1、本科毕业论文（20 届）30 方浮式抓斗起重机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 摘要浮式抓斗起重机是疏浚设备中的一种。近年来，伴随着大型疏浚工程的增加，大型疏浚装备快速发展，抓斗式挖泥船作为疏浚业的关键设备技术装备快速增加，大型抓斗式挖泥船市场需求量巨大。现在，我国专业制造抓斗式挖泥船的厂家甚少，而且都是以生产小型抓斗挖泥船为主，大型的抓斗式挖泥船都是依靠进口。并且国产的挖泥船自动化程度不高、能耗大、效益差、噪音污染严重。从国外引进的大型抓斗挖泥船，大约有 50%是超期服役，设备陈旧老化严重，不能满足国内日益发展的疏浚市场的
2、需求。为了改变国内抓斗浮式起重机的这一现象，为了满足民族需要，为了抢占国内市场，就有了本课题。本课题的研究是研发抓斗起重机的控制系统，以达到起重机的高效自动化，节能环保的目的。在本课题中的起升机构、抓斗开闭机构、变幅机构和回转机构都是采用了液压控制系统，之所以采用液压控制系统是由于液压控制系统的单位功率重量轻，力矩-惯量比大，负载的刚度大，精度高，并且最主要的是其快速性好、响应快。本课题的第二章对浮式抓斗起重机的各个机构的液压控制系统进行了设计和分析。对于液压系统的驱动力，来源于搭载于起重机上的两台柴油机，一台供应抓斗开闭机构和起升机构，另一台供应变幅机构和回转机构；柴油机驱动液压系统中的液压
3、泵来给液压马达和液压缸供能。在自动化控制系统方面，采用了现在流行的可编程控制器（PLC）来控制系统的自动化。PLC 具有可靠性高（被誉为“不会损坏的仪表” ） 、控制程序可变，具有良好的柔性、功能强，性能价格比高、体积小，重量轻，能耗低等特点。用 PLC 控制起升机构的起升，抓斗开闭机构的开闭，变幅机构的变幅，回转机构的回转，并能控制各机构之间的协调，达到工作效率的最大化。并有编码器来协调 PLC，更好的控制各个机构的位移、速度或角度。关键词：浮式抓斗起重机；液压控制；PLC；编码器本科生毕业论文IIAbstractFloating grab crane is a kind of dredgi
4、ng equipment. In recent years, with the increase in large-scale dredging projects and the rapid development of large-scale dredging equipments, grab dredgers are increasing as a key equipment for the dredging industry. Large grab dredgers have a huge market demand. Nowadays, our manufacturing grab d
5、redger factories are rarely. And mainly the production is small . Large grab dredger is to rely on imports. At the same time, domestic dredging is not high degree of automation, energy consumption, poor efficiency, and the noise pollution is serious. The large grab dredger from abroad are of extende
6、d service about 50%. The serious equipment obsolescence can not meet the growing domestic market demand for dredging. In order to change the domestic grab floating crane of this phenomenon , to meet national needs and to seize the domestic market, so I write this paper .Research of this subject is t
7、o develop the control system of grab crane, in order to achieve highly efficient automated cranes and also save the energy. In this article ,the hoisting mechanism, grab opening and closing mechanism, slewing are all based on the hydraulic control system. The reason why use the hydraulic control sys
8、tem is because its power unit weight, torque - great inertia ratio, Load stiffness, high precision. And the most important thing is its good speed , fast response. Chapter II of this issue is about the system design and analysis of floating grab crane on the various agencies of the hydraulic control
9、 . The driving force for the hydraulic system comes equipped with two diesel engines on the crane. One is to supply grab opening and closing mechanism and hoisting mechanism. The other one is supply luffing and slewing. Diesel engine drive the hydraulic pump in hydraulic system to the hydraulic moto
10、rs and hydraulic cylinders for energy. In the automation control systems, we use the popular programmable logic controller (PLC) to control the system automation. PLC have the features of high reliability (known as the “will not damage the instrument“), variable control program, good flexibility， st
11、rong function, high cost performance , small , light weight and low energy consumption. Using the PLC to control with the hoisting mechanism of lifting, grab opening and closing mechanism for opening and closing, luffing luffing mechanism, rotary rotary bodies. And control the coordination between a
12、gencies to maximize the efficiency . And have encoder to coordinate the PLC to control the displacement, velocity or angle .Key words : Floating grab crane, Hydraulic control, PLC , Encoder本科生毕业论文III目 录第 1 章 绪论 11.1 课题背景 11.2 挖泥船的分类及简介 11.3 挖泥船的发展特点 41.4 论文研究的目的 4第 2 章 各机构的液压控制系统 62.1 液压控制原理与组成 62.1
13、.1 液压控制原理 62.1.2 液压控制系统的组成及其作用 62.2 液压控制系统的优缺点 72.3 起升机构的液压控制系统 82.4 变幅机构的液压控制系统 102.5 回转机构的液压控制系统 12第 3 章控制系统中的编码器 153.1 旋转编码器的介绍 153.2 旋转编码器的工作原理 153.3 编码器的选型和安装 18第 4 章各机构中的 PLC 控制 214.1 可编程控制器硬件构成 214.2 可编程控制的特点 214.3 可编程控制器的工作原理 224.4 各系统可编程控制的实现 234.4.1 系统的控制要求 244.4.2PLC 型号的选择与应用 24本科生毕业论文IV总
14、结 27致谢 28参考文献 29本科生毕业论文1第 1 章 绪论1.1 课题背景我国是一个江河和湖泊众多，内河水系很发达，内河航道总量里程约为 12000km，还拥有 6000 多个岛屿、18000km 的大陆海岸线和 14000km 的岛屿岸线的国家，这些都为我国的经济发展以及水利、水运建设提供了有利条件，也为我国的疏浚行业提供巨大的市场。我国江河湖泊众多，清淤整治的任务繁重，据有关文件记载，长江流域 40 年累积的淤积泥沙有50 亿 m3，每年新增江湖泥砂淤积量 8 亿 m3、 ，而国内现有的 3 亿 m3 疏浚能力是远远不能满足要求，且现有的 1000 艘挖泥船中将近半数的超龄船有待更新
15、 1。我国是一个疏浚大国，但还远远不是一个疏浚强国，面对国内外巨大的疏浚市场，我国的疏浚装备和技术与发达国家相比还是存在着相当的差距，这在很大程度上制约了我国疏浚产业的快速发展 2。面对这种局面，我国必须根据本国的情况，制定在疏浚产业上超常规发展的总体战略。即：瞄准当今世界最先进的疏浚技术水平，实行引进先进技术，装备和提高我国研发创新能力的两条腿走路的方针，在学习、引进国外先进技术的同时，坚持不懈地致力于提高国家自主研究开发能力。适当选择国内有实力的研究机构和企业，组建产业集团，与国际知名的相关企业组成强强联合的实体，针对国际、国内市场需求开发大型化、自动化、集约化的世界顶尖产品，以市场换技术
16、，培植国内的自主创新能力，实现跨越式发展，从而占领国内外疏浚产业市场 1。由于我国抓斗挖泥船制造业起步较晚，投入也不足，抓斗挖泥船制造水平一直得不到快速提高，我国造船企业几乎不能建造技术含量高的大型抓斗挖泥船，只能建造小型的、技术含量不高的抓斗挖泥船。目前，国内大型抓斗挖泥船基本都是从国外买的。而抓斗式挖泥船的技术复杂性主要体现在抓斗机系统方面。挖泥船制造厂商都特别注重抓斗挖泥机具的专项开发研究，与美、日等工程机械强国相比，我国在这方面的差距尤为突出。主要表现在几个方面：一是设计能力跟不上。我国挖泥船抓斗机在设计和建造上多年来相对较弱。国内设备及液压部件普遍重量偏重，尺寸偏大，使用性能欠佳。二
17、是制造水平落后。在主要仪表及液压部件等配套装备制造工艺、周期方面有较大的差距。多年来仅限于制造小型的抓斗机，而大型的尤其是超大型的抓斗机主要依赖进口。三是在产品寿命、可靠性以及产品自动化程度上，跟国外差距明显。因此，必须通过技术创新予以解决。1.2 挖泥船的分类及简介目前挖泥船主要有绞吸式挖泥船（斗轮式挖泥船） 、耙吸式挖泥船、链斗式挖泥船、抓斗式挖泥船、铲扬式挖泥船等 3 4。绞吸式挖泥船（如图 1.1）是 80 年代后期才进入我国的，是一种比较先进的挖泥设备。其装有泥泵和吸泥的装置，它利用转动着的绞刀绞松土壤，与水混合成泥浆，通过泥泵的作用，泥浆经吸泥管吸入泵体并经排泥管输送至排泥区。其多
18、用于吹填工程，适宜于开挖沙质土、淤泥等土质较松的河底，采用有齿绞刀的挖泥船也可挖较硬的砂石粘土。并且多在内河、湖区和沿海港口施工。本科生毕业论文2图 1.1 绞吸式挖泥船耙吸式挖泥船（如图 1.2）是一种自航式、带泥舱、一边航行一边挖泥的吸扬式挖泥船。挖泥时将耙吸管下放到河底，利用泥泵的真空作用，通过耙头和吸泥管自河底吸取泥浆进入泥舱中，泥舱装载后，起耙航行至排泥区开启泥门卸泥。有的挖泥船还可以将装载于泥舱的泥土自行吸出进行吹填。由于耙吸式挖泥船船只大，抗风浪能力强；单船作业,辅助设备少，又是在行进中挖泥，对周围航行的船舶影响小；调动灵活，现代的耙吸式挖泥船在船舶水线下安装有横向推进器，掉头也
19、方便，所以非常适合在狭长的航道和一定面积的港池中挖泥。另外泥耙的吊缆附设有波浪补偿装置，所以可在风浪大的外海施工。有的耙吸式挖泥船还可以装有吹泥上陆地的设备，将泥舱内的泥浆用高压水稀释后，从舱底吸口吸入，通过泥泵，将泥浆排至甲板上的排泥管或快速接头，以此与岸上管线接通后，吹泥上陆，充当绞吸式挖泥船使用。图 1.2 耙吸式挖泥船链斗式挖泥船（如图 1.3）是利用上下鼓轮转动带动链接板使一系列泥斗连续运动而自水底挖掘泥土。按排泥设备和方式不同，可分为三种：泥驳链斗式、泥泵链斗式和高架卸泥链斗式。其中泥驳链斗式挖泥船为最常见。链斗式挖泥船对土质的适应能力较强，可挖除岩石以外的各种泥土，且挖掘能力强，
20、挖槽截面规则，误差极小，最适用港口码头泊位。本科生毕业论文3图 1.3 链斗式挖泥船铲扬式挖泥船（如图 1.4）是一种非自航的单斗式挖泥船，它可以将大部分功率集中在一个铲斗上，进行切削挖掘。它利用吊杆及斗柄将铲斗伸入水中，推压斗柄，拉紧钢缆是铲斗切入水底进行挖掘，然后由绞车牵引钢缆将铲斗吊离水面至适当高度，由旋回装置转至卸泥处或泥驳上，拉开斗底门卸泥，如此循环作业。其斗一般情况下会配有不同容量的铲斗，以适应不同性质的土壤；其适宜开挖粘土、砂石、卵石和水下爆破的石块等，并可用于清理围堰及其他水下障碍物等。图 1.4 铲扬式挖泥船抓斗式挖泥船（如图 1.5）是我国疏浚历史上最早应用、最早引进的一种
21、挖泥船，它起源于欧洲。最早是在清光绪八年，政府出资购置的一艘小型挖泥船，用于疏浚黄浦江，但由于此船的功率较小，后又购置了一艘一起开辟了内河用机动挖泥船疏浚航道的先河。抓斗式挖泥船是利用旋转式挖泥船的吊杆和钢索来悬挂泥斗，在抓斗本身的重量作用下，放入海底抓取泥土；然后开启斗索绞车，吊斗索即通过吊杆顶端的滑轮，将抓斗关闭，升起，再转动挖泥船到预定点将泥卸掉，然后又回到挖掘起点。它适用于开挖淤泥、砂石、卵石和粘土等，但是不适合开挖细砂和粉砂土。本科生毕业论文4图 1.5 抓斗式挖泥船1.3 挖泥船的发展特点中船集团公司七 O 八所的船舶与海洋工程设计部副主任费龙认为，上世纪 90 年代以后建造的挖泥
22、船与这之前建造的挖泥船相比有了明显变化，呈现出四大特点 5。最明显的变化就是疏浚设备的大型化。目前世界上一些主要疏浚公司把大中型绞吸挖泥船（斗轮挖泥船） 、耙吸挖泥船作为挖泥船队的主要组成部分，以追求最大利润率。据不完全统计，1994 年至 2004 年得十年间，世界上大型、超大型耙吸挖泥船猛增 26 艘，新增舱容 42万立方米，这是之前 20 年新增大耙船舱容积的两倍多；天津航道局投资 65 亿人民币建造的挖泥船“通旭”号已经投入使用，舱容 13000 立方米的自航耙吸挖泥船是目前国内北方最大的耙吸式挖泥船，其挖掘深度达到 45 米，吹岸距离可达到 4000 米，具有无限航区，配备了当前国际
23、最先进的智能挖泥系统，施工过程可通过驾驶室遥控实现。第二就是采用了复合驱动方式。之前制造的挖泥船泥泵大都由单独的柴油机带动，船航行时，泥泵不工作；这时虽然船舶的功率较大，但是不能充分的利用。现在的大型耙吸式挖泥船大部分都是采用复合驱动系统，不管在什么工况下，装机功率都可以得到最大的利用，大大提高了生产效率，工程的进度也可以得到保证。比方说一艘大型耙吸船原来采用的是独立驱动方式时，其航速在 14 节左右，但是在采用复合驱动方式后，在装机功率不变的情况下此船舶的航速可以达到 18 节。另外，采用复合驱动方式也可以使船舶的管理简便，维护更加方便，因此受到了广大用户的欢迎。第三就是自动控制集成化程度提
24、高，使施工过程控制更加精确，大大提高了船舶的工作效率，降低了工作人员的劳动强度。由于疏浚作业时取土过程在水下，所以其操作过程不可见。随着自动控制集成化程度的提高，大型耙吸挖泥船的控制室不再都是按钮，都是有电脑控制，主要的运行状况比如柴油机的运行参数、耙头的位置等都可以通过计算机显示屏看到。智能化程度提高后，操作员只要在 PC 前轻轻点击鼠标就行了，控制室也只需要配备一名操作员。第四个特点就是挖泥船配套设备模块化、小型化。现在挖泥船上的许多设备不再像以前一样都是大型设备了，它们的体积都大大缩小，重量也大大减轻，维修过程也更加的简便，从而使整艘挖泥船的重量减轻，效率和效益更加提高了。1.4 论文研
25、究的目的由于我国的抓斗挖泥船制造业起步较晚，投入也不足，抓斗挖泥船制造水平一直得不到快速提高，我国造船企业几乎不能建造技术含量高的大型抓斗挖泥船，只能建造小型的、技术含量不高的抓斗挖泥船。目前，我国的大型抓斗挖泥船基本上都是从国外买进的；并且都本科生毕业论文5是二手抓斗机，以日本制造的 SKK（四国建机）品牌为多。这些引进的二手抓斗机，大约 50%都是超期服役，设备陈旧老化严重，不能满足日益发展的疏浚市场的需求。目前起重机的配套件是关键问题，这已成为生产大型起重机和扩大出口的瓶颈。由于液压泵、阀、马达、高端传动部件、发动机、高强度钢材，基本上依靠进口，不但价格高，而且供货时间长制约了大型起重机的研发和生产，并给企业带来了风险 6。中国现在正在实行“十二五”计划，发展海上也是其中的一个。并且中国的抓斗挖泥船厂不多，只能建造小型的抓斗挖泥船，在大型方面并没有。本研究课题正是抓住了这一时机，发展我国的大型抓斗挖泥船，从抓斗起重机的设计到控制系统的设计。本课题的研究是为了更好的控制抓斗机，使其更加智能化，是操作者的操作更加简便。
