输出转矩： （3-24）II轴输出转矩： （3-25）运动和动力参数计算结果整理见表3.2.表3.2参数汇总表轴名效率P（KW）转距T (Nm)转速n传动比效率输入输出输入输出液压马达 37.88190.40190010.99轴37.5036.75188.50186.60190029.830.71轴26.4625.933967.563888.2163.703.4 轴的设计计算在机械系统中，轴属于重要零件，在传动中易出现断裂等危险情况，因此要对轴进行重点设计和校核。在本章中将重点对轴进行设计。设计过程为从输入到输出的顺序进行轴的设计。3.4.1 输入轴参数确定设计由前面可知输出轴上的功率P=37.50KW，转速n=1900r/min, 转距T=188.5N.M。作用在轴上的力为： （3-26） （3-27）下面初步确定轴的最小直径。低速轴材料为45钢，经调质处理。按扭转强度计算，初步计算轴径，取 （3-28） （3-29）输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径。为了使所选轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选择联轴器型号。联轴器的计算转距 取选用HL2型弹性柱销联轴器，半联轴器的孔径d长度L=82mm，联轴器与轴的配合长度为60。故取。3.4.2 轴的校核计算1、首先根据轴的结构图做出轴的计算简图如下。图3.5 轴I的弯矩图在确定支点位置时，应从手册中查取a值。对于30308型深沟球轴承由手册查得a=19.5mm,因此，作为简支梁的轴的支承跨距为：，根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。从轴的结构图及弯矩图和扭矩图中可以看出截面C是危险截面。现将计算出的截面C处的，M，M值列于下表：表3.3 输入轴的受力参数载荷水平面垂直面支反力弯矩M总弯矩扭矩T2、 按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面C的强度。查表可得 （3-30）前已选轴的材料为45钢，调质处理。查得=60MPa,因此。故安全。 第4章 绞纲机液压控制设计4.1 绞纲机液压控制系统液压控制系统图见图4.1。主机输入时:主机启动后,动力经输入联轴节传入绞纲机离合减速箱,油泵(序号2)工作。经冷却滤清后的压力油分为两路,其中一路进入拨叉油缸(序号13),压缩弹簧拨动牙嵌离合器(序号14)与副轴正齿轮脱开,而副轴正齿轮是空套于副轴上的,因此副轴传动系统即被切断。另一路压力油进入电磁换向阀(序号8)。当电磁换向阀(序号8)得电时,压力油(0.8一1.0MPa)被导入湿式摩擦式离合器(序号9),使之接合,动力经圆锥齿轮副、输出轴、传动轴、链传动而传至纹纲轴、摩擦鼓轮;当电磁换向阀(序号8)失电时,湿式摩擦式离合器(序号9)脱开,压力油(0.3一0.4MPa)被导入制动油缸(序号12),圆锥齿轮副被制动,输出轴停止转动。图4.1 绞纲机液压控制系统原理图1粗滤器;2.油泵;3.冷却器;4.精滤器;5.旁通阀;6.压力表;7.工作压力阀;8.电磁换向阀;9.湿式摩擦片式离合器;10.节流阀;1.初始压力阀;12.制动油缸;13.拨叉油缸;14.牙嵌离合器;15.油池副机输入时:主机停机后,油泵不工作,湿式摩擦片式离合器(序号9)脱开,拨叉油缸(序号13)中的弹赞复位,拨动牙嵌离合器(序号14)与副轴正齿轮接合,副轴传动系统即被接通。如上所述,该绞纲机的液压控制系统采用了湿式摩擦片式离合器及牙嵌离合器,这两套在液压上联动互锁的离合器实现了两种输入方式的自动转换,不需要操作者的手动转换,从根本上避免了误操作。4.2 液压阀的选择液压阀是控制或调节液压系统中压力、流量和方向的。液压阀性能的优劣，工作是否可靠对整个液压系统能否正常工作将产生直接的影响。4.2.1 分流阀机构手动比例复合阀内部装有带压力补偿装置的流量调整和溢流功能的三位四通换向阀的一种特殊组合阀，如图4.2所示，其功能类似于M型手动换向阀、溢流节流型调速阀、溢流阀组成的回路功能。换向阀的操作手柄与偏移的倾斜角成比例变化，流量大小与操作手柄的偏移倾斜角度成比例变化。它集换向、调速和溢流三大功能于一体，集三大控制于一阀，结构简单、紧凑、质量轻，且具良好的换向、调速、过载保护等功能。分流阀是压力补偿装置的核心部件，具有压力补偿的功能。负载变化时，分流阀能自动调节分流口的大小，从而调节分流进口压力跟随负载大小变化，且能保证节流口压差不变。1.手柄 2.主阀芯 3.分流阀 4.分流阀芯图4.2 手动比例复合阀结构图4.2.2 溢流阀溢流阀的作用是在溢流的同时限定阀的入口压力，并将该压力稳定为常值，简称为定压、稳压。根据排量，选择FBG-06-250-10型号的溢流阀。具体参数如表4.1：表4.1 溢流阀参数最高使用压力/MPa:额定流量/(L/min)流量调整范围/(L/min)调压范围/MPa进出口最小压差/MPa最大回油背压/MPa重量/kg2520032501.22570.527.34.2.3 换向阀的选择根据流量等因素，综合考虑选择WE型电磁换向阀。图4.3 分流阀结构图P1A=P2A+F弹+F液P1一分流阀进油压力，系统经P口主阀芯的同时，油液经节流口作用在分流阀芯的下端；P2一负载压力，P1通过节流孔降压作用在分流阀上端的压力；A一分流阀芯截面积；F弹一作用于分流阀芯上端的弹簧力；F液一作用于分流阀芯的液动力。当分流阀芯上下端所受的力相等时，阀芯处于平衡状态，系统正常工作。由于F液与P1A和P2A相比很小可忽略，F弹为常数F，则上式可简化为P1A=P2A+F 当负载压力P2增加时， P2A+FP1A，作用在阀芯上端的力大于下端的力，阀芯向下运动，分流阀节流口关小，直至F = (P1-P2) A，阀芯处于稳定状态；当负载压力降低时，P2A+FP1A，阀芯向上运动，分流阀节流口增大，直至F = (P1-P2)A。另外，F/A是常量，所以P1-P2也为常量。这样节流口前后压差保持一定，则通过节流口时的流速也是常量。其流量由流通面积决定，而与负载变化无关。负载变化时的分流阀芯运动及流经节流口流量可由伯努利流量方程推导式中c一阀口流量系数；D一分流阀孔的直径；一阀芯锥角；X一节流开口量。设可以得到图4.4 主阀结构图分流阀开口量X减小时，进口油压力随1/X的平方倍迅速增大，直至P1A=P2A+F，阀芯迅速处于稳定状态；反之，当负载压力降低时，阀芯又迅速被向上推动，增大节流面开口量x，多余的油液从0口流回油箱，进口压力迅速减小，直至P1A=P2A+F。这样，可以自动调节节流面的开口量X，而与负载变化无关。4.2.4 主阀机构图4.2中，手柄(1)处于中间位置时，A和B油口封闭，油泵排出的油从P口直接到0口，液压马达停转；当手柄处于左侧时，主阀芯向上移动，从P口流人的油液通过节流口到A口，再从A口流出驱使液压马达转动，液压马达的回油从B口回到0口；反之，手柄处于右位，油液从P-B-A-0，其过程完全相似，此时液压马达反转。流量的大小可由手柄扳动不同的倾斜角度，使主阀芯处于不同的位置来调节节流口的开度的大小，从而改变流量，以实现液压马达的调速。流量和节流开度的关系可根据(1)式得到。主阀芯的节流口为锥形，在上述改变手柄倾斜角度时，经过阀的流量为式中P一系统压力；P1一分流阀进口压力。当负载不变时，P-P1为常数，流量Q和节流口开口量成正比变化。4.2.5 安全阀机构作为手动比例复合阀的溢流阀，其最高压力由安全阀来调定。该安全阀和分流阀安装在一起，起着先导阀的作用。与一般溢流阀原理类似，负载压力较低时，由于安全阀中的锥阀受弹簧力的作用，处于关闭状态，液压马达正常工作。当负载压力高于安全阀中锥阀的弹簧力时，使锥阀打开，分流阀起到溢流的作用，高压油从P口流向0口，使分流阀上腔压力维持在原来压力的水平，分流阀的系统溢流压力保持在一个略高于调定压力的水平。4.3 油泵和液压马达的确定4.3.1 液压马达的确定按照工作要求和价格因素选用齿轮马达。选择电动机的容量：油马达所需工作功率为： （3-14） 由式 （3-15）得 （3-16）其中：油马达的所需的功率；绞纲机工作所需的功率；绞盘体工作阻力；绞盘体的线速度；传动装置的总效率。油马达至卷筒的传动效率为：式中、分别为轴承，蜗杆传动，联轴器，绞盘体的效率取、则 所以卷筒轴工作转速为：蜗轮蜗杆减速器传动比，则液压马达的转速为：则液压马达输出转矩为：综合考虑液压马达和传动装置的尺寸、重量、价格和减速器的传动比，查机械手册选用CME105C齿轮马达。其具体性能参数见表4.2。表4.2 CME105C齿轮马达的性能参数排量mL压力/MPa转速r/min-1转矩（10MPa时）/Nm额定最高额定最高105.51417.519002400200 CME105C齿轮马达的结构图如图4.5。图4.5 CME105C齿轮马达结构4.3.2 液压泵的确定1、确定液压泵的最高工作压力液压泵的最高工作压力就是在系统正常工作时泵所能提供的最高压力，除了考虑执行机构的压力外还要考虑油液在管路系统中流动时产生的总压力损失，即 + (5-4)式中，为液压泵的出口至执行机构进口之间的总的压力损失，它包括沿程压力损失和局部压力损失两部分，要准确地估算必须等管路系统及其安装形式完全确定才能做到，在此只能进行估算，估算时可参考下述经验数据；一般节流调速和管路简单的系统取=0.20.5MPa；有调速阀和管路较复杂的系统取=0.51.5MPa。在这里，我选择=0.5MPa，=14.5MPa确定液压泵的流量、排量确定液压