毕业设计（论文）-水下淤泥清运机械设计

页共26页第1章绪论1.1课题研究背景和意义淤泥属于水产带来的垃圾，根据调查结果显示，淤泥的厚度会按照每年一分米的速度增加。根据生产的实际情况可以表明，当淤泥厚度为15到20厘米时，能够对池塘起到缓冲水质和保持肥沃的作用。但是如果淤泥的厚度过高，能够导致一定程序的有机物质污染的效果，也能降低淤泥对池塘的有益效果。淤泥中主要含有有机物质的种类有苯、多氯二苯并呋喃（PCDFs）和二恶英等物质。淤泥中含有的这些有害的有机物质不容易被降解，并且毒性残留的时间很长，这些物质长期保持在水源中，甚至会间接污染周围土壤，造成很大的环境污染[1]。为了减小淤泥中有害物质对环境造成的危害，解决长期以来针对我国水域以及河道、池塘等场所的环境污染的难题，需要对淤泥进行一定的清理，降低其对环境的污染程度[2]。同时淤泥的清理对于疏通水道也有很大的好处，可以使得相关水域通过淤泥清理后变得更深，河道更加宽阔，水质也会变好，河水变得更加清澈，可以改善人类生存环境，达到水景和景美的优质生态环境的目标，同时还可以改善城市的防洪因素及缓解城市内涝的发生程度，所以，淤泥清运对人们的生产和生活均具有十分重要的影响和价值[3]。目前市场上使用的淤泥清运设备，大多存在清理工艺复杂、清理效率较低、清理效果不明显、设备价格昂贵、维修及保养不变以及移动缓慢等问题，本课题针对这些困难和痛点，结合相关参考文献进行了系统的分析和研究，了解到国内外关于淤泥清理相关设备及清理工艺的相关情况，结合国内城市池塘及河流的相关地质特点，对淤泥清运设备进行了研发和设计，并对淤泥能力进行了分析和计算，对主要动力装置和传动结构进行了分析和计算，因此，本课题对淤泥清运设备的发展具有一定的指导意义，优化了生态环境，促进了环境的和谐发展，具有重要的现实意义和经济价值。1.2课题国内外淤泥清运机械设备的研究现状1.2.1国外相关研究现状1969年，世界上第一台淤泥清理设备在意大利诞生，这台设备由Pneuma公司研发问世，主要原理就是使用压缩空气来吸收和排泄泥浆，因此该设备也被成为气力吸泥泵，这台淤泥清理设备可以单独进行使用，也可以安装在船舶上配合使用，主要利用了气力泵的吸排淤泥，配合这台设备进行淤泥清理的船舶也可以被称为挖泥船[4][5]。随时意大利相关企业针对淤泥清运设备的研发及应用，欧美各国开始重视淤泥清运设备的研发和生产，并出现了一些产品，比如荷兰在上世纪七十年代初期，研发了一种淤泥清理的刀具，专用于淤泥清理施工过程，该刀具具有同轴且两个互相逆向的螺旋式结构[6]。随着淤泥清理刀具的问世，荷兰的相关公司也在不断努力和发展，在优化刀具结构及淤泥清理工艺的同时，成功研发出一款环保型的淤泥清运专用船只。由于西方发达国家最早对环保及疏浚领域制定了相关法律法规，因此国外工业强国的相关企业及研发机构在淤泥清理设备上起步很早，且投入了大量人力和物力，经过几十年的积累，目前掌握了比较成熟且现金的淤泥清理工艺及相关设备[7]。如下图1-1所示，为国外一款淤泥清理船。图1-1国外淤泥清运船意大利的劲马公司研发成功一款深水清淤设备，型号为SSYA600，并在1996年比较举办的国际水利科技装备展览会上顺利展出，这种清淤设备不会对池塘、水闸、河床等设施造成破坏，施工作业过程中也不会对环境造成额外污染[8]。俄罗斯的工程兵部队采取一种淤泥设备进行挖战壕，该淤泥设备底盘结构类似于坦克的底盘，施工效率高，操作简单快捷[9]。1.2.2国内相关研究现状比起国外发达国家，国内针对淤泥清理设备的相关研究较晚，国内主要研究方向分为三个，即水下淤泥清理领域、旱式淤泥清理领域以及半旱式的淤泥清理领域。水下淤泥主要借助于抽水的工作来进行，这样清淤成本低，所占用的劳动力较少，且不会影响水域的相关水产品养殖等工作。旱式淤泥清理以及半旱式的淤泥清理都需要把相关水域的水来进行抽干，然后使用高压水流针对淤泥进行冲洗，冲洗成泥浆的形态，然后采用泥浆泵将泥浆从水域抽出并进行传输，或者是利用其它形式的专业设备来传送泥浆，比如挖沙斗[10]。随着国内针对淤泥清理相关设备研发水平的提高，国内随之出现了各种各样的清淤设备，主要有以下几种：（1）两栖式淤泥清运设备，该设备兼具陆地挖掘和水上挖掘等双向性能，采取了液压动力的形式，带有铲斗装置及柱式回转机构，其辅助的螺旋桨装置可以在水中进行自由航行并转移工作地点[11]。这种淤泥清理设备适用于灌排沟渠以及小型河道的清理，也适用于湖泊、沼泽地以及池塘等场合的淤泥清理作业。（2）两栖绞吸式的淤泥清理设备，同样采取了液压传动的形式，操作方便快捷，工作过程稳定可靠。这种设备可以在陆地上和沼泽地中行驶，也可以自由出行水域以及在水中浮动行驶。淤泥清理过程中施工简单，不需要抛锚等操作，这种设备也适用于沼泽地或者河道中进行施工，可以应用于排水沟的淤泥清理，可以方便装运淤泥[12]。（3）长臂式自航淤泥清理设备，同样采用了液压驱动的方式，独立铲斗，这种长臂自航式的清淤设备最大特点就是具有一个长臂，工作过程平稳可靠，转向非常灵活，并且具有无极调速的功能，清理效率较高。适用于码头、水库以及相关河道的淤泥清理[13]。（4）水管道式淤泥清理设备，利用了气压作为动力源，设计了一款特制的冲头，可以将管路中的淤泥以及污染一起冲出管道外部，冲头可以进行独立行走，也具有冲刷的相关功能，这个设备比较适用于农田输水管路以及农田排水管路的淤泥清理工作，还可以用于工业矿井中淤泥的清理工作，或者是竖井墙壁相关污染物的清理[14]。目前国内的水下淤泥清运机械，除了上述这些种类，还有机井式的清淤设备、水力挖泥设备、旋切吸盘式水下清淤机等，综合比较以上这些类型的机械结构和设备特点，一般都具有成本高昂、清淤效率低下、清淤效果不佳等[15]。目前国内还存在很多地区的淤泥越积越厚并且水量锐减等现状，因此，大力发展淤泥清运机械是一个刻不容缓的形式，目前国内的厂家也研发制造了各种类型的淤泥清运设备，并且已投入市场，如下图1-2所示，为国内生产制造的一款淤泥清运设备[16]。图1-2国内淤泥清运设备1.3淤泥清运机械设备的发展趋势随着经济的发展和工业领域的进步，淤泥清运设备向自动化、标准化、大型化以及专业化多样化的方向不断发展和进步，这给环保事业的发展创造了良好的条件，同时降低了人的劳动强度，减小了对原生态的干扰，还可以在不同工作条件下进行淤泥清理，甚至在自然环境恶劣的情况下进行施工，同时保证淤泥清运过程的高效率、安全保障高[17]。淤泥清运设备的具体发展趋势分为以下几点：（1）淤泥清运设备的大型化发展，大型化的清淤设备功能集成程度较高，可以应用于江河湖泊等水域宽广的自然条件下，一般大型清淤机械设备集成淤泥清理、淤泥排、淤泥固化和脱水等相关功能，有的大型清淤设备还包括了淤泥脱水后加清理液的工作过程，从而极大程度上减小了淤泥运输的数量，降低了淤泥清理的成本，并且淤泥在脱水后不会对水域、土壤等环境造成第二次的破坏和污染[18]。（2）淤泥清理设备朝着自动化方向发展，比如比利时的DI公司研发成功了一款自动驾驶形式的淤泥清理设备，该设备可以在水域中进行自动航行，航行的同时进行淤泥清理相关工作，适用于小型清淤现场或者是大型淤泥清理设备无法停靠的小型码头[19]。另外，美国的相关研发机构成功开发了一种淤泥清理过程的计算方法，这个方法通过一定的实际参数，可以很快地计算出淤泥清理的厚度、干扰程度以及淤泥清理后对相关水域的影响因素。对于环境的影响程度可以降到最低位置，具有很重要的现实意义和工业价值[20]。（3）淤泥清理设备朝着多样化方向不断发展，由于每一处水域的地质地貌均存在一定的差别，因此对于淤泥清理设备的影响较大，因此发展多样化的清淤设备是一种必然，可以产生各种用途和结构的淤泥清理设备[21]。国内的朱永兴等研究人员，将水利推进器的相关结构，应用到淤泥清理设备中，并进行了相关实验，证明了淤泥清理机械可以在复杂的地质地貌下进行移动，并达到了良好的效果[22]。1.4课题主要内容本课题主要围绕水下淤泥清运机械设计进行研究，具有以下几个主要研究内容：（1）查找相关资料并且介绍水下淤泥清运机械的特点、国内外的研究现状，设计一款能够清运水下淤泥的机构，对其清淤、运淤能力进行分析，并对关键零件进行强度校核；（2）通过已经给出的内容与数据进行水下淤泥清运机械的设计以及水下淤泥清运机械的各个零件与各个部件的设计并进行校核。（3）使用计算机CAD二维制图软件进行制图并且实现各零件与部件等的装配。1.5本章小节本章主要对本课题的研究背景和研究意义进行了论述，还包括了国内外关于水下淤泥清运机械设备的研究现状和发展趋势，还论述了本课题的主要研究内容。

第2章总体方案的设计2.1整体技术路线如下图2-1所示，为本文设计的水下淤泥清运机械的整体技术路线。首先需要收集水下淤泥清运机械的相关文献和资料，随后确定整体方案，其次对水下淤泥清运机构的总体设计。最后包括对清运淤泥能力进行分析、对相关零件进行强度校核及对总体和重要零件进行制图。图2-1整体技术路线2.2确定整体方案对比之前的淤泥清运机械，一般分为两种形式，一种是挖斗式的淤泥清运设备，一种是自吸式的，分析来讲，挖斗式淤泥清运设备清运效率低下，且不能适用于较深的水域，自吸式的淤泥清运设备需要配置功率大的泵组，成本较高，并且容易抽真空，针对这些情况，本文设计了自带液压铲斗式的淤泥清运设备，具有螺旋传送系统，效率高，并且铲斗在液压缸带动下能够传送淤泥到螺旋传送滚筒中，相互配合，兼具自吸式和挖斗式的优点，能够满足本课题的设计需求。如下图2-2所示，为本课题设计的水下淤泥清运机械的整体方案图，主要包括电机、蜗轮蜗杆减速机、上螺旋轴、下螺旋轴、挖泥铲斗、出泥管等结构。水下淤泥清运机械的前端设计有挖泥抓斗，抓斗通过液压缸驱动，抓斗将淤泥传送到滚筒中，滚筒中设计有螺旋轴，螺旋轴属于单轴形式，适合传递粘度大的介质，螺旋轴通过不断转动，运输滚筒中的淤泥到上端，然后淤泥通过出泥管输出[23]。本课题设计的水下淤泥清运机械设备，可以单独在码头或者岸边进行使用，两节螺旋轴之间设计有伸缩油缸，可以方便到达淤泥清理场所，另外，该设备还可以安装到船舶上，通过船舶为载体清理更大水域的淤泥。1-电动机；2-蜗轮蜗杆减速器；3-出泥管；4-上螺旋轴；5-万向节；6-伸缩液压缸；7-下螺旋轴；8-挖泥铲斗图2-2水下淤泥清运机械方案图2.3经济性分析本课题设计的水下淤泥清运机械，设备总成本为25万元。每天工作时间为8小时，每两小时移动一次位置，移动位置时间为15分钟，因此一天工作时间约7小时。然后持续清理淤泥两小时，每小时清理淤泥量是20T，则一天可以清理140吨的淤泥，根据市场调查结果，清理每吨淤泥可创造经济效益约为30元，则一天清理淤泥可创造总收入为4200元。估算设备电机及液压泵总功率为10kW，每天耗电量为80千瓦时，计算可得电费支出为47.2元。另外，还包括设备每天往返运输成本为800元，每天人工成本1000元。设备损耗费用及维护保养费用为折算每天为900元。因此每天支出费用为47.2元+800元+1000元+900元=2747.2元。故每天纯收益为4200元-2747.2元=1452.8元。由于250000/2052.8=247.95，因此购买本设备，大概施工248天后即可收回设备成本，收回设备成本后，每天可产生1452.8元的纯收益。2.4本章小节本章主要对本课题的水下淤泥清运机械设备进行了总体方案的设计和分析，包括整体技术路线的设计以及确定整体设计方案，还针对经济效益方面进行了分析。

第3章液压系统设计3.1液压系统原理图如下图3-1所示，为本文设计的水下淤泥清运机械的液压原理图，本文液压系统的执行机构主要是伸缩液压缸和铲斗液压缸，其主要包含储液油箱、液压泵、过滤器、安全阀、单向阀、压力表、换向阀、液压缸、节流阀和相关管线等主要元器件[24]。1-液压油箱；2,3-过滤器；4-液压泵；5-溢流阀；6-单向阀；7-压力表；8,9-三位四通换向阀；10,11-双向液压锁；12~15-可调式节流阀；16,17-液压缸图3-1水下淤泥清运机械的液压原理图根据液压原理图的设计，液压油箱中的液压介质，从液压油箱出来经过过滤器和液压泵，进入到液压系统中，另外压力表7主要作用是监控液压系统内的相关元器件的工作压力，如果液压泵出口压力过高，则会通过溢流阀5卸压回流到液压油箱中。同时，为了保证两个液压缸执行机构的运动速度，在两个液压缸的进油路和回油路分别设计了可调式节流阀。同时，每一个执行回路还设计有液压锁，可以起到保压和保护作用。液压缸的动作换向由三位四通换向阀来进行控制[25]。3.2液压泵的设计和计算已知液压泵所需要的工作压力定为16MPa，同时考虑在液压油在管路流动过程中的压力损耗，以及相关换向阀、流量阀及控制阀的压力损耗，此时假设总压力损耗为1MPa，因此可知本液压泵的最高工作压力如下所示：P上述公式中，计算而得出的压力为整个液压系统的静止状态下的压力，同时考虑到该液压系统在各种工艺过程中存在一定的液态冲击，因此动态压力一般会超过静态压力，为了保证液压泵的工作寿命，需要考虑一定的压力损耗，因此，考虑其液压系统的工作压力为液压泵的额定工作压力的80%，因此液压泵的额定压力计算如下式所示：P液压泵的最大流量的计算如下式所示：q上式中qp为液压油泵的最大流量；(q)max为液压元器件在同时动作的条件下，所需要的整体液压油量的最大值，如果液压系统中的所有溢流阀也处于工作状态下，因此还需要附加溢流阀作用下的溢流的流量，一般大小为2~3L/min；KL为液压系统的泄漏系数，一般取值为经过以上分析，并查阅相关文献资料可知，本课题最终选用了型号为63YCY14-1B的变量柱塞泵作为液压系统中液压泵使用，其排量为63ml/r，额定压力可以达到22.5Mpa，额定转速为1500r/min，驱动功率为37.5KN，容积效率一般≥92%，重量为50kg，容积效率可以高达93%。3.3伸缩液压缸的设计和计算3.3.1内径和活塞杆的计算由于受到负载时液压缸活塞杆为拉力，此时液压油进入有杆腔，此时负载如下式所示。F=P其中D为液压缸内径；d为活塞杆直径；机械效率η=0.97；F为工作负载为，可知F=7×104N，P=16MPa；活塞杆直径计算参照经验公式，当工作压力大于7MPa，可知d=0.7D[26因此计算可得：D=4FπPη1经查询，由GB/T2348-93可得，选取液压缸内径为100mm，则活塞杆为70mm。3.3.2活塞杆的强度校核本文选取活塞杆材料为45钢，查表知，45钢的屈服强度σs=355MPa[27按强度条件校核如下所示：d≥4此时d为70mm，远大于16.2mm，所以符合设计要求。3.3.3缸体外径的计算查阅相关资料可知缸体外径D查表选取液压缸的外径D1为133mm液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算，液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度，此时液压缸壁厚δ为16.5mm[28]。3.3.4液压缸的强度校核此时δD=0.165<0.3，故本设计按照薄壁圆筒设计[29]δ≥Ppp查表得[σ]=100～110MPa，取[σ]=100MPa。可得δ≥24×100由上文已知壁厚δ=16.5mm≻12mm，故本液压缸的设计满足强度要求。3.4挖泥液压缸的设计和计算3.4.1液压缸内径和活塞杆的计算由于受到负载时液压缸活塞杆为拉力，此时液压油进入有杆腔，此时负载如下式5-1所示。F=Pπ(D2其中D为液压缸内径；d为活塞杆直径；机械效率η=0.97；F为工作负载为，预计F=1.2×104N，P=16MPa；活塞杆直径计算参照经验公式，当工作压力大于7MPa，可知因此计算可得：D=4FπPη1经查询，由GB/T2348-93可得，选取液压缸内径为40mm，则活塞杆为30mm。3.4.2活塞杆的强度校核本文选取活塞杆材料为45钢，查表知，45钢的屈服强度σs按强度条件校核如下所示：d≥4此时d为30mm，远大于8.2mm，所以符合设计要求。3.4.3缸体外径的计算查阅相关资料可知缸体外径D查表选取液压缸的外径D1为60mm液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算，液压缸的壁厚一般指缸筒结构中最薄处的厚度，此时液压缸壁厚δ为10mm。3.4.4液压缸的强度校核从材料力学可知，承受内压力的圆筒，其内应力分布材料规律因壁厚的不同而各异。一般计算时可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。此时δDδ≥Ppp查表得[σ]=100～110MPa，取[σ]=100MPa。可得δ≥24×40由上文已知壁厚δ=10mm≻4.8mm，故本液压缸的设计满足强度要求。3.5液压控制阀的选取本课题的液压控制阀主要包括溢流阀、电磁换向阀和单向阀的选取。溢流阀的最低调定压力一般只能在

0.5~1Mpa范围内。选择溢流阀时，应按液压

泵的最大流量选取，

并应注意其许用的最小稳定流量，

一般来说，其最小稳定流量应是公称流量的15%以上。根据以上因素，本文选取溢流阀的型号为DBW20A1-50B/315UW220，电磁换向阀型号为DSG-03-2B2-A220-N1-50[30]。选择单向阀时，应注意其开启压力大小，开启压力小作单向阀，开启压力大作背压阀。

本文设计的单向阀选型号为S30P1[31]。3.6主阀块的设计本系统中、管路与阀、阀与阀之间的连接是用液压阀块连接。所谓液压主阀块即液压主阀块，就是由实心金属块加工成的块集，其表面有承装板式阀的安装面，承装插装阀的腔孔，承接管接头或法兰的油口。本系统中的液压主阀块上下两面安装公共孔和螺钉孔，可以互相叠加，每一个液压主阀块针对一种典型的执行器操作回路进行标准化。液压主阀块加上基块和盖板连同各块上的阀等元件，和液压泵站即构成完成的液压系统。用液压主阀块代替管路实现元件间的连接，可以大幅度地减少系统间的装配工作量，减少泄露机会，减少系统所占空间，缩短执行器响应时间，降低系统维修时间，但是液压主阀块对粗大污染物较敏感，散热条件较差，故障维修较困难[32]。首先适当地进行元件分组，即确定把那几个阀，那部分回路放在一个块上。设计时要针对元件的外形尺寸。以装置位置与液压主阀块之中油道孔的孔径、孔间的壁厚等相互关联的问题加以综合计算，使液压主阀块不出现任何孔道的闲置间腔而增加重量给毛胚的准备和块体加工带来困难，另外还要充分液压主阀块的优越性，使它所连的管路有适当的数目。本系统中液压主阀块合计快、盖板叠加放于油箱顶板之上，由于设计油箱时也作了尺寸设计计算，故而与其他设备无干涉，操作、维修都很方便，而且充分占有了油箱顶上的面积，没有闲置体积。进行液压主阀块的图纸设计时，首先我掌握了毛胚的尺寸（工作台移动距离，加工余量）以及加工情况（钻头长度），确定了液压主阀块的尺寸为长X宽X高=620×102×154。铣削，磨削余量须留4㎜。在确定由孔径时考虑了压力损失，由于考虑了油流速一般为3~4ms左右，而板式阀的油口速度可能高达8-12ms设计时，考虑到钻头安装误差、跳动和偏移及管螺纹的紧固力矩等因素而将最小壁厚去为5mm以上。阀或法兰的安装面、中间块体的接合面表面粗糙度Ra≤0.8μm。另外还考虑了有关尺寸公差和行位公差。以整个液压主阀块与阀等元件的连接能够配合适度、减少防止泄漏[33]。通过以上分析说明，加之尺寸计算等配合完成了本系统中液压主阀块的完美设计。3.7液压管路的设计管路是连接两个液压元器件的管道，一般管理可以分为高压管路和低压管路等两种，高压管理一般是钢丝作为骨架，低压管路一般是棉丝作为骨架。液压系统中液压油管路的管路材料种类很多，常见的有钢管、铜管、塑料管和橡胶管等，一般在液压管路材料的选取过程中，需要考虑其工作环境、安装位置和液体压力等因素，本课题的液压管路选取了钢管的材质，因为本文系统压力为16MPa，属于高压的范畴，而钢管材质的管路能够承受较大的压力，并且刚度比较好且耐腐蚀，加工制造的成本也较低。但是钢管装配过程中不能随意进行弯曲，因此在需要弯曲的位置可以采取管接头的连接形式来达到管路弯曲的效果[34]。3.8液压管接头的选用液压管接头一般是用于液压油管和液压油管之间，或者是液压油管和液压元器件之间的可以方便拆卸式的液压连接件，一般在液压系统中，设计的液压管接头需要具备安装和拆卸便捷、连接可靠、密封效果好、外形尺寸在一定范围内、压力下降小、加工工艺性高等特点。根据液压元器件的相关特点，液压管接头具有很多种类，常见的液压油管和液压管接头的连接方式有以下几种，比如焊接式的管接头、扩口式的管接头、卡套式的管接头等。管接头的连接螺纹一般为国际通用的米制锥螺纹或者是普通的米制细牙螺纹，锥螺纹主要依靠自身结构上的锥体的聚四氟乙烯的相关材料来来进行密封，适用于低压或者中压的液压系统中。而细牙类型的螺纹由于其密封性能较强，广泛应用于高压的液压系统中，细牙螺纹的密封一般情况下需要配合O型圈来使用[35]。一般液压系统中的液压油泄露，主要发生在液压管路的接头位置，因此液压管路接头形式的选取以及管路材质的选用，具有重要的作用，包括接头的形状设计、密封性能、外表涂料的选用，还有液压管路的支撑位置设计、安装位置，也需要进行考虑，以免影响液压系统的正确使用。本文设计的波浪补偿型船用起重机液压系统根据实际设计的需求，经过分析和研究，最终选取了卡套式的管接头，连接螺纹采取了细牙螺纹的形式，加工材料要求采用冷拔无缝钢管。3.9本章小节本章主要对本课题水下淤泥清运机械设备的液压驱动系统进行了设计，主要包括液压液压原理图的设计、伸缩液压缸的设计和计算、挖泥液压缸的设计和计算、液压控制阀的选取、主阀块的设计、液压管路的设计和液压管接头的选用，其中两个液压缸的设计和计算均包括液压缸内径和活塞杆的计算、活塞杆的强度校核、缸体外径的计算和液压缸的强度校核。

第4章机械结构设计4.1螺杆轴的设计和计算根据轴受力情况的不同，轴一般可以分为心轴、传动轴和转轴等三种类型。本文设计的螺杆轴需要主要承担转矩的作用，受到弯矩的作用较小，如下图4-1所示，为水下淤泥清运机械设备的螺杆轴模型，螺旋轴的一端分别通过万向节连接，另一端和动力传动系统通过轴承支撑进行连接。图4-1螺杆轴的模型4.1.1螺杆轴的材料选取本文设计的螺旋轴是最核心的零件之一，需要具有较好的力学性能和加工精度，螺旋轴和万向节及支撑轴承之间的相互配合，直接影响着淤泥清运机械设备的动态性能和转动特性，针对该使用特点，最终选取加工方式为单件进行加工，材料选择主要针对强度和刚度较高的几种材料，一般轴的材料有45号钢、30CrMo和40Cr等几种，如下表4-1所示，为常见的几种轴材料的重要力学性能对照表。材料牌号热处理硬度抗拉强σb屈服强σs弯曲疲σ-扭转疲τ-许用弯σ-45正火162-2175702852451355540Cr调制220-2596804883451907230CrMo调制187-36998583543121075表4-1力学性能对照表综上所述，考虑到淤泥清运机械设备螺旋轴的作用，最终选取螺旋轴的材料为40Cr。4.1.2螺杆轴螺旋直径的确定螺旋轴螺旋部分的直径，是淤泥传输的重要参数，直接关系着淤泥清运设备的生产效率。查阅相关文献资料，可以通过如下经验公式计算螺旋轴螺旋部分的直径：D=由原始设计参数可知G=20吨/时；查阅参考文献可知物料填充系数ϕ=0.36，物料堆积厚度为γ=0.41吨/米3，K1=0.0298，C=D=152参考标准系列取整数为D=150mm。由于本课题螺旋传送为水平布置和倾斜布置两种形式，一般螺旋传送的螺距计算公式为S=0.8D，本文由于传送淤泥粘度较大，因此未采取传统的叶片螺旋式的传送方案，采取了双头螺旋轴一体方案，传送功率大，螺旋轴的强度和硬度高。因此螺旋轴螺距为S=2·0.8D=1.6×150=240mm。4.1.3螺杆轴转速的确定为了使物料可以平稳的传输，根据螺旋极限转速用来计算螺杆轴的最大转速：n=其中由上文可知，D为0.15m，k2为物料特性系数查表可得泥浆的物料特性系数为53因此计算可得n=52r/min。4.1.4螺杆轴的结构设计在本文的设计中，设计螺旋轴时主要应该注意以下几点：（1）设计的螺旋轴应该具有较好的装配工艺性和加工工艺性；（2）设计时，应该确定轴承的种类；（3）设计时，轴上的定位轴肩h通常选用（0.07-0.1）d，d是和零件相配处的轴的直径；（4）改善应力分布情况，减少应力集中。4.2电动机的设计和计算4.2.1电动机类型的选择根据本课题的水下淤泥清理机械的工作特点和使用场合，进行分析和研究，由于需要动力选用普遍，功率比高，控制方便及维修保养方便等因素，综合考虑，最终选择了三相笼型异步电动机作为设备的动力源，采用了闭式结构，其电压为380Ｖ，型号系列为Y系列的三相异步电动机[36]。4.2.2电动机功率选择查阅文献资料，本课题主要传动装置的电机所需功率计算如下：P0=其中ζ为物料阻力系数，本文取ζ=1.3；L为输送装置水平投影长度，本文的L最大取值为7.6m；H为输送装置垂直投影高度，本文的H最大取值为6.0m；η为总传动效率，本文取值为0.86。因此计算机的总功率计算结果如下：P0=4.2.3确定电动机转速由上文计算可知螺杆轴转速为n=52r/min，根据相关文献资料，蜗轮蜗杆减速器传动比的范围一般为i减速器=8～40，因此可以得知设备的总传动比一般范围为Ι总=8~40[37]。因此三相异步电动机n电动机根据上文中选取的电机类型，以及上文计算出的所需功率以及转速的数值，参考电动机的相关参数规格表，最终选取了该三相异步电动机的型号为Y132M2-6。其主要参数和相关性能为额定功率的值为5.5千瓦，其满载转速可以达到960r/min，其额定转矩2.0牛米，并且其输出轴的轴径大小为28毫米[38]。4.3蜗轮蜗杆减速器的设计和计算本课题的电机输出轴需要进行减速和增大扭矩，考虑到蜗轮蜗杆减速器传动比精确，传动效率高，安装及维护方便，因此本文选取了蜗轮蜗杆减速器作为减速装置。4.3.1选择蜗杆传动类型查阅相关文献资料，并且参考标准GB/T10085—1988的相关参数和数值,本课题的蜗轮蜗杆传动采用了渐开线蜗杆(ZI)的传动类型[39]。4.3.2选择材料由于蜗轮蜗杆传动的功率较小，传动速度不大，因此蜗杆的材料选取为45号钢的材料。本课题希望传动效率比较高，并且需要具备较高的耐磨性能，本文的螺杆的齿面需要进行淬火的处理，表面硬度范围为45到55HRC。蜗轮的材料同样需要较高的硬度，因此选取材料为ZCuSn10P1,采取了金属模具进行铸造。为了降低设备的加工成本，需要尽量降低有色金属材料的使用，因此仅仅齿圈的结构采用了青铜的材料来进行加工，齿轮的轮芯材料采用了灰铸铁HT150进行加工制造[40]。4.3.3按齿面接触疲劳强度进行设计本课题的蜗轮蜗杆传动选用了闭式的传动形式，根据相关设计原理，需要按照齿面接触的疲劳强度进行分析和设计，然后根据齿根弯曲的疲劳强度进行分析计算，按照相关文献资料，传动中心距按照如下式来计算[41]：a≥(1)确定作用在蜗杆上的转矩Τ按照齿数为Ζ1=1，初步估算传动效率的值为ηT(2)确定载荷系数K由于本课题蜗轮蜗杆传动的使用环境的影响，载荷具有一定的轻微冲击性，按照相关文献资料选取载荷分布系数为Κβ=1，同时参考相关文献资料选取其使用的相关系数为ΚA=1.15。由于本课题蜗轮蜗杆的转动速度较低，冲击载荷不大，因此本课题选取动载系数的值为Κv=1.05Κ=(3)确定弹性影响系数Ζ本课题选取的蜗轮材料为铸锡磷青铜，并且蜗杆的材料为45号钢,查阅相关资料可知ΖΕ=160ΜΡ(4)确定接触系数Ζ推测本文蜗轮蜗杆传动的蜗杆分度圆直径d1以及传动的中心距a的比值为d1a=0.25，查阅相关资料可以得知(5)确定许用接触应力σ由于本课题传动系统的蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,采取了金属模具进行铸造,并且蜗杆的螺旋齿面的相关硬度需要大于45HRC,查阅相关材料可以得知蜗轮材料的基本许用应力为σΗ'=268ΜΡa。通过相关文献资料可以计算应力循环次数如下所示[43N=60j蜗轮蜗杆传动的寿命系数计算过程如下式所示：K因此可知σ(6)计算中心距如下所示a≥因此本可以最终选取中心距的值为a=220mm，由于蜗轮蜗杆传动的传动比为i=19.2,因此查阅相关资料选取其模数为m=8mm,因此蜗轮的分度圆直径的值为d1=80mm，此时可以计算得知存在d1a=0.4，再次查阅相关文献资料可以得知接触系数的值为ΖΡ'=2.74，由于存在ΖΡ'小于4.3.4蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸(1)蜗杆的相关尺寸经过分析和计算如下：轴向尺距Ρa=πm=3.14×8=25.133直径系数q=10；齿顶圆直径da1齿根圆直径df1分度圆导程角γ=10蜗杆轴向齿厚Sa=(2)蜗轮蜗轮齿数Z2变位系数Χ2=计算最终传动比i=Z2Z1=312蜗轮分度圆直径d2=m蜗轮喉圆直径da2=蜗轮齿根圆直径df2蜗轮咽喉母圆半径rg24.3.5校核齿根弯曲疲劳强度齿根弯曲疲劳强度按照如下式计算如下：σ因此当量齿数计算为：z根据相关数值X2=-0.15，Zv2=43.48，可以通过相关文献资料查阅得知其齿形系数为计算螺旋角系数为：Y由于存在许用弯曲应力的关系为σ通过相关文献资料，由于蜗轮的材料选取为ZCuSn10P1，因此根据材料可以得知其基本许用弯曲应力为σF'=56查阅相关文献资料，其寿命系数为Kσ由上文相关公式和参数计算如下可以得知：σ由计算结果可以得知，本文设计的蜗轮蜗杆传动的弯曲疲劳强度符合使用要求。4.4本章小节本章主要对本课题水下淤泥清运机械设备的机械结构进行了设计和计算，包括电动机的设计和计算、蜗轮蜗杆减速器的设计和计算和螺杆轴的设计和计算，其中电动机的设计和计算包括电动机类型的选择、电动机功率选择和确定电动机转速，蜗轮蜗杆减速器的设计和计算包括选择蜗杆传动类型、选择材料、按齿面接触疲劳强度进行设计、蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸和校核齿根弯曲疲劳强度，螺杆轴的设计和计算包括螺杆轴的材料选取和螺杆轴的结构设计。

第5章总结与展望5.1总结市场上使用的淤泥清运设备，大多存在清理工艺复杂、清理效率较低、清理效果不明显、设备价格昂贵、维修及保养不变以及移动缓慢等问题，本课题针对这些困难和痛点，结合相关参考文献进行了系统的分析和研究，了解到国内外关于淤泥清理相关设备及清理工艺的相关情况，结合国内城市池塘及河流的相关地质特点，对淤泥清运设备进行了研发和设计，并对淤泥能力进行了分析和计算，对主要动力装置和传动结构进行了分析和计算，因此，本课题对淤泥清运设备的发展具有一定的指导意义，优化了生态环境，促进了环境的和谐发展，具有重要的现实意义和经济价值。本课题在前期充分调研的基础上，主要针对水下淤泥清运机械的主要结构和液压系统进行分析和研究，对各组成结构的相关参数和尺寸进行了理论的计算，使用计算机三维软件对水下淤泥清运机械的各个零件和整体进行了三维建模，最终设计了一款结构紧凑、稳定性高、性能优越、安全性能好、运行速度快的水下淤泥清运机械，对淤泥清运相关设备的研发和优化具有非常重要的指导作用和现实意义，具有较高的经济价值和工业领域的实用性。本文设计的水下淤泥清运的机械设备主要有以下几项工作内容：（1）对本课题的研究背景和研究意义进行了论述，还包括了国内外关于水下淤泥清运机械设备的研究现状和发展趋势，还论述了本课题的主要研究内容。（2）对本课题的水下淤泥清运机械设备进行了总体方案的设计和分析，包括整体技术路线的设计以及确定整体设计方案，还对经济效益方面进行了分析和计算。（3）对本课题水下淤泥清运机械设备的液压驱动系统进行了设计，主要包括液压原理图的设计、伸缩液压缸的设计和计算、挖泥液压缸的设计和计算、液压控制阀的选取、主阀块的设计、液压管路的设计和液压管接头的选用，其中两个液压缸的设计和计算均包括液压缸内径和活塞杆的计算、活塞杆的强度校核、缸体外径的计算和液压缸的强度校核。（4）对本课题水下淤泥清运机械设备的机械结构进行了设计和计算，包括电动机的设计和计算、蜗轮蜗杆减速器的设计和计算和螺杆轴的设计和计算，其中电动机的设计和计算包括电动机类型的选择、电动机功率选择和确定电动机转速，蜗轮蜗杆减速器的设计和计算包括选择蜗杆传动类型、选择材料、按齿面接触疲劳强度进行设计、蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸和校核齿根弯曲疲劳强度，螺杆轴的设计和计算包括螺杆轴的材料选取和螺杆轴的结构设计。5.2展望本文针对水下淤泥清运机械的液压系统、主要机械结构、运行稳定性和可靠度等因素，在大量文献调研的基础上，最终完成了全部的结构设计，主要包括机械结构部分的设计和液压部分的设计，具有结构简单、运行稳定可靠、经济效益高、维护和保养快捷等特点，但是受到研究时间及空间的限制，本文仍存在一定的短板，主要体现在以下两个方面：（1）本文设计的水下淤泥清运机械偏向于整体机械部分的设计，包括机械结构部分和液压系统部分，但是对控制系统的研究没有特别深入，还需要完善控制部分，特别是各种实际运行过程和相关工艺过程的精确控制。（2）本文绘制了水下淤泥清运机械的计算机二维及三维模型，后续还需要进行加工、装配和测试，并进行现场工艺测量，后续需要进行一定的分析、研究和改进。

致谢通过对水下淤泥清运机械的相关设计,我了解到了水下淤泥清运机械的工作原理,并且总体设计了水下淤泥清运机械的机械结构和液压系统，对清淤技术中的方法和步骤有了一定的认知。我经过本次实习，使所学的知识得到了巩固，同时加强了我们运用专业知识的能力，以及对设备的整体设计思想更进一步的认识。本次毕业设计在完成期间，我遇到了很多的困难，在指导老师和同学的帮助下，最终克服每一个困难，完成了本次完整的毕业设计。在论文的完成过程中，我有很多感受和体会。第一个感受是把大学所学的知识梳理和复习了一遍，有了更多的感受和理解。其次是学会了查阅文献资料，掌握了解决问题的思路和方法。第三个是在毕业论文完成过程中，跟老师和同学们有了很多沟通和交流,让我知道了团队精神的重要性，要想完成一件事情离不开团队协作的精神，大家互相鼓励互相帮助。时光飞逝，在学校已经度过几年时光，在即将毕业的时候，心里五味杂陈。在本次总体方案的设计、论文编撰等我有很多体会，首先，我想感谢我的指导老师，您的无私帮助和关心，您不断地鼓励我并让我坚持下去，最终成功完成论文，再次向您表示衷心的感谢。其次，感谢自己父母，你们的无私付出让我懂得了感恩和温暖，能够让我全身心投入到学习中。还要感谢同学们，在这几年相处时间内对我的无私关心和关怀，陪伴我度过了人生中最重要也是最美好的几年时光。

参考文献[1]吴宗泽，罗圣国．机械设计课程设计手册[M]．北京：高等教育出版社，2004.26-35．[2]黄越.管道清淤机器人的研制及其位姿纠偏特性研究[D].北京交通大学

2018[3]SungminNam,JongkyunOh,GiukLee,JongwonKim,TaeWonSeo.

Dynamicanalysisduringinternaltransitionofacompliantmulti-bodyclimbingrobotwithmagneticadhesion

[J].

JournalofMechanicalScienceandTechnology.2014(12)[4]吴贞桢.管道清淤机器人的研制及其清淤泵送特性研究[D].北京交通大学

2016[5]熊森冰.液压挖掘机工作装置动态特性研究及挖掘力优化设计[D].湘潭大学

2015[6]郑明波,李运堂,李俊,袁柯铭.

新型连续移动式缆索机器人的结构设计与动力学分析

[J].

机械设计.

2011(04)[7]王三民，诸文俊.机械原理与设计[M].北京：机械工业出版社,2000：33-41．[8]MihaiOlimpiuThtar,IoanArdelean,DanMandru.

AdaptableRobotsBasedonLinkageTypeMechanismsforPipelineInspectionTask

[J].AppliedMechanicsandMaterials.2015(762)[9]刘鸿文.材料力学.北京：高等教育出版社,2004：111-123．[10]蔡增基,李炳田.

管道内污水两相流的阻力计算

[J].管道技术与设备.

2005(03)[11]朱辉,单鸿波，曹桄.画法几何及工程制图(第七版)[M].上海科学技术出版社，2017.[12]孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理(第八版)[M].高等教育出版社,2013.[13]梁健.连续采煤机行走部动力学分析及其疲劳可靠性研究[D].太原理工大学,2010.[14]BahadurIbrahimov.

DevelopmentofaDecisionMakingGuideforLocomotionDesignforIn-pipeInspectionRobots-OneSteptowardsOpenInnovationinRobotics

[J].

IFACPapersOnLine.2016(29)[15]周琳.城市黑臭水体底泥处理技术的比选研究[J].西北水电,2019(6):26-28.[16]黄勤等.促进生态文明建设的产业结构调整研究[J].天府论,2008(5):48-51.[17]班珂珂.“五位一体”视域下的生态文明建设[J].商丘师范学院学报.2014,30(1)：56-58.[18]O’tegaA.Ejofodomi.