船舶起重機(jī)設(shè)計

摘 要船舶起重機(jī)是船上的一種大甲板機(jī)械，液壓船舶起重機(jī)是船舶上普遍使用的一種裝卸設(shè)備。主要結(jié)構(gòu)包括吊臂，塔身和基座幾個部分。本文首先介紹了船舶起重機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和特點。重點對船舶起重機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。驅(qū)動系統(tǒng)采用了液壓驅(qū)動，它工作平穩(wěn)，換向沖擊小，操作輕便，工作可靠，使用壽命長?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)支承實現(xiàn)。關(guān)鍵詞:船舶起重機(jī)； 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；液壓系統(tǒng)Abstract The ship crane is a big ship deck machinery,hydraulic pressure vessel cranes is widely used on ships of a kind of loading and unloading heavy equipment.The main structure includes the lazy arm, the tower body and base several parts. This paper introduces the overall structure and characteristics of the crane.Focus on the main agency and ship crane driving system design.The design of hydraulic driving system was adopted,It is smooth, impulsion, convenient operation, high reliability, long service life.Rotary organization adopts hydraulic motor drive erde Germany.Keywords ship crane rotation fulcrum arrangement hydraulic system目 錄第1章 緒論 1 1.1 概論 1 1.2 船舶起重機(jī)研究背景及意義 1第2章 船舶起重機(jī)結(jié)構(gòu)及性能特點 3 2.1 船舶起重機(jī)簡介 4 2.2 液壓船舶起重機(jī)的特點 4 2.3 船舶起重機(jī)主要性能及參數(shù) 5 2.4 液壓船舶起重機(jī)液壓系統(tǒng)的組成及工作原理 6第3章 船舶起重機(jī)吊臂選型與計算 7第4章 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計 9 4.1 軸承的選型分析 9 4.1.1 安裝部位 9 4.1.2 受力特點及常用軸承結(jié)構(gòu) 9 4.2 軸承的主參數(shù)設(shè)計 10 4.2.1 安全系數(shù) 10 4.2.2 主參數(shù)設(shè)計 10 4.3 材料及密封結(jié)構(gòu)的選擇 11 4.4 工況及載荷 12 4.5 回轉(zhuǎn)支撐強(qiáng)度驗算 13 4.5.1 回轉(zhuǎn)支撐聯(lián)接螺栓計算 13 4.6 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計 14 4.6.1 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的類型 14 4.6.2 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置設(shè)計 15第5章 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計及液壓元件選擇 19 5.1 液壓系統(tǒng)型式 19 5.1.1 開式和閉式系統(tǒng) 19 5.1. 2單泵和多泵系統(tǒng) 19 5.2 液壓系統(tǒng)的控制 20 5.2.1 定量節(jié)流控制系統(tǒng) 20 5.2.2 變量系統(tǒng) 20 5.3 船舶起重機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計 21 5.4 液壓缸的選擇 22 5.4.1 缸體與缸蓋連接結(jié)構(gòu) 22 5.4.2 活塞與活塞桿連接結(jié)構(gòu) 22 5.4.3 活塞桿頭部結(jié)構(gòu) 23 5.4.4 導(dǎo)向套結(jié)構(gòu) 23 5.4.5 封與防塵結(jié)構(gòu) 23 5.4.6 緩沖結(jié)構(gòu) 23 5.4.7 液壓缸的選擇 23 5.5 其他液壓元件的選擇 24 5.6 液壓系統(tǒng)性能驗算 26 5.7 液壓油的性能要求 28 5.7.1 粘度 28 5.7.2 粘度指數(shù) 28結(jié)論 30致謝 31 參考文獻(xiàn) 32附錄 33附錄 1 33附錄 2 45 34 第1章 緒論1.1概論 船舶起重機(jī)可以裝配在船舶上進(jìn)行船上的重物裝卸，因而這對于船舶上大量重物的與之相適應(yīng)的船舶配套業(yè)。要想把我國建設(shè)成為世界第一的造船大國，必須使我國成為船舶配套設(shè)備制造大國。船舶起重機(jī)運輸起著非常重要的作用。世界造船業(yè)發(fā)展經(jīng)驗表明，要發(fā)展造船業(yè)，就必須同時建設(shè)作為船舶配套設(shè)備，提高了船舶重物裝卸效率，縮短了船舶停滯時間，加快了重物流通，促進(jìn)了國際貿(mào)易和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。1.2船舶起重機(jī)研究背景及意義發(fā)展海上運輸對于加強(qiáng)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重大的現(xiàn)實意義。特別是近年來由于對外貿(mào)易的迅速發(fā)展，遠(yuǎn)洋重船載著大量物資往來于世界各國的港口，成為國際間進(jìn)行物資交流的主要工具。加入WTO后，我國與世界各國的經(jīng)濟(jì)貿(mào)易顯著加強(qiáng)。國家對外進(jìn)出口額逐年增加，其中占外貿(mào)運輸總量70%的外貿(mào)海運量以每年8%的幅度增加。由此而帶來的港口貨運吞吐量也大幅度增長，全國港口年吞吐量達(dá)10億噸以上，港口泊位1000多個，其中萬噸以上的泊位400多個。為了適應(yīng)貨運量的激增和船舶大型化對裝卸速度的迫切需要，各種起重機(jī)正向高效、大型化的方向發(fā)展。這些都導(dǎo)致起重機(jī)的尺寸不斷增大，載荷和自身重量不斷增加。為了適應(yīng)形勢發(fā)展的需要，不斷壯大遠(yuǎn)洋運輸船隊，增加船舶數(shù)量是十分必要的，但同時應(yīng)該十分注意提高裝卸重效率，以便充分發(fā)揮船舶的運輸能力和提高經(jīng)濟(jì)效益。船舶的營運周期分為兩個部分一水上航行時間和港口、碼頭停泊時間。提高運輸能力和經(jīng)濟(jì)效益的重要環(huán)節(jié)之一是縮短營運周期。因此，不僅需要提高船舶的性能和航速，以減少航行時間:還必須盡可能縮短停港時間。對于雜重船來說，停港時間主要取決于裝卸重的速度，因而運轉(zhuǎn)良好、效能高的重物裝卸設(shè)備，對于減少停港時間起著重要的作用?，F(xiàn)在航運界和造船部門都非常重視提高裝卸重的效率。為了提高重物裝卸效率，各種不同類型的船舶采用不同的具體裝卸方式。例如:煤船、礦砂船及裝運谷物等散裝重物的船舶一般均有專門的碼頭和設(shè)施，如利用輸送帶裝卸，但有時它也需要在開闊水面進(jìn)行過駁，因而這類船舶上還必須裝設(shè)各種類型的船舶起重機(jī)。干重船一目前運輸中的大多數(shù)重物仍是成箱、成袋、成捆的包裝重物，這些重物一般由干重船運輸。因此要求干重船裝設(shè)各種形式的起重機(jī)，以便進(jìn)行裝卸重工作。雖然目前港口裝卸設(shè)備大大削弱了船舶自帶起重機(jī)的重要性，但為了在缺少港口裝卸設(shè)備的條件下完成重物裝卸及開闊水面過駁的需要，煤船、礦砂船、裝運谷物的散裝重物的船舶以及干重船均裝備各種類型的起重機(jī)，其它類型的船舶出于起吊食品、備件、軟管、其他物品及起吊人員的需要也會選裝一定起吊能力和適當(dāng)工作幅度的起重機(jī)。船舶起重機(jī)的性能對提高重物裝卸效率，縮短船舶滯港時間，加快重物流通，促進(jìn)國際貿(mào)易和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有非常重要的意義。近年來航運市場持續(xù)升溫，對船舶的需求量大增，中國造船業(yè)抓住機(jī)遇，不斷擴(kuò)大國際造船市場的占有份額。按國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計，在造船完工量、承接新船定單和手持造船定單這三大造船指標(biāo)上我國2004年在國際造船市場上的份額分別占到14%, 16%, 15% 。雖然國內(nèi)造船產(chǎn)量不斷增加，但國產(chǎn)設(shè)備裝船量卻在降低，大部分造船所選用的設(shè)備為國外進(jìn)口。遼寧省做為造船大省目前有船舶配套企業(yè)50多家，為省內(nèi)造船企業(yè)的配套率不到10%，國內(nèi)配套率在59%以下出口幾乎為零。從世界范圍來看，韓國造船業(yè)中85%是本國設(shè)備制造廠商為之配套。日本船舶設(shè)備配套率更高達(dá)97%，而我國卻不足30%。船舶甲板機(jī)械更是被國外品牌所壟斷，例如起重機(jī)大多采用德國TTS和利渤海爾、日本IHI、法國BLM、瑞典赫格隆的產(chǎn)品。世界造船業(yè)的發(fā)展經(jīng)驗表明，要發(fā)展造船業(yè)，就必須同時建設(shè)與之相適應(yīng)的船舶配套業(yè)。要想把我國建設(shè)成為世界第一造船大國，必須使我國成為船舶配套設(shè)備制造大國。發(fā)展船舶配套業(yè)，能夠進(jìn)一步提高我國造船業(yè)的整體國際競爭力。我國“船舶科技跨越工程制造推進(jìn)計劃”實施中，船舶起重機(jī)作為重要的甲板設(shè)備，在國內(nèi)己經(jīng)具有一定的生產(chǎn)基礎(chǔ)，如果加快對已有引進(jìn)技術(shù)的消化、吸收和創(chuàng)新，加大自主研發(fā)投入，盡快形成自己的品牌，將極大推進(jìn)和帶動船舶配套業(yè)的發(fā)展。 第2章 船舶起重機(jī)結(jié)構(gòu)及性能特點2.1船舶起重機(jī)簡介船舶起重機(jī)根據(jù)所采用的能源和驅(qū)動方式，可分為:蒸汽起重機(jī)、電動起重機(jī)和液壓起重機(jī)。 蒸汽起重機(jī)最早應(yīng)用在船舶上。它具有良好的調(diào)速性能，啟動力矩大，工作可靠但效率低。近年來隨著蒸汽動力被內(nèi)燃機(jī)動力取代，蒸汽能源大大減少，因此蒸汽驅(qū)動的甲板機(jī)械已被淘汰。電動起重機(jī)具有運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、操作簡便、易于實現(xiàn)遙控等優(yōu)點。但是，電器元件對濕度很敏感、接觸式繼電元件經(jīng)常發(fā)生跳火花、引起燒損元件等故障;復(fù)雜的電器線路需要專門的人員進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)和經(jīng)常排除故障才能保證它處于良好的工作狀態(tài)。 液壓起重機(jī)是六十年代開始發(fā)展起來的。它具有良好的無級調(diào)速特性:工作平穩(wěn)，換向沖擊小:操作輕便;工作可靠:使用壽命長:相同輸出功率條件下，它比其它類型的起重機(jī)重量輕、體積小。 隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，液壓元件質(zhì)量的提高，以及先進(jìn)的電液比例控制液壓元件的出現(xiàn)，液壓起重機(jī)的優(yōu)越性日益明顯，目前在船舶上獲得廣泛應(yīng)用。有關(guān)部門對最近幾年新建造船舶采用的起重設(shè)備驅(qū)動方式統(tǒng)計情況為電力驅(qū)動占28%，液壓驅(qū)動占66%，其他驅(qū)動占6%。 又據(jù)有關(guān)資料表明:在回轉(zhuǎn)式起重機(jī)的生產(chǎn)中，目前電動起重機(jī)和液壓起重機(jī)的產(chǎn)量不相上下，但是液壓起重機(jī)顯示出上升趨勢。本設(shè)計的船舶起重機(jī)采用液壓起重機(jī)，其大體結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖2-1 船舶起重機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.2液壓船舶起重機(jī)的特點 與吊桿式起重機(jī)相比，船舶起重機(jī)占用甲板面積小，操作靈活，可360“回轉(zhuǎn)能為前、后艙工作，能準(zhǔn)確地把重物吊放到指定地點，裝卸效率高，并能迅速投入工作。但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，管理要求高，價格比吊桿式起重機(jī)貴得多。一般認(rèn)為船經(jīng)常到港而起重重量超過5t時，采用船舶起重機(jī)是合適的。 液壓船舶起重機(jī)是一種循環(huán)的、間歇動作的、短程搬運物料的機(jī)械。一個工作循環(huán)包括上料、運送、卸料及回到原位的過程，即取物裝置從取物地點由起升機(jī)構(gòu)把物料提起，由運行、回轉(zhuǎn)、變幅機(jī)構(gòu)把物料移位，然后在指定地點下放，接著進(jìn)行相反動作，使取物裝置回到原位，以便進(jìn)行下一次的工作循環(huán)。在兩個工作循環(huán)之間一般有短暫的停歇。起重工作時，各機(jī)構(gòu)經(jīng)常處于啟動、制動以及正向、反向等相互交替的運動狀態(tài)中。船舶起重機(jī)應(yīng)工作可靠、效率高、維護(hù)和使用容易，還應(yīng)能防水、防潮和適應(yīng)航區(qū)氣候條件。它應(yīng)滿足的基本技術(shù)要求如下。 （1）能以額定的起重速度起升額定負(fù)荷。（2）能依操作者的要求方便靈敏地起、落重物。（3）能依據(jù)起吊重輕重、空鉤或重物著地等不同情況，在較廣的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)運行速度。（4）無論在起重或落重的過程，都能根據(jù)需要隨時停止并握持重重，即能可靠地制動。2.3船舶起重機(jī)主要性能及參數(shù)船舶起重機(jī)的主要性能參數(shù)是起重機(jī)工作性能指標(biāo)，也是設(shè)計的依據(jù)，主要包括起重量、工作幅度、起重力矩、起升高度、工作速度、回轉(zhuǎn)速度等。1.額定起重量:船舶起重機(jī)額定起重量是在各種工況下安全作業(yè)所容許起吊重量的最大質(zhì)量值，包括取物裝置重量。2.工作幅度:在額定起重量下，起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心的軸線距吊鉤中心的距離。工作幅度決定起重機(jī)的工作范圍。3.起重力矩:起重機(jī)的工作幅度與相應(yīng)起重量的乘積為起重力矩，它是綜合起重量與幅度兩個因數(shù)的參數(shù)，能比較全面和確切地反映起重機(jī)的起重能力。4.起升高度:吊鉤起升到最高位置時，鉤口中心到支撐地面的距離。在標(biāo)定起重機(jī)性能參數(shù)時，通常以額定起升高度表示。額定起升高度是指滿載時吊鉤上升到最高極限位置時從鉤口中心至支撐地面的跟離。對于船舶起重機(jī)，起升高度隨幅度的減小而增加。5.工作速度:船舶起重機(jī)的工作速度主要指起升、回轉(zhuǎn)、變幅的速度。起升速度指吊鉤平穩(wěn)運動時，起吊物品的垂直位移速度;回轉(zhuǎn)速度指起重機(jī)轉(zhuǎn)臺每分鐘轉(zhuǎn)數(shù);變幅速度指變幅時，幅度從最大(最小)變到最小(最大)所用的時間。6.自重:指起重機(jī)處于工作狀態(tài)時起重機(jī)本身的全部質(zhì)量，它是評價起重機(jī)的綜合指標(biāo)，反映了起重機(jī)設(shè)計、制造和材料的技術(shù)水平。本設(shè)計的主要參數(shù)確定如下：1，最大額定起重量（噸）： 252，吊臂長（米）： 28 3，最大回轉(zhuǎn)速度(r/min)： 0.45 4，回轉(zhuǎn)范圍： 360度無限位回轉(zhuǎn)2.4液壓船舶起重機(jī)液壓系統(tǒng)的組成及工作原理 船舶起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)負(fù)荷的特點是:主要工作負(fù)荷是重力負(fù)荷。無論是在重物升起、降下或停在半空時，重力負(fù)荷始終單方向存在。故執(zhí)行元件的兩根主油管工作中始終不變地分別承受高壓和低壓，以產(chǎn)生方向不變的液壓力或扭矩與重力相抗衡。于是，起重機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)具有以下特點: (1)只有一側(cè)油路要求限壓值較高，另一側(cè)限壓值較低。 (2)必須能限制放下重物時的速度，以防重物在重力作用下快速墜落。 (3)重物停在空中時應(yīng)能可靠地鎖緊，以防其在重力作用下向下滑落。 (4)若重力負(fù)荷變動范圍較大，則需要采取功率限制措施。 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)負(fù)荷的特點是:主要工作負(fù)荷是回轉(zhuǎn)(或行走)引起的始終與運動方向相反的阻力負(fù)荷和起停時的慣性負(fù)荷。因此執(zhí)行元件兩側(cè)的油路都可能承受高壓:停止時負(fù)荷消失(只有在風(fēng)大或船傾斜時才會有額外的負(fù)荷)。慣性力與質(zhì)量和加速度成正比，方向與加速度相反。船舶起重機(jī)運動部件質(zhì)量較大時，起、停時的慣性負(fù)荷較大。這種系統(tǒng)的特點是: (1)兩側(cè)油路限壓值都同樣較高。 (2)設(shè)在固定平面上的船舶起重機(jī)一般無須限速措施，但若考慮船舶可能傾 斜，則雙側(cè)油路都需有限速措施。 (3)停止指令給出后盡量不用機(jī)械制動，以免因慣性力大而摩損太快;停后只有在有必要時(如風(fēng)大、傾斜)才采用機(jī)械制動。 (4)負(fù)荷變化不會太大，一般無須專門的功率限制措施。 第3章 船舶起重機(jī)吊臂選型與計算 吊臂是船用起重機(jī)的重要組成部分，是起重機(jī)的主要承載構(gòu)件，起重機(jī)通過吊臂直接吊載，實現(xiàn)大的作業(yè)高度與幅度。它承受著起重機(jī)的各種外載荷，耗鋼量大。隨著起重量的不斷增大，其吊臂的重量也不斷的增大。因而吊臂結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)劣，將直接影啊整機(jī)的性能，如整機(jī)重量、整機(jī)重心高度和整機(jī)穩(wěn)定性等，所以以要在保證吊臂安全工作的條件下盡量減輕吊臂的重量，這對提高整機(jī)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性具有很大的現(xiàn)實意義。因此對船用起重機(jī)吊臂進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析是非常必要的，為了減輕自重，降低制造成本，提高整機(jī)性能，吊臂采用箱形截面吊臂,吊臂材料選擇15MnTi。吊臂受力分析如下圖： 圖3-1 船舶起重機(jī)吊臂受力分析圖 吊重（Q+q)包括起吊重物重量以及吊具的重量。圖3-1中， (Q+q) 吊臂外載荷； Sw,YA,ZA外載荷作用下吊臂的支承反力； =45 =30 下面計算吊臂受力情況: =0, 式(3.1) Sw=(Q+q)Lcos/ Lsin =(Q+q)cos/sin =0, 式(3.2) ZA=(Q+q)sin+Swcos =0, 式(3.3) YA=SWsin-(Q+q)cos 由3.1式可知: SWsin=(Q+q)cos 所以求得 YA=0 由以上計算可得吊臂受軸向壓力ZA的作用。 代入數(shù)據(jù):最大起重量25噸，即（Q+q)等于25噸（Q+q)=259.8=245KN SW=2450.707/0.5=346.43KN ZA=2450.707+346-430.866=473.2KN 吊臂選用材料的許用應(yīng)力查得為=350MPa 根據(jù)強(qiáng)度條件: ZA/A 得 A ZA/ 代入相關(guān)數(shù)據(jù)計算得： A=473200N/350000000Pa =13.52 由以上分析得船舶起重機(jī)的吊臂截有效面積達(dá)到13.52才能達(dá)到起重機(jī)吊臂設(shè)計要求。 第4章 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計4.1軸承的選型分析4.1.1安裝部位 船舶起重機(jī)主要由旋轉(zhuǎn)塔身，吊臂，焊接于甲板上的固定基柱，起升、俯仰及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，液壓動力及管路系統(tǒng)，電器控制系統(tǒng)等部分組成。 船舶起重機(jī)用轉(zhuǎn)盤軸承安裝在起重機(jī)塔身底部，內(nèi)圈下端而與焊接在船甲板上的固定基柱通過螺栓連接，外圈上端而與起重機(jī)塔身通過螺栓連接船舶起重機(jī)工作時通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動回轉(zhuǎn)小齒輪與轉(zhuǎn)盤軸承內(nèi)齒圈嚙合，實現(xiàn)外圈旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)船舶起重機(jī)的正?；剞D(zhuǎn)。4.1.2受力特點及常用軸承結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)盤軸承的作用是支承船舶起重機(jī)和傳遞扭矩，主要承受軸向力與傾覆力矩。為使主機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，軸承直徑和高度與正常產(chǎn)品相比要小很多，而且不設(shè)置配重，其傾覆力矩可達(dá)到軸向力的18倍，兩者的比值基本上在14 .9到18之間。目前最常用的結(jié)構(gòu)為雙排異徑球轉(zhuǎn)盤軸承(圖4-1)和三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤軸承(圖4-2)。由于雙排異徑球軸承具有以下特點:能承受較大的傾覆力矩，較適合克令吊的工況;抗底板不平度的能力較強(qiáng)，可以彌補(bǔ)連接件的加工誤差;徑向尺寸相對較小。選擇此廣泛運用的軸承并進(jìn)行分析。 圖4-1雙排異徑球轉(zhuǎn)盤軸承 圖4-2三排圓柱滾子組合轉(zhuǎn)盤抽承4.2軸承的主參數(shù)設(shè)計4.2.1安全系數(shù) 由于軸承在工作時不經(jīng)常承受滿載荷，回轉(zhuǎn)比較平穩(wěn)，沖擊小，速度慢，取安全系數(shù)s=1.15-1.2基本可滿足軸承的使用要求。當(dāng)軸承安全系數(shù)低于推薦值時，對軸承座圈剛性的要求相應(yīng)增高，座圈的變形和傾斜會引起軸承的附加載荷，加劇軸承的早期失效。4.2.2主參數(shù)設(shè)計（1）球直徑 式中:K為鋼球直徑系數(shù)，;C為軸承外圈的寬度。 根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，總結(jié)得出鋼球直徑系數(shù)在下而的范圍內(nèi)選取。=0.250.28=0.220.24 式中:,分別為主推力和反推力鋼球的直徑系數(shù)。因此主推力和反推力鋼球的直徑分別為=(0.250.28)C=(0.220.24)C（2）球組節(jié)圓直徑 主推力球組節(jié)圓直徑 式中:為外圈安裝孔中心圓直徑;為內(nèi)圈安裝孔中心圓直徑，如圖2所示?？筛鶕?jù)內(nèi)外圈安裝孔直徑、長度的不同而進(jìn)行微量調(diào)整。反推力球組節(jié)圓直徑 （3）接觸角 由于該軸承傾覆力矩很大，受力情況惡劣，接觸角a遠(yuǎn)大于常規(guī)值，目前國內(nèi)、外均取=4590（4）鋼球數(shù)Z 式中:為球數(shù)系數(shù)。常規(guī)轉(zhuǎn)盤軸承設(shè)計中，球數(shù)系數(shù)=1.3,對高載荷軸承,減小至1.151.16，對船舶起重機(jī)轉(zhuǎn)盤軸承，在保證保持架強(qiáng)度的基礎(chǔ)上將進(jìn)一步減小，取=1.1。（5）溝曲率系數(shù) 為滿足重載要求，船舶起重機(jī)用軸承的溝曲率采用高承載法，進(jìn)行特殊設(shè)計。在設(shè)計時，考慮到軸承轉(zhuǎn)速較慢，不必考慮溫升等影響，將溝曲率系數(shù)適當(dāng)減小，提高密合度，從而提高軸承的承載能力，目前采用的溝曲率系數(shù)= 0.5150.525，且內(nèi)、外圈曲率相等。4.3材料及密封結(jié)構(gòu)的選擇目前，國內(nèi)、外均選用合金調(diào)質(zhì)鋼作為軸承套圈的材料，在正常軸承力學(xué)性能要求上，還應(yīng)滿足:齒圈調(diào)質(zhì)硬度達(dá)到260290HB。鋼球的材料為常用軸承鋼，與一般轉(zhuǎn)盤軸承沒有區(qū)別。 由于船舶起重機(jī)用轉(zhuǎn)盤軸承在工作過程中極易受到海水等外物浸蝕，為防止海水進(jìn)入導(dǎo)致軸承提前失效，軸承的密封采用雙唇橡膠密封結(jié)構(gòu)，并用不銹鋼鋼絲緊箍在內(nèi)圈上(圖4-3)，該結(jié)構(gòu)可有效防止海水的浸蝕，便于更換，密封效果可靠。 圖4-3密封結(jié)構(gòu)4.4工況及載荷回轉(zhuǎn)支承裝置承受回轉(zhuǎn)平臺上的全部載荷，作用在回轉(zhuǎn)支承裝置上的垂直力有自身重量G1和起升載荷PQ，以及相應(yīng)的沖擊或動載作用。水平力有沿著臂架方向的風(fēng)力，吹在重物上的W1，吹在起重機(jī)上的W2，回轉(zhuǎn)時的離心力和垂直于臂架平面內(nèi)的制動切向慣性力，重物的離心力P1，切向慣性力P11，起重機(jī)回轉(zhuǎn)部分自重的離心力P2，切向慣性力P22。 由于回轉(zhuǎn)部分的重心靠近回轉(zhuǎn)中心，可忽略P11、 P22的作用。在回轉(zhuǎn)支承裝置上的水平力還有回轉(zhuǎn)齒輪的嚙合力Pr，它的大小由小齒輪上所傳遞的扭矩決定，方向由小齒輪離臂架軸線水平投影位置而定。由于沿臂架變幅平面內(nèi)(Z-X平面)的力矩大，而在與臂架變幅平面垂直平面內(nèi)(Z-Y平面)的水平力和力矩較小，在合成時Z-Y平面內(nèi)的力和力矩可不考慮，把載荷合成為垂直力GP，力矩M和水平力H得： GP=KPQ+G1 M=KPQR+G1L1+W1h+W2hW H=W1+ W2 +P1Prcosr 式中K為超載系數(shù)K=0.55(1+),船舶起重機(jī)上離心力和風(fēng)力引起的力矩一般占起升載荷引起的力矩10%左右，則： M=KPQR+G1L1同時水平力H一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到10%的GP ,取H=0. 1G。則：GP=KPQ+G1 M=KPQR+G1L1 H=0.1 GP 最大計算工況為起重機(jī)受最大起重力矩工況，即：PQ=245000N，R=28m，此時G1=8000N、 L1=0.3m，把以上數(shù)據(jù)代入上式得：GP =1.2245000+8000=302000(N)M =1.224500028+80000.3=8234400(Nm)H =0.1 GP=30200(N)4.5回轉(zhuǎn)支撐強(qiáng)度驗算根據(jù)以上載荷計算和分析，初選JB2300-84系列QWC80025A雙排異徑球回轉(zhuǎn)支撐，其參數(shù)如下：鋼球直徑 d=0.025 m滾柱長度 L=0.020 m螺栓孔個數(shù) n=40內(nèi)螺栓中心圓直徑 Du=0.736 m 滾道中心圓直徑 D0 =0.8 m鋼球個數(shù) n1=296鋼球之間的隔離寬度 b=0.002 m接觸角 =800螺栓直徑 d1=0. 020 m齒數(shù) Z=118計算額定靜容量Co：座圈材料采用50Mn，滾道表面硬度HRC=166，查表得應(yīng)力系數(shù)f0=32.2公斤/毫米2 。 Co= fod2nsin=32.21070.0252296sin800=58613(kN)根據(jù)組合后的外載荷，計算當(dāng)量軸向載荷Ceq: Ceq=+(KMM/D0)+KHKM, KH:系數(shù)，其中KM=5, KH=3.44 Ceq=302000+(58234400/0.8)+3.4430200=51870(kN)由于f=Co/Ceq=58613/51870=1.13 因船舶起重機(jī)f 為取值范圍1.151.2，f實際值在取值范圍內(nèi)，所以選取此型號的回轉(zhuǎn)支撐滿足條件。4.5.1回轉(zhuǎn)支撐聯(lián)接螺栓計算螺栓拉力計算：螺栓最大拉力 P=(4M)/(Dun)Gp/n =(48234400)/(0.73640)302000/40=1111254(N)螺栓計算拉力 Pca1=1.75P=1.751111254=1944694(N)螺栓直徑計算d1=(4Pca1/)1/2 式中=/n+1材料選用40Cr調(diào)制處理，=900MPa，安全系數(shù)n+1，按GB3811-86取1.5，d1=(41944694)/(900106/1.5) 1/2=0.3(m)疲勞破壞驗算：當(dāng)回轉(zhuǎn)支撐工作時，各螺栓中的力是變化的，此時材料的許用應(yīng)力要比靜許用應(yīng)力小，但比對稱循環(huán)時的許用應(yīng)力大。這類載荷相當(dāng)在一靜應(yīng)力的基礎(chǔ)上，加上一對稱循環(huán)應(yīng)力。其對稱循環(huán)應(yīng)力=0. 25P/ (2A1)=(0.251111254)/23.14(0.3/2)2=1.9(MPa) 對稱循環(huán)的許用應(yīng)力為: =0. 38/n式中：=340MPa為調(diào)制處理后的40Cr在0.3106循環(huán)次數(shù)內(nèi)(即回轉(zhuǎn)支撐裝置工作十年的循環(huán)次數(shù))的許用疲勞極限。n=4為疲勞極限的安全系數(shù)。=42.16 MPa。由于<，所以螺栓在規(guī)定時間內(nèi)不會疲勞破壞。4.6回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計4.6.1回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的類型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將整個回轉(zhuǎn)平臺（包括吊臂、起升機(jī)構(gòu)等）在回轉(zhuǎn)支承裝置上作全回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)運動可在左、右方向上任意進(jìn)行。只有特定的起重機(jī)上，才設(shè)有非全回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)或干脆不設(shè)有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在需要時用行走機(jī)構(gòu)來調(diào)整空間位置。全回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由三部分組成：(一)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的原動機(jī)。它是整機(jī)的傳動分流裝置中的一個傳動元件，在機(jī)械傳動中是某根軸，在電力傳動中是電動機(jī)，在液壓傳動中是液壓馬達(dá)。它的動力是由起重機(jī)的總動力源內(nèi)燃機(jī)供給，并經(jīng)機(jī)械傳動、或電能、或液壓能變換而來的。(二)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動裝置。一般是起減速作用。(三)回轉(zhuǎn)小齒輪。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過它和回轉(zhuǎn)支承裝置上的大齒圈嚙合，以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)平臺的回轉(zhuǎn)運動。此回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用液壓傳動，而回轉(zhuǎn)馬達(dá)有高速和低速之分。高速馬達(dá)的工作速度大部分在每分鐘1000轉(zhuǎn)以上，輸出扭矩較小，必須配以傳動比為40100甚至更大的減速裝置。低速大扭矩液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速在0100轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，因此可以直接在馬達(dá)軸上裝上回轉(zhuǎn)小齒輪，若馬達(dá)輸出扭矩滿足不了回轉(zhuǎn)阻力矩的要求，則需要適當(dāng)放大扭矩。采用低速大扭矩馬達(dá)，雖然馬達(dá)本身重量、尺寸都較大，但省去了多級的減速裝置。由上分析，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用在低速大扭矩馬達(dá)上直接裝上小齒輪，通過小齒輪與大齒圈的嚙合，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。4.6.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置設(shè)計1）回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)阻力矩確定回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作載荷是回轉(zhuǎn)阻力矩Msw，起重機(jī)在回轉(zhuǎn)起動時，回轉(zhuǎn)阻力矩Msw有下列阻力矩組成： Msw=Mf+MS+MW+MP 式中Mf為回轉(zhuǎn)支撐裝置的摩擦阻力矩；MS為回轉(zhuǎn)平臺傾斜時引起的回轉(zhuǎn)阻力矩；Mw為風(fēng)壓引起的阻力矩；MP為回轉(zhuǎn)慣性引起的回轉(zhuǎn)阻力矩。回轉(zhuǎn)支撐裝置的摩擦阻力矩Mf Mf= Do/2，起動時摩擦阻力矩最大Mf=1.5Mf。式中是回轉(zhuǎn)支撐全部滾動體上的總壓力；為滾動體綜合摩擦系數(shù)，滾球式取0.007；Do為回轉(zhuǎn)支承裝置的滾動中心直徑。當(dāng)把M、GP合成為一個偏心的垂直力，偏心距e=M/G，最大起重力矩時 e=M/GP=8234400/302000=27.3(m)對于滾球式回轉(zhuǎn)支承，當(dāng)e>0.3Do=0.24m時，=2.828 GPeke/Do+kHH 由2e/Do=227.3/0.8=68.25,查表ke=1.23，kH=1.72。則 =2.8283020001.23/0.8+1.7230200=1365055(N) Mfmax=1.513650550.0070.8/2=5733(Nm)回轉(zhuǎn)平臺傾斜引起的阻力矩MS MS=(Q+q)Rsin+GbrsinG1L1sinsin 傾斜阻力矩的大小隨轉(zhuǎn)角的位置而變，式中R、r、L1分別為起重物、吊臂及回轉(zhuǎn)部分自重的重心離回轉(zhuǎn)中心的距離。由于船舶起重機(jī)傾斜小，轉(zhuǎn)角幾乎為零，所以阻力矩MS可忽略不記。風(fēng)壓引起的回轉(zhuǎn)阻力矩 MW =qf(FQR+CFbrsinCF1L1sin)sin 式中qf為風(fēng)壓力，由設(shè)計規(guī)范取60%的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓，則為90N/m2；FQ、Fb、F1和R、r、 L1分別為起重物、吊臂和回轉(zhuǎn)部分的迎風(fēng)面積及其形心離回轉(zhuǎn)中心的距離，值分別為5 m2、2.7 m2、2 m2、2m、1m、0.3m；C為風(fēng)載體系數(shù)取1.2。顯然，風(fēng)阻力矩最大值是當(dāng)=/2時，則 MWmax = qf(FQR+1.2Fbr1.2 F1L1)=90(52+1.22.711.220.3) =1127(Nm)慣性引起的回轉(zhuǎn)阻力矩MP慣性引起的回轉(zhuǎn)阻力矩有三部分組成：起重物的慣性、吊臂和其他回轉(zhuǎn)部分的慣性以及旋轉(zhuǎn)零件的慣性所引起得阻力矩。 MP=n(Q+q)R2+4G1+1.1i2GD2/4/93.5t 式中n為回轉(zhuǎn)速度；t為回轉(zhuǎn)啟動時間，一般在410s；GD2為馬達(dá)軸上的零件的飛輪矩；末項比重很小，僅占12%，故可省略。代入數(shù)據(jù)可得： MP =0.45(24500028+48000)/(93.54) =8292(Nm) 回轉(zhuǎn)阻力矩： Msw1=Mfmax+MSmax+MWmax+MP=15152(Nm)2） 馬達(dá)軸回轉(zhuǎn)功率 式中為馬達(dá)超載系數(shù)，由手冊查得，液壓馬達(dá)取為1；NSW以千瓦計，Msw1則以公斤-米計，n以轉(zhuǎn)/分計，代入數(shù)據(jù)可得： NSW=(151520.45)/(9750.851)=8.23(kw)3）回轉(zhuǎn)小齒輪設(shè)計小齒輪用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度在241HB286HB,平均取260HB。初選小齒輪齒數(shù)：Z1=25由T1/T2=Z1/Z2,則T1=Z1T2/Z2=2515152/116=2427(Nm)由于m=6，可得小齒輪分度圓直徑d1=m Z1=150mm齒寬系數(shù)取d=0.4初步齒寬b=d d1=0.4150=60(mm)小齒輪b1=60+(510)=70(mm)校核計算：圓周速度V=d1n1/(601000)=3.1415015.6/(601000)=0.12m/s精度等級選8級精度使用系數(shù)KA =1動載系數(shù)KV 由于運行平穩(wěn)、速度低，故取KV =1齒間載荷分配系數(shù)KH： Ft=2/=224271000/150=32366NKAFt/b=32366/60=539mm>100N/mm由KA Ft /b可取KH=1.2=1.883.2(1/Z1+1/Z2)cos=1.73Z=0.87齒向載荷分布系數(shù)KH：KH=A+B(b/d1)2+C10-3b=1.17+0.160.4+0.6110-360 =1.27載荷系數(shù)K： K=KAKV KHKH=111.21.27=1.524彈性系數(shù)ZE ： ZE=189.8節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH： ZH=2.5接觸最小安全系數(shù)Shmin： Shmin=1.25總工作時間th： th=1030080.2=4800h應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL：NL=60rn th =60115.64800=4.5接觸壽命系數(shù)ZN ZN=1.45許用接觸應(yīng)力H： H= HlimZN/SHmin= 7501.45/1.25=870(Mpa) H=ZEZHZ =189.82.50.87=804(MPa)< H計算結(jié)果表明，接觸疲勞強(qiáng)度較為合適，齒輪尺寸無需調(diào)整，否則，尺寸調(diào)整后還應(yīng)再進(jìn)行驗算。由于采用正常齒輪，所以齒頂高系數(shù)取為0.8，頂隙系數(shù)取為0.3，分度圓壓力角度數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值=20。確定小齒輪的其它參數(shù)如下：分度圓直徑：d=mZ=625=150(mm)齒頂高：ha=m=0.86=4.8(mm)齒根高：hf= (+)m=6.6(mm)齒全高：h=(2+)m=11.4(mm)齒頂圓直徑：da=d+2ha=159.6(mm)齒根圓直徑：df=d2hf=15026.6=136.8(mm)基圓直徑：db=dcos=150cos20=141(mm)齒距：P=m=18.84(mm)齒厚：s=m/2=9.42(mm)齒槽寬：e=m/2=9.42(mm)基圓齒距：Pb=P cos=17.7(mm)法向齒距：Pn= Pb =17.7(mm)頂隙：c=m=0.36=1.8(mm)4）選擇液壓馬達(dá)由上可選擇NHM6500B型低速大扭矩馬達(dá)，此類馬達(dá)具有噪聲低、起動轉(zhuǎn)矩大、低速穩(wěn)定性好、效率高、壽命長、轉(zhuǎn)速范圍寬等優(yōu)點。排量491mL/r，額定壓力20MP，輸出轉(zhuǎn)矩1467Nm。馬達(dá)的出口流量Q=8.33(L/min)5） 鍵聯(lián)接的強(qiáng)度校核 鍵、軸和輪轂的材料都是鋼，查閱機(jī)械設(shè)計表6-1得許用積壓應(yīng)力，取。 由= =424271000/(405042)=115< 所以該平鍵的擠壓強(qiáng)度滿足，鍵是安全的。第5章 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計及液壓元件選擇5. 1液壓系統(tǒng)型式5.1.1開式和閉式系統(tǒng)按油液循環(huán)方式不同，液壓系統(tǒng)可分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)。開式系統(tǒng)是指液壓泵從油箱吸油，把壓力油輸給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件排出的油則直接流回油箱(圖5-la)。開式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，液壓油能夠得到較好的冷卻，油液中雜質(zhì)易沉淀，但油箱尺寸較大，空氣、臟物容易進(jìn)入系統(tǒng)中去，會導(dǎo)致工作機(jī)構(gòu)運動的不平穩(wěn)。在實際應(yīng)用中多用于發(fā)熱較多的液壓系統(tǒng)，如具有節(jié)流調(diào)速回路的系統(tǒng)。在開式系統(tǒng)中，采用的液壓泵為定量泵或單向變量泵，考慮到泵的自吸能力和避免產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，對自吸能力差的液壓泵，通常將其工作轉(zhuǎn)速限制在額定轉(zhuǎn)速的75%以內(nèi)，或增設(shè)一個輔助泵。工作機(jī)構(gòu)的換向則借助于換向閥。換向閥換向時，除了產(chǎn)生液壓沖擊外，運動部件的節(jié)流損失將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而使油溫增加。但由于開式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，因此仍為大多數(shù)工程機(jī)械采用。閉式系統(tǒng)是指液壓泵的排油腔直接與執(zhí)行元件的進(jìn)油管相連，執(zhí)行元件的回油管直接與液壓泵的吸油管相連，油液在系統(tǒng)的管路中進(jìn)行封閉循環(huán)(圖5-lb油路II)。閉式系統(tǒng)油箱尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、執(zhí)行元件回油管和液壓泵吸油腔直接連通，減少了空氣及臟物進(jìn)入系統(tǒng)的機(jī)會，但油液的冷卻條件差，需要輔助泵進(jìn)行換油冷卻和補(bǔ)償漏油，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。一般情況下，閉式系統(tǒng)中的執(zhí)行元件若采用雙作用單活塞桿液壓缸時，由于兩腔流量不等，在工作中會使功率利用下降。所以閉式系統(tǒng)的執(zhí)行元件一般為液壓馬達(dá)。5.1.2單泵和多泵系統(tǒng)按系統(tǒng)中的液壓泵數(shù)量，液壓系統(tǒng)可分為單泵系統(tǒng)和多泵系統(tǒng)。單泵系統(tǒng)是指由一個液壓泵向一個或一組執(zhí)行元件供油的液壓系統(tǒng)(圖5-la)。 單泵系統(tǒng)適合于不需要進(jìn)行多種復(fù)合動作的工程機(jī)械，如推土機(jī)等鏟土運輸機(jī)械的液壓系統(tǒng)。多泵系統(tǒng)是多個單泵系統(tǒng)的組合(圖5-lb)。每臺泵可以分別向各自回路中的執(zhí)行元件供油。每臺泵的功率是根據(jù)各自回路中的功率而定。例如:當(dāng)系統(tǒng)中只需要進(jìn)行單個動作而又要充分利用發(fā)動機(jī)功率時，可采用合流供油方式，即幾個液壓泵流量同時供給一個執(zhí)行元件，這樣可使工作機(jī)構(gòu)的運動速度加快。圖5-1b為三泵液壓系統(tǒng)原理圖，特點是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用獨立的閉式系統(tǒng)，而其它兩個回路為開式系統(tǒng)，這樣可以按照主機(jī)的工作情況，把不同的回路組合在一起，以獲得主機(jī)最佳的工作性能。 圖5-1液壓系統(tǒng)圖5. 2液壓系統(tǒng)的控制5.2.1定量節(jié)流控制系統(tǒng)定量系統(tǒng)是指采用定量泵的液壓系統(tǒng)。定量系統(tǒng)所用的液壓泵為齒輪泵、葉片泵或柱塞泵。由于是定量泵，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，流量也一定。而壓力是根據(jù)工作循環(huán)中需要克服的最大阻力確定的，因此液壓系統(tǒng)工作時，液壓泵功率是隨工作阻力變化而變化的。在一個工作循環(huán)中液壓泵達(dá)到滿功率的情況是很少的，這就造成了發(fā)動機(jī)的功率損耗。在定量系統(tǒng)中，執(zhí)行元件的速度是由控制元件以節(jié)流方式控制的，如圖5-la中，泵輸出的流量一定，進(jìn)入油缸的油液流量大小由換向閥控制，當(dāng)需要控制液壓缸的速度時，操縱換向閥閥桿使閥芯與閥體之間的流油通道變小，從而減少流入液壓缸的油量，減少的部分通過溢流閥流回油箱，從而