1、毕业设计论文第1页共1页目次1引言111绞车概述212海洋测量专用的液压绞车413论述设计问题614本课题的研究内容715UNIGRAPHICSNX3072绞车的结构设计821设备组成822技术条件823钢丝绳直径的计算与选择824绞车主要设计参数计算分析14242绞车排绳器设计16243绞车钢丝绳安全系数校核1725卷筒结构的选择1726尺寸的确定1727传动机构的确定1828各部分材料的选择183绞车的虚拟设计1831虚拟设计简介1832绞车的虚拟设计19321绞车虚拟设计的建模1933虚拟装配29331虚拟装配设计的过程30332绞车的虚拟装配设计3035本章小结364运动仿真分析374
2、1UG运动仿真模块介绍3742UG运动仿真模块的基本概念37421机构的组成37422机构自由度的计算3843绞车的运动仿真分析3844小结435总结43参考文献43毕业设计论文第1页共46页1引言“21世纪是海洋的世纪”，海洋领域的争夺出现控制海上交通线、争夺海洋资源、海洋权益争端的多元化趋势。认识、开发、利用海洋的关键是海洋科技的发展。海洋科技是当今世界三大尖端科技之一，海洋高科技的发展已成为体现一个国家综合国力和当代科技发展水平的重要特征。如今，世界各国在海洋上的竞争比历史上任何时期都要激烈，而这个竞争实质上就是高新技术的竞争、比拼。美国、日本、俄罗斯、法国、英国等许多国家都把海洋开发定
3、为基本国策，竞相制定海洋科技开发规划、战略计划，优先发展深海高新技术，以加快本国海洋开发的进程、力度。20世纪50年代以后，人类开发利用海洋的步伐加快，海洋产业逐步增多，目前海洋产业已经成为包括20多个产业门类的产业群。海洋经济已经成为世界经济的重要新增长点。在油气的勘探有调查方面，全球获得的重大油气发现中，有一半来自海上，特别是深水区域。当水深在500米1500米时，世界油气田的平均储量规模随水深而大幅增加，深水油气田的平均产量规模明显高于浅水油气田。深水区域以其丰富的资源潜力，吸引了众多石油公司的“眼球”，具有雄厚资金、技术实力以及管理经验的大型跨国石油公司成为深水勘探开发的主力军。目前，
4、BP、埃克森美孚、壳牌等全球十大石油公司拥有20032007年世界深水油气开发产量的73。BP预计，到2012年，BP将有一半的油田发展项目来自深水领域，其作业深度将达到2500米3000米，甚至更深,勘探深度进入深海。我国深海勘探技术发展迅速差距明显，进入新世纪以来，我国经济一直呈现高速增长态势，对石油天然气的需求强劲，开发海上石油天然气资源，更好地服务于国民经济发展，已经成为国家石油公司的重要责任。但与此同时，技术生产要素的缺乏，一定程度上制约了国家石油公司进军海洋油气资源领域的步伐。对于海洋勘探开发技术的研发工作方向，应本着立足国内、面向世界的原则。一是大力发展海洋油气地质勘探技术，完善
5、海洋油气勘探理论；二是加快海洋地球物理勘探技术的发展；四是发展深水开发工程技术。借助于当今的计算机技术，在试制前进行绞车的虚拟设计和仿真分析，并根据分析的结果不断优化和改进，直至设计出满意的产品，不仅可以大大地缩短绞车的研究开发时间，降低开发成本，而且可以保证产品的设计质量，提高产品的市场竞争力。海洋绞车作为深海测量和勘探的重要设备，在各类海洋调查研究活动中不可缺少的，尤其需要高性能、高可靠性的强功能工作绞车。各国都在海洋设备的研制于开发上投入了大量的资金和人力，绞车作为海洋研究不可缺少的重要设备更应得到重视。本课题就是基毕业设计论文第2页共46页于这样的一种想法，以CAD/CAM/CAE集成
6、化软件UG为设计平台，进行了8000米深海测量勘探用绞车的虚拟设计和仿真分析（包括机构设计、虚拟装配和运动仿真分析），希望能为绞车设计及其它产品的设计研发人员提供一种新的设计思路,能为我国深海资源的开发与利用贡献一点绵薄之力。11绞车概述绞车是与滑车、辘轳相似的另一种机械，它在古代也被普遍应用。绞车可能起源于西晋。晋书载十六国后赵王石虎令人盗邯郸赵简王墓，因墓穴有水，故作“绞车，以牛皮囊汲之”。而从唐代开始的各种军事著作中，对它都有详细描述，成为军用必备器械之一。曾公亮在武经总要中描述“绞车，合大木为床，前建二叉手柱，上为绞车，下施四轮，皆极壮大，力可挽二千斤。”此外，在辘轳的基础上，古代人还
7、创制了另一种绞车，将一根圆轴削成同心而不同径的两部份，在其上绕以绳索，绳下加一滑轮，只需转动其轴即可将重物吊起，这种绞车又称较差式绞车，或称“中国式绞车”，如图1所示。绞车经过上百年的发展绞车的结构，传动方式，提升能力等各个方面都发发生了巨大的变化，应用也更加广泛，成为人们生产重的重要工具图1中国式绞车绞车是指用卷筒缠绕钢丝绳或链条提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称卷扬机，是起重机的一种。绞车通常由三大部分构成工作机构，金属结构，动力装置和控制系统1。钢丝绳是绞车最常用的牵引和起升绳索。在经常重载工作的情况下，为保护钢丝绳不致乱绕压伤，卷筒表面需车制螺旋形绳槽。牵引距离或起升高度很大时，卷筒
8、绕绳量大，须装有排绳机构，使钢丝绳能顺次的多层绕上卷筒。绞车按照其工作动力分为手动、电动、液压和内燃机驱动四类手动绞车的手柄回转的传动机构上装有停止器（棘轮和棘爪），可使重物保持在需毕业设计论文第3页共46页要的位置。装配或提升重物的手动绞车还应设置安全手柄和制动器。手动绞车一般用在起重量小、设施条件较差或无电源的地方。手动绞车如图2所示。图2手动绞车电动绞车广泛用于工作繁重和需牵引力较大的场所。单卷筒电动绞车的电动机经减速器带动卷筒，电动机与减速器输入之间装有制动器。为适应提升、牵引、回转等作业的需要，还有双卷筒和多卷筒装置的绞车。电动绞车如图3所示。图3电动绞车内燃机驱动的绞车，在卷筒与内
9、燃机之间装有离合器。当离合器和卷筒轴上的制动器松开后，卷筒上的绳索处于无载状态，此时绳索一端可从卷筒上自由地曳出，以缩短再次提拉物件时的挂绳时间。内燃机须在无载情况下启动，离合器能将卷筒与内燃机脱开，待启动正常后再使离合器接合而驱动卷筒。内燃机驱动的绞车常用于户外需经常移动的作业，或缺乏电源的场所。现在已很少使用。液压绞车，由液压马达驱动，具有输出功率大、低速高转矩、运动平稳等特点，是一种集机械、液压、电子技术和单片机技术为一体的海洋调查装备，安装在海毕业设计论文第4页共46页洋调查船上，用于水文等测量仪器的投放和回收。由液压绞车、液压吊杆和线长线速测试仪组成，它操作方便，工作可靠，是海洋调查
10、不可缺少的装备。如图4所示。图4水文液压绞车绞车应用比较广泛，主要应用于建筑、矿山、石油、海洋探测等行业，主要是用来提升各种重物。海洋绞车允许配合吊臂使用。绞车也可单独使用，也可作起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因操作简单、绕绳量大、移置方便而广泛应用。绞车在工作时配合吊臂提升物料，经历提升、运送、卸料的过程，有时正转有时反转。有时停止，所以它是一种间歇动作的机构。本课题主要针对当前海洋测量用液压绞车在工作中的问题，通过解决问题设计一种全新的绞车，快速、平稳的提升测量设备。12海洋测量专用的液压绞车就多数海洋调查专用绞车而言,快绳拉力不大多在1000KG以下,装机功率也不大多在30KW
11、以下,也没有列入高技术产品之列,但到目前,用户急需时,仍从国外进口,对国产绞车形成很大的压力。起初,参照国外海洋专用绞车的技术参数系列容绳量,钢电缆直径,负载,上升速度,净功率,滚筒尺寸,重量等项目来设计和检验我们自己的水文绞车。乍看负荷不大,钢缆不粗,速度不快,以为难度不大,结果,总是难如人愿,鲜有成功者,什么原因原来,与陆用起重机不同,海洋专用绞车的起重系统要经常在洋面上动荡不定的场合下工作,受浪涌的作用,在一个三维空间里不停地晃动着的状态下吊起或投放被吊物海浪,海流,海风,吊杆的俯仰等作用在被吊物上的附加力,使绞车负荷即便是在一次吊升过程中都会在很大的范围内变化,从而形成海洋专用绞车一系
12、列的特点。毕业设计论文第5页共46页图12这些按照工作环境特点形成的特殊要求,并不体现在技术参数系列表里,也常常没有体现在订货合同里,但体现在操作者使用了我们设计制作的水文绞车之后的建议里,是一种“软”参数。笔者认为,这些要求是合理的。为满足这些要求,理应纳入海洋专用绞车的检验项目,甚至应当成为验收准则。其准则内容应考虑为较大的负荷储备连续地无级调速极佳的低速性能可控的高速投放可靠的过载保护含误动作时对系统的自动保护灵便的操作程式高度的可靠性高功率重量比高效率低噪声零泄漏免维修等等具体说明如下1较大的负荷储备一次,海上风暴袭来,要迅速起吊投放物,如若吊不起来,则又必须避风离走,只好舍车保帅,剁
13、钢缆弃设备,这就是由于没有足够的负荷储备造成的巨大损失。所以,至多以最大负荷的5060来设计额定负荷为宜,最高不超过65,验收时则应按最大负荷进行检验。液压绞车可以做到既满足上述要求又保持额定功率不变。2连续地无级调速绞车转速从OVMAX或者相反,能不间断地连续地变化,同时,起重量不受影响,功率损失不大,表现在系统不发热。3极佳的低速性能被吊物起吊时速度从0开始、似动不动、微动、慢动、到低速上升,或者作相反的运动过程,就是说在上述靠近0速为起点或终点的低速区段,必须是能连续地光滑地变化,而且是可控的,不得有抖动、爬行、突跳等现象。所谓“举重若轻”,“极佳的低速性能”描述的就是这个过程。对于被吊
14、物是贵重的怕磕碰的海洋仪器,绞车有这种性能就尤为必要。液压技术满足这个要求,过去常用的办法是高速液压马达配减速器驱动绞车滚筒,人们为了简化结构,去掉减速器,近来用低速大扭矩LSHT液压马达直接驱动绞车滚筒,这时,LSHT马达的低速品质便成为决定性的因素,应当特别注意筛选、考察和检验。毕业设计论文第6页共46页4可控的高速投放操作者经常没有耐心等待用与提升相同的反向速度向海中投放,充分利用流体的阻力与水中物体运动速度的平方成正比的特点,在到达指定深度前,使投放物在水中自由下落,近似高速下降状态,但到达投放点必须是可知的,可控的。用常规的方法做到这一点,有繁度,没有难度,而且,还节能。这个功能,海
15、洋专用绞车应当具备,但现在少有或者没有这种功能。5可靠的过载保护电动绞车的过载保护,实际只保护不因超载而损坏电机。这里的过载保护,是整个起重系统不因超载而损坏,包括不因误动作造成损坏的保护，保护实验仪器更为重要。所以,应当从全系统全过程的安全保护出发,来设计安全措施。6灵便的操作程式绞车滚筒有正反向转动和刹车停止三种运动状态,而转动速度又必须是要可调的。人性化的操作方式，符合人们工作习惯的操作方式可以在紧急状况下有效的控制绞车，避免错误操作。7高度的可靠性由于工作环境是在海洋上,并且一般海洋调查时多为连续工作,所以,要求绞车在出海期间无故障,保证工作顺利。再则,海况变化非常快,有时工作期间,遇
16、上恶劣海况时,必须迅速将调查仪器吊回船上,这样,就要求绞车随时都能准确无误地工作。传动链越短,机构越简单,故障机率就越低,越可靠。这也是主张去掉减速器,用LSHT液压马达直接驱动绞车滚筒的一个重要原因。8高功率重量比同样性能和功率的绞车,重量越轻越好。所以,重量指标常常是设计制作水平的综合表现,理应列入考核的指标。液压传动最大的特点是功率密度高,比如液压马达的重量只是同等功率电动机重量的1020,这也是液压绞车终将取代电动绞车的原因之一。9高效率、低噪声、零泄漏、免维修这几点的考虑是必备的,想提高液压系统的效率,必须从减少能量损失入手,如果回路设计、安装合理,元件选配得当,是可以收到令人满意效
17、果的。因此,效率指标应当列入考核范围。所谓“零泄漏”是指液压系统在一段相当长的时期比如一两年或一个大修期内经过频繁使用,仍点滴不漏。这项技术要求难度大,但是,如果制作者、使用者都认真遵守操作规程的话,是能做到的。一台液压绞车做到结构简单,高可靠,零泄漏,自然就可以“免维修”常规润滑清洁工作不免,亦即免除了意外事故,可以放心使用。13论述设计问题毕业设计论文第7页共46页深海绞车是海洋测量的重要设备，对测量工作的影响非常大。由于绳缆长度大质量大，线缆受力也很大，排缆器受线缆作用至使排缆不均，导致线缆缠结，卷筒无法正常工作，造成放线精度差，线缆放线长度突然变化，可能会对精密的海洋探测仪器造成损坏、
18、影响测量工作。此外，设计深海绞车时，线缆总长度的增加导致线缆总质量增加，卷筒载荷过大，传统解决方法增加卷筒体积、增加卷筒壁厚，造成绞车体积质量增大，占用船体有限空间，虽改进排缆器结构但排缆器仍然是深海绞车的脆弱环节14本课题的研究内容针对深海绞车受体积、载荷和自身质量的的限制，将单卷筒绞车分离为提升绞车和缠绕绞车两部分，再大量增加线缆长度和减小绞车尺寸、质量的同时，有效地解决卷筒载荷和排缆问题，并简化排缆器结构增加绞车的适应性和效率。具体工作如下1分析当前海洋测量专用绞车的工作原理，解决当前绞车派来不均的问题；2设计绞车的储缆、排缆和牵引三个结构，实现快速平稳牵引和排缆；3结合UG进行结构设计
19、和模型建立4结合UG进行绞车的运动分析。15UNIGRAPHICSNX30本课题应用的UNIGRAPHICS软件是一种在许多世界级大企业中被广泛应用的计算机辅助三维设计（CAD）的高端主流软件，它功能强大，模块丰富，外延性好，适合于在航天、航空、汽车、通用械、医疗器械、日用轻工等领域里，在从创意，到设计，到分析，直到制造的全过程中，实现任意复杂零件、部件直到整机的虚拟开发。它的基础工作就是先建立每个零件的主模型，该主模型可以是参数全相关的，也可以是部分相关的。它虽然只是一个虚拟的数学模型，但是，却具有一个实实在在的物体所具有的一切物理属性，因此，可以对它进行体积、面积、重心、转动惯量、各断面惯
20、性矩等物理量的精确计算，可以测量一个复杂装配中两个零件之间的最小距离，也可以通过虚拟装配和运动仿真，对装配中的运动构件的运动学和动力学特性进行定量的分析，当设计成熟后，还可以利用零件的数学模型，借助于计算机辅助数控编程模块，生成加工相关模具所需的多至五轴的数控加工程序。同时，它也可生成传统意义上的工程图。当您的零件主模型采用的是参数全相关的设计时，凡是对零件主模型实施的改动，均会自动地在对应的工程图上和相关的装配中体现出来2。毕业设计论文第8页共46页UG是一套集CAD/CAM/CAE于一体的三维参数化软件，具有强大的建模、分析和加工功能。其建模技术结合了传统建模和参数化建模的优点，采用尺寸驱
21、动技术，具有全相关的参数化功能，是一种复合建模工具。利用UG的建模功能，设计工程师可快速进行概念设计和详细设计，交互建立和编辑各种复杂的零件模型。根据已建立的三维零件模型，UG的各种应用即可以对模型进行装配操作、创建二维工程视图；也可以对模型进行机构运动学、动力学分析和有限元分析，进行设计评估和优化。当今，UNIGRAPHICS已被广泛应用于概念设计、工业设计、机械设计以及工程仿真和数字化制造等各个领域。功能强大的UG主要依赖于其中大量的功能模块,如CAD模块、CAE模块、CAM模块、钣金模块以及管道与布线模块等等。其中CAE模块中的UG/机构UG/SCENARIOFORMOTION嵌入求解器
22、ADAMS/KINEMATICS可以对二维和三维机构进行复杂的运动学、动力学分析及设计仿真,分析产品的临界位置、反作用力、速度及加速度。UG在设计、分析和制造领域所拥有的强大功能,为工程师提供了一个虚拟的产品开发环境3。2绞车的结构设计21设备组成8000米海洋测量绞车安装在调查船上与单臂吊架配合完成仪器设备的投放和回收作业。绞车部分主要由卷筒、排绳器、压缆器、手制动器、液压马达等组成。由于采用集中液压泵站，在绞车上只装有液压马达和换向阀，所以液压绞车只需提供所需供油最大流量和液压系统最大压力。绞车的结构设计包括卷筒、排缆器、压缆器等。22技术条件A绞车容8000M，；B牵引载荷2000KGC
23、最大载荷2800KGD最大收放绳速度1M/S。23钢丝绳直径的计算与选择根据最大起升载荷计算钢丝绳直径，用以确定焊接卷筒壁厚。毕业设计论文第9页共46页（1）钢丝绳钢丝绳是其起重机械的重要零件之一，在起升机构和变幅机构重用做承载绳，在运行机构和回转机构中用作牵引绳。（2）钢丝绳的分类钢丝绳按捻向可分为左捻和右捻。钢丝绳根据绳股与绳的捻向，可分为交捻绳和顺捻绳。也就是由丝捻成股的方向和由股捻成绳的方向若相反，则称为交捻绳；要由丝捻成股和由股捻成绳的方向相同则成为顺捻绳。交捻绳的特点是钢丝绳不会松散，吊起物品不会转动，但是当钢丝都一样粗细时，钢丝间为点接触，因此钢丝绳寿命短些。顺捻绳的特点是，当单
24、根绳起吊物品时，物品会向钢丝绳松散方向转动。但钢丝绳寿命会长些。根据钢丝接触状态可分为点接触、线接触和面接触。由于绳股内各层钢丝直径相同，但各层螺距不等，所以钢丝互相交叉，形成点接触，在工作中接触应力很高，钢丝易磨损折断。优点是制造工艺简单。绳股内钢丝粗细不同，将细钢丝置于粗钢丝的沟槽内，粗细钢丝间呈线接触状态。由于线接触绳接触应力较小，钢丝绳寿命长，同时挠性增加。由于线接触钢丝绳较为密实，所以相同直径的钢丝绳，线接触绳破断拉力大些。绳股内钢丝直径相同，同向捻钢丝绳也属于线接触绳。线接触钢丝绳有瓦林吞（W）型和西尔（X）型以及填充（T）型等。X型钢丝绳也称外粗式，股内外层钢丝粗，内层钢丝细。这
25、种钢丝绳的优点是是耐磨。W型钢丝绳也称粗细式，股内外层钢丝粗细不等，细丝置于粗丝之间。这种钢丝具有较好的挠性。T型钢丝绳的内外层钢丝之间填充较细的钢丝。这种钢丝绳内部磨损小，抗挤压，耐疲劳，但挠性稍差。面接触绳采用异形断面钢丝，钢丝间呈面状接触。其优点是破断拉力大，耐磨。（3）钢丝绳的选择根据机构工作类型，使用要求，选取适合的安全系数，然后用下式计算钢丝绳应有的破断拉力S破NSMAX式中S破钢丝绳破断拉力；N钢丝绳最小安全系数，见表8SMAX钢丝绳最大工作静拉力。毕业设计论文第10页共46页若钢丝绳表中给出整条绳的破断拉力时，可以从表中直接选择。当表中只提供钢丝破断拉力总和S丝时，按下式计算整
26、条绳的破断拉力。S丝S丝式中折减系数，对绳637，082；对绳619，085；S丝钢丝绳规格表中提供的钢丝破断拉力总和。选择一条破断拉力稍大一些的钢丝绳即可。S丝NSMAXS丝MAXNS再根据钢丝破断拉力总和，选择一条钢丝绳。表1最小安全系数N值表钢丝绳用途N起升和变幅用手动4050机动轻级中级55重级、特重级60抓斗用双绳抓斗（双电动机分别驱动）60双绳抓斗（单电动机集中驱动）50抓斗滑轮拉紧用经常用35临时用30小车曳引道（轨道水平）40（4）钢丝绳直径按最大工作静压力计算DCMAXSMM式中D钢丝绳最小直径，MM；C选择系数；SMAX钢丝绳最大工作静压力，N。选择系数由下式计算毕业设计论
27、文第11页共46页C4TNK式中N安全系数；钢丝绳充满系数，046钢丝断面积之总和绳横断面积；K钢丝绳捻制折减系数，K082085；T钢丝公称抗拉强度，N/MM2。选择系数C值也可根据安全系数、机构工作级别从表9中选用。表2选择系数C和安全系数N表机构工作级别C值安全系数N钢丝公称抗拉强度T，N/MM2155017001850M1M30093008900854M400990095009145M50104010000965M60114010901066M70123011801137M80140013401289（5）钢丝绳的报废钢丝绳的断丝数在一个捻节距内达到表1510规定的数时，则应报废。钢丝
28、绳的捻节距就是任一条钢丝绳股环轴线绕一周的轴向距离。图21钢丝绳节距的测量毕业设计论文第12页共46页表3的钢丝绳的报废标准，也可以理解为一条钢丝绳的报废标准是在一个捻节距内断丝数达钢丝绳总丝数的10。如绳619114丝，当断丝数达12丝即应报废更新；绳637222丝，当断丝数达22丝即应报废更新。对于复合型的钢丝绳中的钢丝，断丝数计算是细丝一根算一丝，粗丝一根算17丝。表3钢丝绳报废时的断丝数断钢丝丝安数绳全量系数钢丝绳结构（GB110274）绳6W（19）绳637绳619一个节距中的断丝数交互捻同向捻交互捻同向捻小于61262211671472613大于71683015钢丝径向磨损或腐蚀量
29、超过原直径的40应报废。当不到40时，可按丧表11折减数报废。吊运赤热金属或危险晶的钢丝绳，报废断丝数取通用起重机用钢丝绳报废断丝数的一半，其中包括钢丝表面磨损或腐蚀折减。钢丝绳直径减少达公称直径的7，应报废。表4折减系数表（6）钢丝绳的安全检验钢丝绳检验的主要依据是国际标准ISO430981，也可以参考美国标准ANSIB304等规定。标准可分为日常检验、定期检验和特殊检验。日常检验就是日检；定期检验，根据装置形式、使用率、环境以及上次检验的结果，可确定月检还是年检。钢丝绳有很突出的变化或遇台风和地震，以及停用一个月以上的起重机，则进行特殊检验。表4是钢丝绳的检钢丝表面磨损或锈蚀量101520
30、253040大于40折减系数85757060500毕业设计论文第13页共46页验部位表。表5是钢丝绳的检验项目表表5钢丝绳的检验项目表项目日常检验定期和特殊检验项目日常检验定期和特殊检验断丝磨损腐蚀变形电弧及火烤涂油状态末端固定状态卷筒与滑轮处（7）钢丝绳连接的安全要求常用的连接方式是编结绳套。绳套套入心形环上，然后末端用钢丝扎紧，而捆扎长度15D绳（绳径），同时不应小于300MM。当两条钢丝绳对接时，用编结法编结长度也不应小于15D绳,并且不得小于300MM，强度不得小于钢丝绳破断拉力的75。另种方式是钢丝绳卡。绳卡数目与绳径有关，绳径为716MM应按3个绳卡；927MM应按4个；2837M
31、M应按5个；3845MM应按6个。绳卡间距不得小于钢丝绳直径的6倍。连接时，绳卡压板应在钢丝绳长头，即受力端。连接强度不应低于钢丝绳破断拉力的85。用锥形套浇铸法连接时，连接强度应达到钢丝绳的破断拉力。用铝合金套压缩法连接时，连接强度应达到钢丝绳破断拉力的100。任何情况下，钢丝绳在卷筒上，都必须留有不少于23围的安全圈。为避免打结，松散，在从钢丝绳卷绳木滚上取绳时，应使木滚支在架子上把绳拉直展开然后按需要截取。钢丝绳的维护应做到以下几点1钢丝绳应防止损伤、腐蚀或其他物理条件造成的性能降低。2钢丝绳开卷时，应防上打结或扭曲。3钢丝绳切断时，应有防止绳股散开的措施。4钢丝绳要保持良好的润滑状态，
32、所有润滑剂应符合绳的要求。5钢丝绳应每天检查，包括对端部的固定连接及平衡处，并作出安全判断4。毕业设计论文第14页共46页24绞车主要设计参数计算分析241绞车基本参数计算（1）钢丝绳受力复杂，内部应力难以计算，设计规范规定可按钢丝绳在工作状态下的最大经拉力计算，其公式为DCSD钢丝绳最小直径，单位MM；S钢丝绳最大工作静拉力，单位NC选择系数，它的取值与机构工作级别和钢丝绳抗拉强度有关C0093S28000ND1556MM取D16MM选取圆股钢丝绳619W镀锌纤维芯钢丝绳钢丝绳近似重量9213KG/100M抗拉强度1470MP钢丝绳最小破断拉力124KN8000M钢缆重736T（2）卷筒直径
33、计算摩擦卷筒壁厚A16MM根据经验摩擦卷筒单层缠绕钢缆圈数不得小于5圈，取15圈摩擦卷筒直径1DDED3060ED4016640MM取标准1D630MM宽B310MM缠绕卷筒2D480MM标准2D500MM宽B1120MM卷筒每层绕钢丝绳长度SISID2N1DB/DN为层数，D为钢丝绳直径。毕业设计论文第15页共46页S1113416S2120450S3127484S4135517S5141550S6148580S7155517S8162650S9169680S10176720S1183750S12190786S13197820S14204850S1521189S1621892S1722595
34、S18232890S19240021S20240055S21254089S22261112S23268156S24275190S25282223S26289257S27296290S28303324S2931036S30317390S31324425S3233146S33338490S34345526S3535256S36359590S1S358155559MD351524MM轮缘D1700MM（3）绞车所受力矩摩擦卷筒2DMFF为卷筒所受拉力最大拉力FMAX绳端负荷放出绳重2800736010160KGMMAX063/2101601032004NM缠绕卷筒2DMFF最小破断拉力02124KN
35、0022480N经计算第1层至第35层，最大力矩发生在第18层M50016218/（21000）2480133424N（4）转速摩擦卷筒V1M/SVWRR630/2315MMN30RAD/MIN毕业设计论文第16页共46页缠绕卷筒N37RAD/MIN（5）功率PFV摩擦卷筒PMAX1016KW缠绕卷筒PMAX14KW242绞车排绳器设计采用双向导向丝杠进行排缆缠绕卷筒与排缆器丝杠转速比为35螺距P5637手动制动器强度校核该制动器为带式手动螺杆制动器，制动轮为钢质，制动带为石棉树脂材料。制动带的最大拉力3MAX1012EDMESM为卷筒承受最大转动力矩M32004NM，D为制动轮直径D470M
36、M，为摩擦系数40为摩擦带的包角2705965140EE3MAX2320046591062246470559SN校核摩擦面比压P2MAXPDBSPMPA279095470662242根据对应材料查得P0294MPA。钢带拉伸应力校核钢带材料1CR18NI9TI，其220/21MMKG，2/53MMKGB许用拉应力N20毕业设计论文第17页共46页由于屈强比390532120B，故取N12所以2/5172121MMKG钢带拉伸应力MAXMDBSM为钢带横截面螺钉数M2，D为螺钉直径，/6525290688242MMKG，满足强度要求243绞车钢丝绳安全系数校核钢丝绳规格为16MM，8000M重7
37、360KG，破断拉力为12400KG。钢丝绳最大拉力FMAX绳端负荷绳重安全系数MAX12400177160FNF破根据船舶专业标准GB312882水文绞车的要求，钢丝绳破断拉力不小15倍最大拉力，因此满足标准要求。25卷筒结构的选择卷筒是绞车重要的部件之一。大型绞车的卷筒一般采用焊接卷筒,因其自重比铸造卷筒轻,且随卷筒直径的增加,减轻效果更加显著。多年来,对于绞车的焊接卷筒壁厚一直由经验公式确定,即取卷筒的壁厚H约等于钢丝绳直径D,然后根据需要进行强度和稳定性校核。随着吊升机械的不断大型化和高速化,相应地钢丝绳的直径D有增大的趋势,故而在设计卷筒时卷筒壁厚H也大。由于H的增大,要卷成卷筒的钢
38、板的抗弯强度增大了,这给钢板的加工、焊接带来了很大的困难。因此,卷筒壁厚应该减薄。即采用焊接卷筒5。26尺寸的确定根据机绞车墨擦卷筒和缠绕卷筒的直径，可定出绞车的基本尺寸，摩擦卷筒轮缘直径为670MM，缠绕卷筒轮缘直径1700MM，以确定外形尺寸。毕业设计论文第18页共46页根据操作扭矩为32004NM，根据转矩确定各传动轴直径，进而确定各轴承尺寸及轴承的配合方式。由此，绞车的主要尺寸就确定下来了，以后建模就依据这些尺寸，各零部件的详细尺寸及公差参见工程图纸。27传动机构的确定摩擦卷筒是提升装置的主要部件，其传动和机构形式影响着整个系统的负荷能力、可靠性和效率。绞车传统的机械传动方式是由驱动装
39、置传递给驱动轴，由驱动轴带动整个卷筒转动，由于转矩较大，大输出功率的卷筒轴必然直径很大，影响整套设备的质量，因此本设备采用支撑轴支撑卷筒和驱动轴驱动卷筒，驱动轴由渐开线花键与筒身连接，增加输出转矩并减小质量。28各部分材料的选择在选择绞车材料时，对于那些在工作介质内部的零部件，不仅要像一般零件的选材那样，要考虑材料的强度、硬度、刚度等力学性能，因为在海上作业还要考虑材料的耐蚀性能和热学性等对海洋绞车使用寿命的影响6。3绞车的虚拟设计31虚拟设计简介虚拟设计（VIRTUALDESIGN）就是以“虚拟现实”（VIRTUALREALITY）技术为基础，以机械产品为对象的设计手段7。借助这样的设计手段
40、设计人员可以通过多种传感器与多维的信息环境进行自然的交互，实现从定性和定量的综合集成环境中得到感性和理性的认识，从而帮助深化概念和萌发新意。虚拟设计是一种新兴的多学科研成果交叉技术。它涉及多方面的学科研成果与专业技术，通过以虚拟现实技术为基础，以机械产品为对象，把设计人员从传统的感器与多维的信息环境进行交互，同时利用这项技术也可以大大地减少实物模型和样品的制造8。人们对虚拟现实技术在机械产品设计方面的应用进行广泛的探讨研究后发现，这项技术（虚拟设计）对缩短产品开发周期，节省制造成本有着重要的意义。当今在不少大公司的产品设计中都采用了这项先进技术，例如通用汽车公司、波音公司、奔驰公司、福特汽车公
41、司等。随着科技日新月异的高速成发展，虚拟设计在产品的概念设计、装配设计、人机工程学等方面必将发挥更加重大的作用。例如美国波音公司毕业设计论文第19页共46页777飞机的虚拟原形机，就利用虚拟产品设计对该产品进行全数字化三维描述，实现了产品设计的虚拟油泥模型和无纸工程等，这个模型可为产品开发不同的阶段和设计原则提供参考。同时，虚拟产品设计在造船等其他新产品开发方面也得到了成功的应用。另外，虚拟产品设计与其它设计过程进行数字连接，可实现新产品开发过程的集成，使并行工程（CONCURRENTENGINEERING）得到充分体现与实施。从而缩短开发时间，降低开发成本，发挥设计人员的创造性潜能9。虚拟设
42、计按照配置的档次可分为两大类一种是基于PC机的廉价设计系统；另一种是基于工作站的高档产品开发设计系统。虽然是两种系统，但它们的工作原理是基本相同的。首先看一下PC机系统，它的优势主要在于价格低廉，对小型虚拟设计系统的开发非常适宜，并且它的用户广泛，所以具有良好的市场前景。随着PC机性能的迅速提高，越来越多的问题完全可以利用PC机解决，但是由于目前PC机的发展仍不够完善，很难胜任大型复杂产品的虚拟设计，因此对于这些复杂产品的虚拟设计系统，高档的工作站仍是不可取代的硬件平台39。进行虚拟设计时，首先要在计算机中生成虚拟模型，即建立零件或产品的数学模型。通过这个虚拟模型，我们可以做很多工作10。（1
43、）进行多方案对比，从中选出最佳方案；（2）设计者通过虚拟模型可以进行虚拟装配，以检查各零部件尺寸以及可装配性，即时修改错误；（3）通过虚拟模型，可以进行虚拟试验和分析，而不用再去做更多的实物试验。这样，既节省了时间又节约了费用。在虚拟的设计制造过程中，体现了并行工作的思想，在产品设计的早期，它的下游应用部门（如工艺部门、加工部门、分析部门等）就已经介入设计阶段，所以设计过程是一个可反馈、修改的过程。设计中所建立虚拟模型要能够支持模型的实时修改，系统能自动刷新模型，以满足设计要求。由此，这种设计过程不必等产品全部设计完才进行下游工作，而是在产品初步设计后，就可以进行方案评审，并不断修改设计，直到
44、达到设计要求11。32绞车的虚拟设计对于本设计的绞车来说，由于并不是很复杂，一般的PC机系统即可胜任。本人就是在安装有UGNX30的普通酷睿2个人电脑上来完成绞车各个零部件的三维建模、虚拟装配和仿真分析的，因此虚拟设计对于资金并不是很雄厚的小型企业同样具有应用价值。321绞车虚拟设计的建模毕业设计论文第20页共46页绞车是由若干零件组成的,因此,在运动机构动态仿真前要先作有关零件的实体建模。在UG的插入菜单下,可选择的各种图形设计工具主要有草图、曲线、实体建模、曲面造型、钣金等。对于形状不很规则的零部件，可先在草图状态下绘制出平面图形,然后利用用图层控制组织零件实体,结合拉延等方法将平面图形转
45、为三维零件实体12。（1）提升绞车的设计过程与建模摩擦卷筒是绞车提升装置的主体，由卷筒作为设计的开始根据基本参数绘制卷筒模型运用UG实体建模的草图绘制功能绘制草图，经过旋转生成卷筒实体，通过扫描和布尔运算生成绳槽（如图341图342）图31摩擦卷筒实体图32扫描操作在摩擦卷筒的结构基础上设计内部支撑及连接结构，设计要求结构紧凑使卷筒具有较高的力学性能运用UG的草图功能绘制草图，进一步确定相关结构的尺寸（如图343）。图33卷筒及支撑件草图卷筒上的焊接部件，其连接和支撑作用，端法兰焊接在卷筒上（如图344）。毕业设计论文第21页共46页图34端法兰图35支架图345支架焊接在卷筒上，用以支撑和连
46、接支撑轴。支撑轴通过轴承与底座连接对滚筒起支撑作用（如图36）图36毕业设计论文第22页共46页由于齿圈是易损部件，考虑到更换的需要，将齿圈固定在卷筒支架上，保证了维修和结构的安全可靠。图37为固定齿圈的支架，此支架通过法兰连接在卷筒上。图37提升绞车的传动部分由渐开线花键轴和渐开线齿圈构成，渐开线花键的造型是设计的难点，先在草图上进行曲线参数化造型，一个齿拉伸为实体然后环形阵列。如图38、图39图38图39轮缘保证钢缆不脱离卷筒发生危险，并起到加强卷筒强度的作用。如图310。毕业设计论文第23页共46页图310底座，起到支撑作用。图311图312压缆器，为保证线缆工作中始终与卷筒紧密接触。图
47、313棘轮是停止器的一种，它防止系统逆转和支持重物不动的装置。它有三种主要功能1）支持作用；2止逆作用；3）允许机构单方向自由远动逆方向限速运动即超越离合作用。本机构在逆向运动时棘爪的运动继电器控制13。毕业设计论文第24页共46页图314棘轮图315棘爪11轴承，通过UG进行参数化设计，同类型轴承不用重新造型，只需改变尺寸驱动。（如图3419）图316双列角接触球轴承图317双列角接触球轴承外圈毕业设计论文第25页共46页图318双列圆锥滚子轴承图319卷筒内部支撑及齿圈部件安装图320棘轮、渐开线花键轴的部件安装毕业设计论文第26页共46页图321提升卷筒的装配模型图（2）缠绕绞车的设计过
48、程与建模缠绕绞车的基本设计步骤和方法与提升绞车的相似，不同的是缠绕绞车的卷筒的功能与提升绞车不同。驱动结构仍采用传统的方式，轴与卷筒由平键连接。由于功能差异，缠绕卷筒需设置线缆的固定装置，将线缆引入卷筒内部固定，不会影响线缆的缠绕和排缆。如图所示为线缆的引入孔，为了保证线缆的使用寿命，边缘倒圆角。图322丝杠帮助排缆器完成排缆功能，其精度直接影响排缆精度。因为排缆器的运动是连续的，为简化机构采用双向导向丝刚，省去换向机构。如图3414图323毕业设计论文第27页共46页排缆器是缠绕绞车的重要功能部件，排缆器由滑块和导向轮组成，滑块通过圆柱滚子连接丝杠导向槽，为滚动摩擦，有效提升使用寿命和排缆精
49、度。滑块由内六角螺栓固定在排缆器上。图324滑块图325内六角螺栓图326排缆器图327排缆器与丝杠的装配毕业设计论文第28页共46页采用提升与缠绕功能分离方案使得排缆器上受外力很小可以，一台小功率电机就可以提供足够的驱动。由齿轮传输动力。图328为齿轮模型图329缠绕卷筒轮缘要承受8000米钢缆的侧面挤压力。焊接加强筋。图330卷筒内部焊接支架，传递主轴动力。如图3431图331毕业设计论文第29页共46页图332缠绕卷筒内部结构图333缠绕卷筒总体装配小结在绞车零部件的建模中采用的是三维实体建模。它是目前应用最多的种技术，它在运动学分析、物理特性计算、装配干涉检验、有限元分析方而都已成为不可缺少的工具。实体建模生成物体的方法有体素法、轮廓扫描法（二维平面封闭轮廓在空间平移或旋转形成实体）、参数化建模、基于参数化的特征建模等。在绞车的虚拟设计中主要采用基于参数化的特征建模方法，以方便在后续的设计中对绞车零、部件的修改及分析。33虚拟装配虚拟
