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内容简介：

摘摘 要要 现实当中我们看到的登船梯给我们的感觉是很笨重，不方便，如果用于游船是可行的，但是如果用于航母或军舰的话，那肯定不能符合使用要求了（一旦码头情况不允许那就会带来麻烦），所以必须研制出一种既轻巧方便又安全能适应军用的登船梯系统，这就是我的课题所要做达到的要求。我所设计的跳板装置不仅设计了一些机械传动，还在原有的基础上采用了液压传动。采用液压传动的突出优点是：易于实现频繁的起动、换向和变速，且对船舶电站的影响较小；惯性小、位置控制精度较高；输出的力和转矩可以很大，但线速度和转速可以很低，体积和重量却很小；调速范围广。因此，液压传动现已广泛应用在各类船舶上。本课题是我国首艘航母上液压登船梯的设计。跳板（登船梯）主要用于军舰与码头之间人员及限重物资通过或迁移。本登船梯系统即可电动也可手动，手动是通过手摇泵来实现的，手摇泵的运用是为了防止断电情况下登船梯不能使用而设计的。关键词关键词：登船梯；液压传动；手摇泵IIAbstract Reality we have seen boarding ladder gives us the feeling is very heavy, inconvenient for cruise ships is feasible, but if for aircraft carriers or warships, it certainly does not meet the requirements (once the pier is notit will cause trouble), it is necessary to develop a lightweight and convenient and safe to be able to adapt to a military boarding ladder system, this is my topic have to do to achieve the requirements. I designed a springboard device not only designed a number of mechanical transmission, hydraulic transmission still in the original basis. With hydraulic drive of the outstanding advantages: easy to implement frequent starting, commutation and variable speed, and less impact on the ships power plant; inertia, high precision position control; force and torque of the output can be large, but the line speed and the speed can be very low, very small size and weight; wide speed range. Therefore, the hydraulic drive is now widely used in all types of vessels. The issue is Chinas first aircraft carrier, the hydraulic design of the boarding ladder. Springboard (boarding ladder) is mainly used for warships to the pier and weight limit supplies through or migrate. The boarding ladder system to the electric can also be manually manually by hand pump, the use of the hand pump is designed to prevent the boarding ladder in case of power failure can not be used. Keywords: boarding ladder; hydraulic transmission; hand pumpV目目 录录摘 要 .IIIABSTRACT .IV目 录 .V1 绪论 .1 1.1 国内登船梯的概况和发展趋势.1 1.2 课题的提出与意义.2 1.3 本课题应达到的要求.42 总体方案的确定.52.1 设计依据.52.2 确定机械结构设计方案 .52.3 确定液压系统设计方案 .53 机械结构设计及其校核.6 3.1 概述 .6 3.2 设计依据 .63.3 设计范围及其设计方案.63.3.1 基架设计及校核.63.3.2 回转支架的设计.83.3.3 登船梯的设计.93.3.4 油缸的设计.103.3.5 确定执行元件的设计.103.3.6 主回转液压马达的选择计算 .204 液压系统的设计及其校核.214.1 液压系统的组成 .214.2 液压系统的主要优缺点 .214.2.1 液压传动的优点.214.2.2 液压传动的缺点.214.3 液压系统设计.224.3.1 概述及液压系统方案设计.22 4.3.2 液压能源装置设计.244.3.3 液压阀的选择 .244.3.4 液压辅助元件的设计与选择 .25 4.3.5 液压控制说明 .305 CATIA 有限元分析方法.31 5.1 有限元分析方法简介 .315.2 进行有限元分析的目地和意义 .315.3 活塞杆的受力变形情况进行分析 .325.3.1 分析步骤.32VI6 结论与展望 .346.1 结论 .346.2 展望.34致 谢 .35参考文献 .36舰船液压跳板装置设计11 1 绪论绪论1.11.1 国内登船梯的概况和发展趋势国内登船梯的概况和发展趋势登船梯属于非标产品，其设计计算在国内至今尚无规范可遵循，但可依据海洋工程、船用甲板起重机、港口工程起重机、船用舷梯等特性设计。主要用于海洋钻井平台与平台之间人员及限重物资通过和迁移。为考虑使用时方便、安全、可靠、实用，设计上采用了液压传动的全回转、可升降的动作方案。国内主要有三种登船梯结构形式：(1)SS-1 型登船梯 上海石化总厂海运码头二期扩建工程系采用的型号。该型登船梯适用于工作行程在工作平台以下的码头，但是，其回转跑梯式提伸架提升质量大，电机功率消耗较大，有待于进一步完善。(2)SS-5 型登船梯 该型登船梯适用于镇海炼化股份有限公司算山泊码头 25 万吨级泊位工程。该梯合理地运用了曳引机和液压传动系统，使其整体结构紧凑明了，旋转、伸缩的载荷小，由于选用的油缸尺寸较小，与卷扬机传动系统相比，造价增加不大。(3)SS-6 型登船梯 该梯使用于舟山兴中石油转运有限公司，该梯运用了液压传动的特点，是舷梯浮动，易于实现自动化控制，小变幅机构增加了舷梯的工作幅度，使舷梯上仰时也能工作，降低了梯架的提升高度。2007 年 9 月 8 日，香港“宝瓶星”号国际豪华油轮平稳停靠在厦门东渡国际客运旅游码头，搭乘该轮近 2000 名来自世界各地的游客下船时，登上了新近投入使用的我国首个油轮登船系统。2006 年 8 月，交通部水运科学研究所受厦门港委托签订了登船系统的研制合同。水科院经过一年多的技术设计、方案审查、施工设计、制造安装、试车运行，登船系统已于 2007 年 7 月经过了专家用户的现场检验后，正式交付使用了。经过了近 2 个月的试运行，厦门东渡国际客运旅游码头，已接运了“宝瓶星”号四个航次的停靠，近 8000 人次旅客安全使用了登船系统。有关专家一致认为，登船系统设计构造新颖，性能先进，达到了国际先进水平。登船系统的使用避免了厦门东渡国际客运旅游码头旅客露天上下游轮，为旅客提供了一个舒适便捷、环境优雅的上下游轮通道，海关人员可以直接在候船联检大楼办公。豪华游轮旅客登船系统的使用，改变了动用吊车、叉车调运旅客旋梯与游轮对接的传统操作模式，实现了接船作业的全自动化，提高了游客上下游轮的安全性和旅客的通关速度，节省了旅客的上下游轮时间。出入的旅客赞叹道，登船就像登机一样方便。交通部水运科学研究院接手这难题后，根据基本设计条件设计了由一台移动升降式登船机和一台旋转伸缩式登机桥两部分组成的登船系统。移动升降式登船机安装在码头前沿原有的集装箱岸桥轨道上，旋转伸缩式登机桥通道头部的接机口与登船机尾部旅客通道口对接。登船系统的首尾分别连接游轮和大楼候船联检大厅。而且，没有客轮到岸时，登船设备可以分离、移走，码头用于集装箱装卸作业，满足码头多功能作业的要求。首次采用移动升降式登船机与旋转伸缩式登机桥组合形式的登船系统，满足了接船2高度和跨度范围大的特殊要求，接船跨度达 50 米。创下接船高度范围达 1.07 米至 11.44米，旅客登船桥接船高度超过 9 米两项世界之最，是国内接船高度差和跨度最大的国际豪华游轮登船系统。这是我国完全独立研发、拥有自主知识产权的产品。图 1.1 在厦门投用的我国首个登船系统1.21.2 课题的提出与意义课题的提出与意义随着人类社会的不断发展，陆地可开放资源日渐枯竭，世界各国逐渐将目光转向海洋，海洋资源的开放及利用对各国的发展起到了越来越重要的作用。由此引起的国家及地区间争端、摩擦不断。进入新世纪以来，随着海洋岛礁及资源争夺的加剧，海上运输线安全形势日趋恶化，海上利益争夺的形势将更加严峻，尤其是美、日、俄、印等国家，为壮大海军采取多种措施，已出现群雄争锋的局面。在全面实施海洋开放的时代背景条件下，海军肩负着维护国家安全，捍卫主权、维护国家海洋权益的神圣使命。同时由于我们国家日益发展的经济情况还有我们日益强大的军事技术，我们和外界的联系也渐渐的紧密起来了。但是由于我国有着较为宽广的港口领域，所以海上交通便是我们和外界取得联系的最好方式。但是海上交通就一定会用到轮船，而与陆地取得联系就一定要用到跳板了，所以我便对这种跳板装置进行了一些设 计。跳板作为自行轮船重要的组成部分，可以在轮船靠近岸边时，可以作为被保障装备通行的桥梁。未来几年将是我国海洋事业发展的黄金时期，海洋石油工程也迎来了前所未有的发展机遇。舰船液压跳板装置设计3图 1.2 登船梯图 1.3 登船梯以上是已有的登船梯系统，这两种登船梯给我们的感觉是很笨重，不方便，如果用于游船是可行的，但是如果用于航母或军舰的话，那肯定不能符合使用要求了（一旦码头情况不允许那就会带来麻烦） ，所以必须研制出一种既轻巧方便又能安全适应军用的登船梯系统，这就是我的课题所要做达到的要求。由此我便想到了液压系统。液压件是现代机械设备中重要的基础件，可广泛应用于国防、能源、冶金、交通等诸多领域，对于提高机械设备的技术水平和质量，提高自动化应用应用程度都有十分重要的意义。本课题是完成全回转式登船梯装置的总体设计，在设计中还须设计液压原理，完成回转支架、登船梯等结构设计以及油缸中重要零件的设计并做出必要的有限元分析。本4课题使我在设计过程中，能掌握较强的实际工作经验，完成从设计到实际生产及运行调试的整个过程，这样我熟悉了液压系统的运用，也提高解决实际工作问题的能力，为以后工作打下极好的基础。1.31.3 本课题本课题应达到的要求应达到的要求我所设计的跳板装置不仅设计了一些机械传动，还在原有的基础上采用了液压传动。采用液压传动的突出优点是：易于实现频繁的起动、换向和变速，且对船舶电站的影响较小；惯性小、位置控制精度较高；输出的力和转矩可以很大，但线速度和转速可以很低，体积和重量却很小；调速范围广。因此，液压传动现已广泛应用在各类船舶上。具体要求如下:(1)能够通过油缸伸出和缩回分别引起过桥的上倾和下放，过桥变幅的幅度为上倾极限 30、下放 30。(2)能够通过与回转齿轮的啮合实现跳板装置的左右摇摆，角度为 180。 (3)上下六十度转动过程中能够随时停在某个位置。 (4)登船梯在 180 度转动过程中能随时停在某个位置。(5)登船梯搁在码头上能随风浪波动。(6)登船梯左右摆动碰到码头时，能够自动让位，以免船梯与码头硬碰硬碰撞而损坏船体和登船梯。根据技术要求，我们需要在搞清设备工作原理的基础上，进行正式图纸绘制。在设计中还需对现有的机构进行分析，如充分利用 CATIA 和 LINGO 等软件进行有限元应力分析、运动分析和优化设计。我还要设计液压原理图、主机等部件。舰船液压跳板装置设计52 2 总体方案的确定总体方案的确定2.12.1 设计依据设计依据(1)本套设备依据海洋工程、船用甲板起重机、港口工程起重机、船用舷梯等特性设计。(2)本套设备以满足相关海事部门管理要求设计。(3)本套设备以符合 SOLAS（safety of life at sea）及相关船级社的规范要求设计。(4)本套设备的制造、检验、安装、使用均以满足相关船级社的规范为前提并取得相关船级社的证书。2.22.2 确定机械结构设计方案确定机械结构设计方案登船梯主要用于海洋钻井平台与平台之间人员及限重物资通过或迁移。为考虑使用时方便、安全、可靠、实用，设计上采用了液压传动的全回转、可升降的动作方案，并具备照明、报警、应急功能。本登船梯主要由过桥、回转上承台、回转装置、升降油缸、配电与照明系统等部份构成。登船梯设计规格暂定工作长度 9.6m。2.32.3 确定液压系统设计方案确定液压系统设计方案本液压系统是针对军舰而设计的全回转式登船梯装置机、制造的专用液压传动设备。该系统精选了国内外优质液压元、附件。液压回路采用了集成油路块式结构，液压系统总体结构先进、合理、可靠、易于维修。符合 GB3766-87液压系统通用技术条件中的各项技术要求。本液压系统由于采用了封闭式油箱结构，所以允许在粉尘大的恶劣环境下工作，但使用时应注意经常清扫液压设备上的粉尘，以保证液压系统具有良好的散热性。9所有液压阀控制回路均采用了集成油路块式结构，使本系统具有泄漏少，结构紧凑，便于维修的特点。本液压系统在工作原理上具有以下特征：具有吸油滤油器，使本系统工作介质的清洁度得到有效的保证，降低系统的故障率,延长系统各元、附件的使用寿命。63 3 机械结构设计及其校核机械结构设计及其校核3.13.1 概述概述全回转伸缩式登船梯（以下简称登船梯）主要用于海洋钻井平台与平台之间人员及限重物资通过或迁移。为考虑使用时方便、安全、可靠、实用，设计上采用了液压传动的全回转、可升降的动作方案，并具备照明、报警、应急功能。本登船梯主要由钢质基架、回转支架、登船梯、升降油缸、伸缩系统、喷水系统、配电与照明系统等部份构成。登船梯设计规格暂定工作长度 9.6m，在此基础上增加0.51m。3.23.2 设计依据设计依据(1)本套设备依据海洋工程、船用甲板起重机、港口工程起重机、船用舷梯等特性设计。(2)本套设备以满足相关海事部门管理要求设计。(3)本套设备以符合 SOLAS 及相关船级社的规范要求设计。(4)本套设备的制造、检验、安装、使用均以满足相关船级社的规范为前提并取得相关船级社的证书。3.33.3 设计范围及其设计方案设计范围及其设计方案本套设备设计的范围如前述组成部份（见所附布置图） ，其间还包含了较多的项目。由于各部件的尺寸、重量均较大，因此所有的超大零件上均安装吊环以便于安全起吊和安装，这些吊环在装船之前均需进行无损坏试验。下面按各部件分述如下： 3.3.13.3.1 基架设计及校核基架设计及校核基架以钢质筒体为主体，其外形直径根据要求约为506mm 左右，高度初步确定在205mm 左右，基架的上端设置平型法兰用于和上部回转支架螺栓联接。再用俩个连接齿轮和回转齿轮连接带动登船梯摆动。5图3.1 基架及回转部分三维图舰船液压跳板装置设计7 模型：图 3.2 整体模型图现在计算各个工作部件对基架的作用力和作用力矩。1(1)计算登船梯跳板梯部分对基架的作用力和作用力矩： 登船梯质量 m=576kg 重力 G=mg=576kg9.8m=5644.8N 所以对于基架的作用力 F1=5644.8N 质心距离基架中心轴的距离1d=3982.184mm+253mm=4235.184mm 所以对于基架的作用力矩 M1=F1d1=23905.728Nm (2)计算马达对基架的作用力和作用力矩： 马达的质量 m2=542=108Kg 重力 G=mg=1089.8=2920.4N 所以对于基架的作用力 F2=1054N 质心距离基架中心轴的距离 d2=203.5mm 所以对于基架的作用力矩 M4=F2d2=2144.89Nm(3)整个回转装置及回转上承台及其上零部件对基架的作用力 经差算整个回转装置及回转上承台及其上零部件总重量约为 1200kg所以 F3=10084.2N由于上承台及回转装置对基架的作用力主要是重力而不是力矩，所以上承台及回转装置对基架的力矩忽略不计即 M3=0(4)计算基架本身的作用力和作用力矩：8 基架本身的质量 m=43Kg 重力 G=mg=421.4N不过，质心距离基架中心轴的距离 d4=0mm所以作用力矩 M4=0因此，所有部件对基架的作用力F=F1+F2+F3 +F4=5644.8N+1054N+10084.2N+421.4=17204.4N所有部件对支架的作用力力矩M=M1+M2+M3+M4=239057.28Nm+2144.89Nm+0+0=241202.17Nm现在先设取基架的壁厚 h=20mm所以基架的横截面积 A=(/4)*(0.5562-0.512)=0.049036m Iz = (/64)*(0.5564-0.514) =0.027913 = +=89MPaAFZYIM027913. 017.241202049036. 04 .17204bsbsQ235375MPan4/n375/493.75MPa基架材料选用，抗拉强度选取安全系数，所以【】= 可见 略小于【】 ，为安全起见，增加壁厚至 h=25mm 此时基架的横截面积 A=(/4)*(0.561 2-0.512)=0.05462m Iz = (/64)*(0.5614-0.514) =0.031397297 = +=79MpaAFZYIM031397297. 017.24120205462. 04 .17204相差有点远，所以安全。 3.3.23.3.2 回转支架的设计回转支架的设计回转支架是本设备极其重要的组成部份，它分别由上承台、回转齿轮、液压马达、减速箱、支架等部件组成。回转支架分别与基架及其登船梯相联接。3.3.2.1 回转支架由高扭矩低转速液压马达通过四个主动齿轮带动固定于上承台的回转齿轮来旋转整个支架。回转齿轮是登船梯上的一个重要部件，选用无锡立达齿轮制造有限公司的产品。参考资料为公司的齿轮样本。回转齿轮选型计算流程图：(1)确定回转齿轮保持静态时所承受的最大载荷根据上述计算：可知轴向载荷 Fa=17204.4N，倾覆力矩 M=241202.17Nm(2)根据主机类型（应用场合）确定静态安全系数 fs，见表 1。选取静态系数 fs 为 1.25(3)初步确定选用何种类型的回转齿轮，并根据其计算 Fa和 M。Fa=fsFa=1.2517204.4N =21505.5NM=fsM=1.25241202.17Nm =301502.5Nm初步确定使用 13-三排滚柱式回转齿轮。舰船液压跳板装置设计9(4)在曲线表中查找能满足要求的回转齿轮型号，在曲线图中标出 Fa和 M的坐标点。找到型号为 131.50.3150 回转齿轮能满足要求。(5)经过核对，Fa和 M在静态承载曲线和螺栓极限曲线的下方。(6)完成回转齿轮初步选型。图3.3 回转齿轮图 3.4 回转齿轮二维图支架的下端与基架上端用法兰方式联接。 3.3.33.3.3 登船梯的设计登船梯的设计10登船梯主要由跳板梯部分、回转支架和回转部分三大部份组成，材料为钢材。登船梯的回转支架下端与回转部通过螺栓连接，回转部分再与基架舰体连接（通过法兰连接） 。跳板部分一端上部通过油缸与回转支架的支撑联接用于登船梯的上下升降之用，下部与支架连接。回转部分主要由液压马达、一对齿轮等组成，液压马达带动小齿轮围绕大齿轮转动以实现回转运动。登船梯的主要设计参数：(1)跳板部分长约 9.6m，宽约 1.2m； (2)最大上翘角度+30； (3)最大下倾角度30； (4)登船梯内侧净宽 1m；(5)登船梯跳板部分高度约为 0.2m；(6)具体见设计图纸。3.3.43.3.4 油缸的设计油缸的设计油缸位于在固定登船梯的两侧与回转支架上的支撑相连，主要用于登船梯的上升和下降。油缸的设计依据登船梯的载荷及其油路压力而确定，本项在详细设计之后再给出具体规格。在液压油缸中使用液压传动系统，那么液压传动与机械传动、电气传动相比，有何有缺点呢？(1)在相同的功率工作的机械的重量指标上，采用液压传动要比采用机械传动的轻三分之一，在外形尺寸上也减小了近三分之一，最好的例子就是起重机了，起重机都是用液压传动的，这样可以保证起重机自身重量轻，机身又可以小一些。7(2)实际工作时液压传动容易实现往返运动，直接推动工作机构。这里可以看看液压千斤顶的，外力施加给液压油，液压油指直接推动液压活动件向上顶。通过液压阀门控制施压和放压。(3)易于实现液压系统的安全保护。液压传动比机械传动操控起来更简单而且省力，可提高液压机械的劳动生产率和作业质量。(4)液压传动不需逐级调速，调速通用范围比较大，可在较大的范围内实现无极变速，工作平稳性比较好，易实现过载保护。(5)液压元件容易实现标准化、系列化和通用化，便于组织专业化大批量生产，有利于提高生产效率进而提高产品质量和降低成本。(6)液压传动中的的液压油本身是可以当做润滑油，降温剂的，这样可以延长液压元件的使用寿命，减轻液压传动设备的维护和保养的力度。3.3.53.3.5 确定执行元件的设计确定执行元件的设计执行元件设计中应注意的问题(1)本套液压系统选择液压油缸作为执行元件，油缸设计的主要参数包括油缸内径、活塞杆直径、行程。油缸设计时应注意以下几个问题： 在保证所获得的速度和推力下，应尽可能使液压缸的各部分结构按有关标准来设计，尽量做到液压缸的结构紧凑，加工，装配和维修方便。舰船液压跳板装置设计11 尽量使活塞杆在承受最大负载时处于受拉状态，若受压应具有良好的纵向稳定性，长行程的活塞杆伸出时，还应加辅助支撑，避免活塞杆下垂。 液压缸热胀冷缩时应不受阻碍，所以液压缸在安装，固定时，液压缸只能一端定位。 根据液压缸具体工作条件，考虑是否有缓冲，排气和防尘装置。(2)油缸设计过程及校核计算登船梯运动过程主要有两个动作过程即登船梯升降和左右回转，分别用两个油缸和液压马达作为执行元件。由于工作环境比较复杂，考虑到风浪带来的影响等，所以油缸的承受能力需要分析和校核。 油缸主要几何尺寸的计算根据要求，压紧油缸压紧时最大压紧力为12吨的力，现进行计算确定执行元件油缸的主要参数：油缸内径D、活塞杆直径d、最大行程S。A.油缸内径计算如下：计算公式：（31）23.57 10FDP式中 D液压缸内径（m） F液压缸推力（KN） P选定工作压力（MPa）其中，液压缸推力已知，为 1.2N。下面选取工作压力：510液压系统的执行元件是液压缸时，其工作压力可以根据最大负载或者是根据主机类型进行选择。下面采用后一种原则选取执行元件的工作压力。下表是不同类型的主机所需执行元件的工作压力：表3-1 按主机类型不同选择液压执行元件的工作压力设备类型机床农业机械、汽车工业、小型工程机械及辅助机构工程机械、重型机械、锻压设备等船用系统工作压力/Mpa8pp所以该活塞杆不会失稳。因此选用 125x55x140 的油缸两个 3.3.63.3.6 主回转液压马达的选择计算主回转液压马达的选择计算驱动整个装置做全回转运动的扭矩的计算：思想：根据理论力学公式：M=J。由于整个装置绕基架中心轴做回转运动，所以 J 为整个装置对基架中心轴的转动惯量。根据要求，回转速度为 0.120.16 转/分现在取回转速度为 0.15 转/分，即 54/分，所以角速度=0.9/s=0.9/180=0.0157rad/s（3-11）假设整个装置从零开始加速加速至 0.0157rad/s 需要 2 秒时间（3-12）2/0.0157/2=0.00785rad/st 则角加速度=现在的难题是计算整个装置对基架中心轴的转动惯量，由于本装置各个部分都是不规则形状，所以无法利用常规算法计算出转动惯量，所以利用 catia 软件进行辅助分析：取基架的回转轴为 Y 轴利用 CATIA 分析和计算可知各部分的转动惯量总和因此，M=J=7736853.7970.00785=61894.83Nm根据以上要求及相关资料参考，确定主回转液压马达主要参数如下：主回转液压马达型号 NHM2，排量 0.2L/转，额定工作压力 12MPa，扭矩M。转速 2.5 转/分（再需经齿轮及大齿圈减速驱动登船梯，速比按 1：9） ，主回N3002转液压马达流量L/MIN。L12回转由两台油马达完成，保持回转的平稳性,停止时保持位置锁住。马达应能完成正转、反转和任意位置停止及由外力作用而自由正反转。由比例阀控制，在启动停止时应尽量减少振动。舰船液压跳板装置设计214 4 液压系统的设计及其校核液压系统的设计及其校核液压系统是登船梯的心脏，液压系统设计的先进性、合理性是测试技术先进性的重要标志，也是实验结果的稳定性、可靠性、精确性的关键。4.14.1 液压系统的组成液压系统的组成(1) 能源装置它是将输入的机械能转换为油液的压力能(压力和流量)输出的能量转换装置，一般最常见的形式是液压泵。 (2) 执行元件它是将油液的压力能转换成直线式或回转式机械能输出的能量转换装置，一般做直线运动是液压缸，做回转运动的是液压马达。(3) 调节控制元件它是控制液压系统中油液的流量、压力和流动方向的装置，包括方向控制阀、压力控制阀、流量控制阀、比例阀和逻辑阀。这些元件是保证系统正常工作不可缺少的组成部分。(4) 辅助元件是除上述三项以外的其它装置，如油箱、滤油器、油管等，这些元件对保证液压系统的可靠、稳定持久的工作，有重大作用。154.24.2 液压系统的主要优缺点液压系统的主要优缺点 4.2.14.2.1 液压传动的优点液压传动的优点与机械传动和电力拖动系统比较，液压系统具有以下优点：8(1)液压元件的布置不受严格的空间位置限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性，能构成其他方法难以组成的复杂系统。(2)可以在运行过程中实现大范围的无级调速，且调速范围大。(3)液压传动和液气联动传递运动均匀平稳，易于实现快速启动，制动和频繁的换向。(4)操作控制方便，省力，易于实现自动控制，中远程距离控制，过载保护。与电气控制，电子控制相结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。 (5)液压元件属于机械工业基础件。其标准化，系列化和通用化程度都较高，这样有利于缩短机器的设计，制造周期和降低制造成本。 (6)除此之外，液压传动突出的优点还有单位质量输出功率大，因为液压传动的动力元件可采用很高的压力，因此，在同等输出功率下具有体积小，质量小，运动惯性小，动态性能良好的特点。 4.2.24.2.2 液压传动的缺点液压传动的缺点(1)在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低。(2)由于传动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。22(3)液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油基液压油作传动介 质时还需要注意防火问题。(4)液压元件制造精度高，系统工作过程中发生故障不易诊断。 总的来说，液压传动的优点是主要的，其缺点将随着科学技术的发展不断得到克服。本机器的传动主要采用了液压传动，并实现电控自动化控制。4.34.3 液压系统设计液压系统设计 4.3.14.3.1 概述及液压系统方案设计概述及液压系统方案设计概述：(1)本液压系统是为军舰全回转式登船梯装置机设计、制造的专用液压传动设备。该系统精选了国内外优质液压元、附件。液压回路采用了集成油路块式结构，液压系统总体结构先进、合理、可靠、易于维修。符合 GB3766-87液压系统通用技术条件中的各项技术要求。5(2)本液压系统由于采用了封闭式油箱结构，所以允许在粉尘大的恶劣环境下工作，但使用时应注意经常清扫液压设备上的粉尘，以保证液压系统具有良好的散热性。(3)本液压系统在结构上具有以下特征：所有液压阀控制回路均采用了集成油路块式结构，使本系统具有泄漏少，另外去除了一般常用的泵站房和操控室，使结构紧凑、简单，便于维修的特点。(4)本液压系统在工作原理上具有以下特征（参阅液压系统原理图）：具有吸油滤油器，使本系统工作介质的清洁度得到有效的保证，降低系统的故障率,延长系统各元、附件的使用寿命。 确定油液的循环方式表 4-1 开式系统和闭式系统的比较油液循环方式开式闭式散热条件较方便较复杂，须用辅泵换油冷却抗污染性较差，但可采用压力油箱来改善较好，但油液过滤要求较高限速、制动形式用平衡阀进行能耗限速，用制动阀进行能耗制动，引起油液发热液压泵由电动机拖动时，限速及制动过程中拖动电机能向电网输电，回收部分能量其他对泵的自吸性能要求高对主泵的自吸性能要求低 根据上图所示，本液压系统采用开式循环方式，因为执行元件有多个。 确定油路的组合方式本系统中采用并联方式。 调速方案的分析与选择舰船液压跳板装置设计23表 4-2 三种调速回路主要性能比较名称速度刚度承载能力调速范围效率发热成本1.节流调速回路差好大低大低2.容积调速回路较好较好较大最好最小高3.容积节流调速回路好好大较高较小最高根据上述表格内容所示，本液压系统采用节流调速回路。A.调压平衡回路图 4.1 调压平衡回路B.进、回油单向节流调速回路24图 4.2 进、回油节流调速回路C.平衡回路图 4.3 平衡回路4.3.24.3.2 液压能源装置设计液压能源装置设计根据工作压力 12MPa 和马达排量 2L/MIN 以及油缸排量 2L/MIN 需要查手册选择1油泵：EGP-A5, 流量 5L/MIN, 工作压力 12MPa，最大压力 16 MPa。同时可以查出油泵驱动电机：型号：Y100L1-4 ,2.2KW，转速：1400r/min。4.3.34.3.3 液压阀的选择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影响。液压阀根据用途可分为方向控制阀、流量控制阀和压力控制阀。这三类阀可以互相组合成为复合阀，以减少管路连接，使结构更为紧凑，提高系统效率。对液压阀的共同要求是：(1)动作灵敏、性能好，工作可靠且冲击震动小;(2)油液通过阀时，液压损失要小;舰船液压跳板装置设计25(3)密封性能好;(4)结构简单紧凑体积小，安装调试维护保养方便，成本低廉，通用性强，寿命长。选择液压阀时，要考虑的因素主要是流量和压力。12在本套液压系统中，用到的液压阀有单向阀，电磁换向阀，电液换向阀，溢流阀，单向节流阀，液动换向阀，高压截止阀，比例换向阀，液控单向阀，电磁溢流阀等。10(1)普通单向阀亦称止回阀，其作用是油流从一个方向通过它，反向则不通。主要应用于以下两个方面：将单向阀安置在液压泵的出口处，可以防止系统压力突然升高而损坏液压泵。将单向阀安置在回由路上，可以作备压阀用。(2)电磁换向阀，它是借助电磁铁的吸力推动闷芯动作进行换向的，电磁换向阀受到磁铁吸力太小的限制，其流最一般在 63L/min 以下，故对于流量要求较大、行程较长、移动阀芯阻力较大或要求换向时间能够调节的场合，宜采用液动或电液式换向阀。(3)溢流阀的作用是在溢流的同时定阀的入口压力，并将该压力稳定为常值，简称为定压、稳压。先导式溢流阀由先导阀和主阀两部分组成，其先导阀部分的结构尺寸一般都很小，调压弹簧不必很强，工作压力和流量的提高对调压弹簧的影响不大，故先导式溢流阀适用高压大流量系统。(4)节流阀的主要作用是通过调节节流口过流断面积的大小，达到调节流量的目的。节流阀的流量不仅受其过流断面的影响，也手其前后压差的影响。在液压系统工作时，因外界负载的变化将引起节流阀前后压差的变化，所以负载变化将直接影响节流阀即系统速度的稳定性。节流阀的主要作用是在定量泵的液压系统中与溢流阀配合，组成节流调速回路。(5)用比例电磁铁取代电磁换向阀中的普通电磁铁，便构成直动式比例换向阀。由于使用了比例电磁铁，阀芯不仅可以换位，而且换位的行程可以连续地或按比例地变化，因而连通油口间的流通面积也可以连续地或按比例地变化，所以比例换向阀不仅可以控制执行元件的运动方向，还可控制其速度。(6)电磁溢流阀是先导型溢流阀与常闭型二位二通电磁阀的组合。电磁阀的两个油口分别与主阀上腔(导阀前腔)及主阀溢流口相连。当电磁铁断电时，电磁阀两油口断开，对溢流阀没有影响。当电磁铁通电换向时，通过电磁阀将主阀上腔与主阀回油口相连通，溢流阀溢流口全开，导致溢流阀进口卸压(压力为零)，这种状态称之为卸荷。电磁溢流阀除应具有溢流阀的基本性能外，还要满足一下要求：建压时间短；具有通电卸荷或断电卸荷功能；卸荷时间短且无液压冲击。(7)压力表压力表也是锅炉上必不可少的安全附件，它的作用是用来测量和指示锅筒内压力的大小。锅炉上如果没有压力表 , 或 者压力表失灵 , 锅炉内的压力就无法表示 , 从而直接危及安全。锅炉上装置灵敏、准确的压力表 , 司炉人员就能凭此正 确的操作锅炉 , 确保安全、经济的运行。26(8)手摇泵手摇油泵是提油泵中最普通的一种，因为他是手动，操作起来比较方便。手使力带动齿轮，适用于输送各种油类，如重油、柴油、润滑油，配用铜齿轮可输送内点低液体，如汽油、苯等，同时可以适用于含硬质颗粒或纤维的，适用于各种黏度，具良好的自吸性。 4.3.44.3.4 液压辅助元件的设计与选择液压辅助元件的设计与选择(1)油管在液压系统中,常用的油管有钢管,铜管,尼龙管,橡胶管和塑料管等。 无缝钢管能承受高压,价格低廉,但是装配时弯曲困难,通常用于高压系统中。铜管不易生锈,易于弯曲,但价格昂贵,耐压较低,抗震能力差,用于压力小于 10Mpa 的系统中装配不便之处。橡胶管常用于执行元件同油管一起运动的场合和很难装配的地方;但是价格高且又容易老化。低压胶管是以麻线或棉织品为骨架;高压胶管以钢丝编织品或钢丝缠绕体为骨架,按承受压力不同分别有一层,二层或三层钢丝骨架。尼龙管加热后可以随意弯曲成型,扩口,冷却后保持形状不变,视材质不同,承受压力为 0.5-8Mpa。目前仅用于低压系统。塑料管可随意弯曲,也可与液压元件一起运动,装配容易。维修方便,价格便宜,但是耐压低,易老化,仅适合低压系统。由于此统要求可靠性及压力较高,故采用钢管油管。(2)管接头管接头是连接液压元件与管道或管道之间的可拆式元件。常用管接头有卡套式，扩口式和焊接式，还有软管接头和快速接头等。管接头按路数又分直通，直角通，三通，四通等。本设计要求连接可靠，拆装方便，密封性好。(3)滤油器工作介质污染是液压系统产生故障的主要因素。混在工作介质中的颗粒污染物，加速液压元件的磨损，堵塞接流小孔，甚至使液压滑阀卡死。有统计资料表明，液压系统的故障有 75%以上是由于油液污染造成的。过滤是控制污染的最有效的方法之一，过滤就是从油液中分离非溶性固体微粒的过程。在液压系统中一般采用滤油器进行过滤。滤油器按滤芯的过滤机理可分为：表面型滤油器，深度型滤油器和磁性滤油器。表面滤油器，过滤是有由一个多孔的面实现的。具有均匀标定小孔的滤芯，能将大于小孔的圆形杂质颗粒截流在滤芯的一侧。由于污染粒子积聚在滤芯表面，小孔易于堵塞。该类型滤油器有网式，线隙式和片式等。网式滤油器是将铜丝网包在周围开有窗孔的塑料或金属筒形骨架上，多为无壳体结构，安装在液压泵吸油口。结构简单，清洗方便，通油能力大，但过滤精度低隙式滤油器，滤芯是用铜线或铝线密绕在筒形芯架上，利用线间缝隙进行过滤。过滤精度为 30-100m。该滤油器结构简单，通油能力大，滤芯材料强度低，不易清洗，常用于低压系统或泵吸油口。度型滤油器深度型滤油器的滤芯为多孔可透性材料。内部有曲折迂回的通道，杂质粒子不但可被拦截在表面，而且在材料内部也逐步吸附，拦截。这种滤油器过滤效果好，清洗困难，有不锈钢烧结纤维毡，烧结金属和陶瓷，纸类和纤维毡类等。纸芯滤油器，采用酚醛树脂或木浆微孔滤纸作滤芯。为增大过滤面积，纸芯常制成折叠式。它的过滤精度为 5-30m，制造简单，强度高，耐冲击，抗腐蚀。金属颗粒有时脱落，堵塞后不易清洗。金属纤维烧结毡是由长 15-20mm，丝径为舰船液压跳板装置设计274-30m，强度好，耐腐蚀，抗冲击。目前被世界各国广泛运用。磁性滤油器：磁性滤油器是采用永磁材料，将油液中的磁性杂质微粒不断吸附到上面。它常用于其他形式的滤芯一起制成复合式滤油器，对加工钢铁件的机床压系统特别适用。滤油器的主要参数有过滤精度，压力损失，额定流量和额定压力。一般按系统的类型与压力选择。本设计进口采用网式滤油器,型号 WU-160X180-J。密封圈，防尘圈等根据配套元件选用。16(4)液压油的选择及使用液压介质的选择原则： 液压系统所处的环境 即液压是在室内或户外作业，还是寒区或温暖的地带工作，周围有无明火或高温热源，对防火安全，保持环境清洁，防止污染等有无特殊要求。 液压系统的工况 如液压泵的类型，系统的工作温度和工作压力，设备结构或动作的精密程度，系统的运转时间，工作特点，元件使用的金属，密封件和涂料的性质等 液压工作介质方面 如质量，理化指标，性能，使用特点，适用范围，以及对系统和元件材料的相容性。 经济性 考虑液压工作介质的价格，更换周期，维护使用是否方便，对设备寿命的影响等。现查相关手册选用 YA-N32 号液压油，环境温度低于 5-10时采用 YA-N15 号液压油；环境温度高于 30-35时采用 YA-N46 号液压油。还有液压油应保持清洁，无污物，无水分，应定期进行检查和更换。新机的液压油在使用半年后要更换，同时清洗油箱，管道及滤油器。此外以后半年或一年，更换新油一次。还有新油也必须过滤后才能用，这些要根据使用环境来定，可延长可缩短使用周期。该液压系统选则的是 2LQ-U 型冷却器。液压介质的管理：液压油的更换。松开放水旋塞，可释放油箱中的油。在 46 月以内要交换最初加入的液压油，那以后，希望能每年交换一次液压油。滤网，请在每次交换液压油时用轻油洗净。滤网如发生堵塞，会使大柱塞活动变慢，油泵发出噪音。因此一定要清洁滤网。液压装置故障原因的 70是由于液压油的选定和维护不当所引起的。因此必须细心注意液压油的选定和维护。这里描述了液压油维护的重点。污损 根据液压油的污染物的来源可将其分为以下几类：设备运转前已混入的异物铸沙，熔屑，切屑，纤维屑，尘埃。设备运转中混入的异物水分，尘埃，纤维屑，密封件屑。摩擦部分因为摩擦而产生的异物密封圈，金属摩耗粉。除却以上这些，还有系统内空气冷却后生成的凝结水，油漆碎片等。劣化 液压油的劣化速度与泄漏，混入水，金属，气泡（包括溶解空气） ，压力等因素有关，而无论如何影响力最大的是油温。油温在 55时，油温上升 8则其酸化速度同时为原来的两倍。同时，金属是作为酸化反应的催化剂而存在的，其影响度如铜为28100，铁为 23，铝为 19，亚铅为 6。阀运转界限与油箱的油温的关系如下图：图 4.4 液压介质状态气泡油中的气泡对液压油的影响如下，压缩率增大时油压缸动作变慢、油压泵发生气浊现象，容积效率低下，加快液压油的劣化速度，气泡的隔热压缩使得液压油发生黑化等现象。保养时需同时注意以下几点，油泵的位置，进油口的油管阻抗，进油口过滤器的口径及容量，粘度，油箱的油量，出油口的位置，溢流阀的压力设置，油箱中的换气，油温等。泄漏原因大致如下，密封盖，密封圈选定不合适，使用方法有误，相接面的粗糙度不合适，定位夹紧不良，震动，压力激荡，异常油温，液压油的管理不良。长期使用而不换油的话，油中堆积异物及橡胶圈磨损使泄漏现象增多。检查液压油的洁净度是维护油压装置的重要的内容。17(5)泵站油路块的设计液压油路块用灰铸铁来制造,要求材料致密,无缩孔疏松等缺陷.正面用螺钉固定液压元件,表面粗糙度为 R a3.2m,为方便期间,把它安装在液压站上。现分析液压系统,确定液压油路板数目:简单的液压系统的元件不多时,要求液压油路板上的元件布局紧凑,尽量把元件都充分合理分配空间,空间不够时安装过渡板一般过渡板的厚度为 35-40mm.但在不影响其他部件工作时,其长度可以适当大于集成尺寸。以下为油路块的一般设计步骤：11 绘制液压元件样板根据产品样本对照实物绘制液压元件视图轮廓尺寸，虚线绘出液压元件底面各油口位置的尺寸，依照轮廓线剪下来，便是液压元件样板。若产品样本与实物有出入，则以实物为准。若产品样本中的液压元件配有底板，则样板可按底板所提供的尺寸来制作。如没有底板则要注意，有的样板中提供的是元件的俯视图，做样板时应把产品样板中的图翻舰船液压跳板装置设计29180。 决定通道的直径集成块上的公用通道，即压力油孔 P，回油孔 T，泄漏孔 L（有时不用）及若干个安装孔。压力油孔由液压泵流量决定：液压泵的流量为不小于 40.8L/min，所以现顶压力油孔可定为 15mm。回油孔一般不得小于压力油孔，所以也定为 15mm。直接与液压元件连接的液压油孔由选定的液压元件规格确定。孔与孔之间的连接（即工艺孔）用螺塞在集成块表面堵死。与液压油管连接的液压油孔可采用米制细牙螺纹。 集成块上液压元件的布置把制作好的液压元件样板放在集成块各视图上进行布局。有的液压元件需要连接板，则样板应以连接板为准。电磁阀布置在集成块时要注意不要与其它部分相碰。液压元件的布置应以在集成块上加工的孔最少为好。孔道相通的液压元件尽量布置在同一平面上，或在某一直径内，否则要钻垂直中间油孔，不通孔道之间的最小壁厚必须进行校核。液压元件在水平面上若与公共油孔相通，则尽量可能的布置在同一垂直或在某直径范围内，否则要钻中心孔道。集成块前后与左右连接的孔道要互相垂直，不然也要钻中间孔。设计时还要注意，其高度应比装在其上的液压元件的最大横向尺寸大至少 2mm，以免上下集成块上的液压元件相碰，影响集成块的固定。 集成块上液压元件布置的程序电磁换向阀布置在集成块的前面和左右面，先布置垂直位置，后布置水平位置。要避免电磁换向阀的固定螺孔与阀孔通道，集成块固定螺孔相通。液压元件泄漏孔可考虑与回油孔合并。水平位置孔道可分为三层进行布置。根据水平孔道布置的需要液压元件可以上下左右移动一段距离。 集成块零件图的绘制集成块的六个面都是加工面，其中三个侧面要装液压元件，一个侧面引出管道。块内孔道纵横交错，层次多，需要多视图和几个剖面图才能表达清楚。下图是用 CATIA 绘制的油路块：30 图 4.5 油路块 1图 4.6 油路成块 24.3.54.3.5 液压控制说明液压控制说明 (1)变幅油缸控制部分工作过程：开动电动机，带动油泵向系统供油；三位四通电磁换向阀 22 左边接通马达正转，带动登船梯正转，接在右边位置时，马舰船液压跳板装置设计31达反转，带动登船梯反转，处在中间位置时，马达停转，登船梯定位不动；三位四通电磁换向阀 19 左边接通时，油缸活塞前伸带动登船梯下降，右边接通时，油缸活塞收缩带动登船梯上升，处在中间时，为浮动状态，此种设计是为防止海上风浪影响油缸压力而采用的，起安全保护作用。二位四通阀 25,起切换电动和手动作用，接在左边时，为电动，接在右边时为手动，接手动时，阀 27、28 的作用跟阀 22 的作用一样，不过是改电动为手动，这样就更多了一层保障，防止断电情况下登船梯不能用的情况发生。 (2)主回转控制部分本设备转动惯量极大，比例换向阀 22 主要用于起停时较好的缓冲，当然也包括调节主回转的速度。所有油马达的两边油路均设置高压安全阀，防止爆管，均设置单向阀，防止吸空。驱动油马达两边均设置平衡阀，防止较小外力引起转动。5 5 CATIACATIA 有限元分析方法有限元分析方法5.15.1 有限元分析方法简介有限元分析方法简介 有限单元法（Finite Element Method, FEM）是一种以计算机为手段，通过离散化将研究对象换成一个与原来结构相似的当量模型，再经过一系列规范化的步骤以求解应力，应变和位移等参数的数值计算方法。它是一种通用的近似计算方法，也是解决工程实际32问题的强有力的数值计算工具之一。目前，FEM 在航天，机械，汽车，铁路，船舶，建筑，地质矿产，水利水电，石油化工，生物医学以及科学研究等领域得到非常广泛的应用，并越来越受到业界的高度重视。 有限元分析方法的一般过程如图所示。图 5.1 有限元分析的一般过程根据上述有限元分析的一般过程，在实际应用中主要有两种结局方案：编写程序和应用有限元分析软件。对于工科类学生而言，大多以应用工程软件为主。其优点是，学生通过使用软件，可以比较容易地解决一般的工程实际问题。175.25.2 进行有限元分析的目地和意义进行有限元分析的目地和意义有限元分析可以比较直观的看出在零件在受力状态下的变形，应力集中位置，结构设计是否合理。通过先进的软件，可以在虚拟状态下可以看出零件在载荷下的状态，不经过加工，设计的可靠性得到提高。经分析后再进行加工，可以节省材料和时间，提高效率。通过有限元分析能够进一步扩展我对 CATIA 和 UG 这两种软件的深层次使用，为今后的学习和工作打下坚实的基础。同时，我通过对压紧油缸的活塞杆的受力变形情况进行分析，其他零件的分析以及部件的分析，以达到了解液压活塞杆在工作的时候具体内部应力分布和变形情况，为对其进行优化设计作好铺垫。5.35.3 活塞杆的受力变形情况进行分析活塞杆的受力变形情况进行分析5.3.15.3.1 分析步骤分析步骤 (1)创建实体在 CATIA 软件中创建活塞杆实体，要根据设计图纸将三维实体绘制出，注意必须将舰船液压跳板装置设计33倒角、圆角、退刀槽绘制出来，因这些地方一般应力较为集中。 (2)附加材料活塞杆材料为 45 钢，材料的性能参数包括：45#弹性模量取 E=210 GPa 抗拉强度取600Mpa 屈服强度取 355Mpa。 (3)网格划分对活塞杆进行网格划分，实质就是进行有限元划分。理论上划分的越密越好，CATIA 软件分析时最小网格为 0.1mm，计算机的运行能力也有要求，网格越细密，内存耗用量大。下图是网格划分结果，密度为 15mm。图 5.2 有限元网格划分 (4)施加载荷压紧油缸在推进时主要承受压力，可以简化为一端固定，一端自由的压杆。在一端加支撑，另一端施加垂直于端面的约束力 16Mpa 的力。如图所示：34图 5.3 施加载荷 (5)分析结算包括应力图和变形图应力图：图 5.4 应力分布图从图中我们不难发现，在轴径变化处应力集中，应力值大。18 (6)结果分析经过 CATIA 有限元分析可知，当将活塞杆简化为一端固定，一端施加载荷的压杆模型后，卡键槽等处为危险截面，最大应力处应力为=280Mpa，符合要求。 MPa100舰船液压跳板装置设计356 6 结论与展望结论与展望6.16.1 结论结论此次毕业设计的研究主要是解决原来登船梯在工作