1、本科毕业论文（20 届）船体分段对中合拢液压控制系统设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要国防科工委在 2006 年 9 月 7 日发布了船舶工业中长期发展规划（20062015） ，力争到 2015 年使我国成为世界最主要的造船大国和强国。我国造船业经过多年的努力和发展，已经成为世界第三大造船国，世界船舶市场份额呈现由日韩向中国转移的趋势。但与日韩等造船强国的技术差距还不小，尤其在造船工业法上远不及韩国造船企业。韩国实施的是环型总段建造法，总段巨型化（约 3000T） ，而我国造船工业较先进的造船厂总段不到 100
2、0T，同时与总段建造法相配合的流水生产工艺、工法、设备还很落后。尽管在船台或船坞出现了与先进的造船工法相配套的重型平板运输车、高空作业车和船尾液压工作平台等先进工装设备，但分（总）段合拢方法还是沿用传统方法。因此在这种情况下，研制出专门用于船台上船体分段合拢、满足分段合拢所需要的精确定位功能的自动化设备是必要的，它可以释放吊车、解放人力，而且有助于缩短船台周期和提高船舶建造质量。本文主要借助于计算机辅助设计，对船体分段合拢设备进行研究，对同步合拢小车进行功能分解，分为上部移船定位模块和下部支撑结构模块分别进行分析研究。上部移船定位模块设计中，主要研究主顶升装置的传动形式和油缸型号的选择，副油缸
3、的布置和数据分析计算，主顶升油缸与下部支撑结构的连接方式，以及液压统统的设计和电控系统的设计。下部支撑结构设计中，主要研究小车的控制系统的设计。关键词：船体分段、合拢设备、液压控制系统、电控系统本科生毕业论文IIAbstractState commission of Science and Technology for National Defense Industry announced the Long-term Development Plan for Ship industry(2006-2015) on Sep 7th, striving to make China be the m
4、ain ship powerful nation in the world by the end of 2015.After years of efforts and development in ship building industry, China has become the third biggest ship building industry in the world, world shipping market share appears a trend which diverts from Japan and Korea to China. But the technolo
5、gy gap between China and some ship powerful nation such as Japan and Korea is big, especially in ship building industry we are far below Korean ship building enterprises. Korea is using a curricular block method of hull construction, block giantism (nearly 3000T), however advanced ship buiding facto
6、ry blocks of Chinas ship industry are less than 1000T, meanwhile the industrial art and method and equipments of flowline production go with the block method of hull construction are still very laggard. Though heavy plate truck, high task vehicle and stern hydraulic work platform which compatible to
7、 the advanced machinery and tooling also appear in shipways or docks, but subsection (block) foldness is still using the traditional methodTherefore under the situation like this, develops specially uses on the berth the body section closing up, satisfying the pinpointing function automatic equipmen
8、t which the partition closes up needs is necessary, it may release the crane, the liberation manpower, moreover is helpful in the reduction berth period and improves the ships construction quality. This article mainly draws support the computer-aided design, closes up the equipment to the body secti
9、on to conduct the research, closes up the car upside to the synchronization to carry on the function to decompose, divides into moves to the ship localization module and lower part the structural support module conducts the analytical study separately. Upside moves to the ship localization module de
10、sign, mainly studies the transmission form which and the cylinder model choice the host goes against rises to install, the vice-cylinders arrangement and the data analysis computation, the host goes against rises the cylinder and lower part the structural support connection mode, as well as hydrauli
11、c pressure design and electrically controlled systems design entirely. Lower part in the structural support design, mainly studies cars control systems design. Keywords：ship block、 assembly devices、Hydraulic control system 、Electronic control system 目 录本科生毕业论文III第 1 章 绪论 .11.1 国内外研究现状与发展趋势 .11.1.1 船
12、舶建造发展史 .11.1.2 船分段合拢设备的技术现状和特点 .21.2 课题研究工作及论文主要内容 .3第 2 章 船体分段合拢设备方案设计 .42.1 船体分段合拢概述 .42.2 船体分段合拢设备方案设计 .42.2.1 设备主要技术要求 .52.3.1 分段合拢工艺流程 .52.3.2 无轨式合拢设备方案 .72.4 对中测量方式 .7第 3 章 分段合拢设备执行系统设计 .93.1 设备技术要求 .93.2 顶升设备的选择 .93.2.1 顶升油缸的选择 .93.2.2 主顶升油缸结构 .103.3 顶升油缸底部设计 .113.3.1 底座结构设计 .113.3.2 滚珠强度校核 .
13、123.4 副油缸的计算 .133.5 船体分段的支撑 .14第 4 章 分段合拢设备液压控制系统设计 .164.1 液压控制系统设计 .164.3 主顶升液压缸的设计 .194.3.1 液压缸结构的选择 .194.3.2 缸筒材料的选择 .204.3.3 缸筒内径计算 .214.3.4 缸筒壁厚计算 .214.3.5 缸筒壁厚验算 .214.3.6 缸盖厚度的计算 .22本科生毕业论文IV4.3.7 活塞的计算 .224.3.8 活塞杆的计算 .254.3.9 最小导向长度的确定 .264.4 副液压缸的设计 .264.4.1 液压缸结构的选择 .274.4.2 缸筒材料的选择 .274.4
14、.3 缸筒内径计算 .274.4.4 缸筒壁厚计算 .274.4.5 缸筒壁厚验算 .274.4.6 缸盖厚度的计算 .274.4.7 活塞的计算 .274.4.8 活塞杆的计算 .284.4.9 最小导向长度的确定 .28第 5 章 分段合拢设备电控系统设计 .295.1 电控系统设计 .295.2P 编写 PLC 梯形图和指令表 .30未来展望 .32结束语 .33【参考文献】 .34本科生毕业论文1第 1 章 绪论1.1 国内外研究现状与发展趋势1.1.1 船舶建造发展史船舶是指能航行或停泊于水域进行运输或作业工具，按不同的使用要求而具有不同的技术性能、装备和结构型式。船舶在国防、国民经
15、济和海洋开发等方面都占有十分重要的地位。船舶从史前刳木为舟起，经历了独木舟和木板船时代，1879 年世界上第一艘钢船问世后，又开始了以钢船为主的时代。船舶的推进也由 19 世纪的依靠人力、畜力和风力(即撑篙、划桨、摇橹、拉纤和风帆)发展到使用机器驱动。从2003年起，全球海运运力需求高涨，船舶供不应求，推动了世界造船业迅猛发展，造船大国低成本扩张，发展中国家趁机大力发展船舶工业。对外贸易的迅速增长，也为船舶工业提供了较好的发展机遇，我国船舶工业有望成为最具国际竞争力的产业之一。当前，世界船舶工业正在加速向劳动力、资本丰富和工业基础雄厚的区域转移。但是，长期以来，造船行业以手工劳动为主，大大降低
16、了劳动力使用率，造船成本也高居不下。成本高、船体载重小、设计能力落后仍将是制约船舶行业发展的主要瓶颈。图1.1 中国近年来的造船情况 万载重吨在市场竞争激烈，信息化时代，追求高速度、高质量的造船技术已成为造船行业的重中之重。由此引发了造船技术的改革。现 代 造 船 模 式 是 对 先 进 造 船 企 业 造 船 理 论 和 实 践 的 总 结 ， 表 面 上 看 并 不 复 杂 ， 学 习 和采 用 现 代 造 船 模 式 应 该 不 需 要 花 费 太 长 时 间 ， 但 事 实 恰 恰 相 反 ， 我 国 造 船 十 几 年 的 转 模 不尽 如 人 意 。 韩 国 造 船 业 起 步 比
17、 我 国 还 晚 ， 如 今 其 效 率 和 水 平 已 可 与 日 本 一 比 高 下 。 我 国 造船 转 模 之 所 以 步 履 艰 难 ， 重 要 原 因 之 一 是 企 业 缺 乏 转 模 的 动 力 和 紧 迫 感 。 不 论 企 业 是 否 在形 式 上 按 照 现 代 企 业 制 度 的 要 求 设 立 了 董 事 会 、 监 事 会 ， 作 为 国 有 独 资 或 绝 对 控 股 企 业 ，企 业 的 生 产 经 营 和 管 理 体 制 并 没 有 根 本 上 的 突 破 。 这 种 管 理 体 制 带 来 的 最 大 问 题 一 是 对 人力 资 源 缺 乏 有 效 的 管
18、 理 ， 二 是 企 业 内 部 形 成 了 阻 碍 变 革 的 层 层 阻 力 。 归 纳 起 来 ， 影 响 转 模的 因 素 来 自 三 个 方 面 ： 一 是 来 自 企 业 外 部 环 境 ； 二 是 来 自 企 业 内 部 ， 由 于 出 资 人 不 到 位 ，本科生毕业论文2导 致 企 业 在 管 理 机 制 上 存 在 严 重 缺 陷 ； 三 是 科 学 有 效 的 转 模 方 法 和 技 术 支 持 。 要 改 变 这一 状 况 ， 就 必 须 从 这 三 个 层 面 入 手 。 其中围绕缩短造船周期，主要是要推行分段总组造船法，发展单元组装、预栖装和模块化技术，发展精度造船
19、和先进涂装技术，加强船台(坞)总装工艺方法研究。1.1.2 船分段合拢设备的技术现状和特点船舶的建造一般采取按分段、总段的建造方法,然后将它们移到船台合拢位置,进行空间姿态调整,在船台合拢成型。目前船体分段或总段的顶举、平移、调整和合拢,大多采取人工操作,费时费力,而且精度低,存在安全隐患,不能满足舰船总段模块化建造合拢对船舶能力和对中精度的要求。传统的船台小车能沿着固定的轨道运动，只有一个顶升油缸，只能在高度方向和船长方向上调整分段。这种方式存在效率不高，依赖于操作者个人已有的经验的缺点。此外还有利用单(多)台平板车驮运分段进行调整合拢的，不过这种方式目前国内还没有应用，国外技术比较成熟。如
20、图1.2示。图 1.2 多台平板车进行航母艏总段合拢为了提高造船效率，缩短船台周期，国内外相关机构都在研究船台分(总) 段合拢设备。目前船台自动合拢小车主要有两种形式:整体式(图 1.3 和分体式(图 1.4)图 1.3 整体式合拢设备本科生毕业论文3图 1.4 分体式合拢设备目前国内多所高校和研究机构在这方面进行研究工作，主要有中科院自动化研究所、渤海重工、上海交通大学、北京航空航天大学、大连理工大学、华中科技大学和 712 研究所等。上述机构在整体式合拢设备中都有所突破。分体式的设备，目前国内主要是 HIMEN 液压在进行相关的开发和销售，国内若干船厂采用了其设备。1.2 课题研究工作及论
21、文主要内容本文主要工作是采用自动化控制液压系统顶起分段船体，并利用红外线对中技术定位，运用分体有轨式结构对分段船体进行对中合拢。以下是本文各章的内容摘要：第 1 章绪论，简要说明课题研究的意义和目的，并对目前船体分（总）段合拢技术以及船体分段合拢的技术现状进行简述。第 2 章船体分段合拢设备方案设计，主要说明分段船体合拢设备的方案选择，比较了有轨式合拢设备和无轨式合拢设备的优劣，确定本文采用有轨式合拢设备。第 3 章分段合拢设备执行系统设计，主要讨论主顶升油缸和副油缸的计算和选择。第 4 章分段合拢设备液压控制系统设计，主要设计设备的液压系统，确定各液压元件的型号和性能。第 5 章分段合拢设备
22、电控系统设计，主要对 PLC 控制小车的行走和液压缸油量的设计。本科生毕业论文4第 2 章 船体分段合拢设备方案设计2.1 船体分段合拢概述由各种零、部件组装而成的船体局部结构称为船体分段。船体外型是普遍的流线型,只有船中附近的趋于平坦。把一船体分成若干分段后,根据其内部结构特点,有些分段的外板曲度大,结构比较复杂称为非平面分段或曲面分段; 而有些分段外型是近似于平直或平直,结构简单有序,称为平面分段。平面分段至少有一个面完全平直。而船体分段根据其所在船体的结构位置不同而可分为舷侧分段、甲板分段、上层建筑分段、舱壁分段、底部分段等。船体分段划分的基本原则是保证船体强度分割的合理性;原材料利用率
23、最大化;起重设备能力利用率最大化;施工工艺的合理可操作性和施工生产的均衡性等。对于每个船厂而言,根据其实际情况的不同, 在遵循以上的基本原则的前体下,还要考虑很多方面的原因,最主要的是根据生产工艺和船厂的起运设备的吊运能力来划分船体分段, 有时候还要考虑船台、场地、道路、桥梁承重等多方面因素。船舶建造有很多方式, 如岛式建造法、串联建造法、总段建造法和塔式建造法等。总段建造法船台装焊工作量少, 工作条件好, 有利于缩短船台的使用周期。分段总组建造法是现代造船模式要求全面推广的建造模式。因此对船厂而言,要优化结合总装造船作业的主流程, 增加其重量，减少分段总组的数量,从而结合企业的实际情况,有选
24、择地发展浮船坞造船、平地造船、船坞快速搭载、巨型总段建造等新技术,对船台核心资源的利用率最大限度地发挥。分段总组建造法是现在大部分的船厂都在积极地推行的, 在要求尽量增大总段重量下减少分段数量。为了加快造船的速度,近年来国外的一些造船厂开始应用巨型总段建造法, 进行大合拢分段的重量已提高至2000t3000t。零件加工、部件、装配、分段装配、分段组合、船台合拢是船体建造是的五个作业阶段。在船台装配合拢作业中,工作量最大的是底部分段装配定位,一般占船台上主船体装配工作量的40%50%。但是由于船体分段结构形式的多样性和复杂性, 船体分段合拢设备并不能适用所有的分段, 其适用范围为带有平直或曲度较
25、小底部的总段, 以及平直的或是底部外板曲度较小的船底分段。手工操作是传统的底部分段的船台定位方法，且繁重而落后, 底部分段的船体高度位置主要依靠安放在墩位上的油压千斤顶进行调节。船底与船台表面之间的距离仅1.2m1.6m,作业往往是在人不能直立的条件下进行,工效低、工时多、劳动繁重，而且手工操作的装备数量多、重量大。而船体分段合拢设备, 其主要作用是在船台装配时完成待定位分段相对于基准分段在空间位置、姿态的定位和调整,改变以往船台合拢作业长期占用吊机、依靠工人手工操作状态,提高船台装配合拢的质量和效率,缩短船台周期。船体分段合拢设备应该结合船厂的具体生产工艺去设计、使用, 它的使用与待合拢的分
26、段的重量有很大关系。整体式设备其最大承载能力已经限定, 而分体式设备的单台承重能力是确定的。因此可以同时控制多台船体分段合拢设备去完成巨型分段在船台的装配,但这对分段合拢设备的控制有很高的要求。2.2船体分段合拢设备方案设计船体分段合拢设备主要是应用于船台上船体分段合拢作业时待合拢分段在空间上位姿的调整定位,采用分体式结构形式。整个系统由执行系统、液压控制系统、电控系统组成,按照本科生毕业论文5其功能可以分解为上部的移船定位模块和下部的结构支撑模块。船体分(总)段在船台合拢时,待合拢分段与基准分段的准确定位由位置调整和姿态调整来实现。位置调整是指分(总)段在空间三个维度上(X,Y,Z方向)的平
27、移运动,姿态调整则指分段绕空间坐标轴的旋转。在姿态调整的同时,会伴随产生一定的位置变化。船体分段合拢过程中,对于分段的定位精度,一般要求为2mm，外高桥船厂要求达到lmm,各个船厂对精度控制的实际需求要根据具体情况而定。在船高方向布置一个主油缸, 在船宽方向布置一个副油缸, 利用电控系统精确控制每个油缸油量的变化量, 从而实现船体分段合拢过程待合拢分段的位姿调整。上部移船定位模块依靠下部的结构支撑,下部支撑结构一般可分为有轨式和无轨式。其中有轨式具有在船台轨道上行走功能;无轨式放置位置比较灵活,作业时直接与地面接触,可用叉车或吊车运输,也可选择自带动力行走。2.2.1设备主要技术要求任何机械设
28、备的研发都是以满足客户为前提。造船机械设备是供船舶建造生产使用的，因此必须满足船舶建造工艺的要求。设备功能应尽量完善，特别是设计新产品，必须在原有产品的基础上不断加以改善，以保持和提高产品在技术上的先进性。首先设备必须能够有效地执行预期的功能要求，这包括执行功能的可行性和可靠性两个方面，其次是要满足经济性要求，再者要满足劳动保护的要求。广船国际较早进行数字化造船研究的企业，其生产模式较为先进，大力推行分段总组造船技术来缩短船舶在船台的建造周期。“小分段，大总段”是该厂船体分段的建造方针。截止2005年数据，广船国际的合拢生产流水线中，按照其自身的能力，其船体分段重量能做到80t100t。近年来，该厂成批量建造的灵便型液货船(如成品油轮)的吨30000t40000t，以1艘38500t成品油轮为例，其分段重量分布见表2-1表2-1广船38500t成品油轮分段重量分布表分段总数 176分段重量 分段数量 占分段总数比例10t一下 14 8%10t30t 27 15%30t80t 126 72%80t以上 9 5%从表2-1可以较清楚地知道大部分分段分布在30t80t之间2.3有轨式合拢设备方案设计2.3.1分段合拢工艺流程任何一种工艺设备都要和企业的工艺流程相匹配。以下是运用有轨式合拢设备进行船台上船体分段合拢作业的操作流程:
