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湖 南 科 技 大 學(xué)
畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）
題目
MacArtney26海洋電動絞車排纜機構(gòu)設(shè)計
作者
唐沁南
學(xué)院
機電工程學(xué)院
專業(yè)
機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)號
1103010120
指導(dǎo)教師
羅柏文
二〇一五 年 五 月 三十 日
湖 南 科 技 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
機電工程 學(xué)院 機械制造 系（教研室）
教研室主任: （簽名） 年 月 日
學(xué)生姓名: 唐沁南 學(xué)號: 1103010120 專業(yè): 機械設(shè)計制造及其自動化
1 設(shè)計（論文）題目及專題： Macartney26海洋電動絞車排纜機構(gòu)設(shè)計
2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間：自2015 年 3月 6日開始至 2015年 5月 30 日止
3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：
（1）海洋絞車、排纜系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)資料；
（2）機械設(shè)計、機電控制和伺服控制相關(guān)資料;
（3）《機械設(shè)計手冊》，戚大先編，化學(xué)工業(yè)出版社 ，2007。
4 設(shè)計（論文）應(yīng)完成的主要內(nèi)容：
（1）海洋絞車自動排纜系統(tǒng)的設(shè)計目的與意義；
（2）海洋絞車自動排纜系統(tǒng)的總體方案設(shè)計和設(shè)備選型；
（3）海洋絞車自動排纜系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度校核；
（4）海洋絞車自動排纜機構(gòu)三維圖設(shè)計
（5）海洋絞車排纜機構(gòu)工程圖（裝配圖、零件圖）設(shè)計；
5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：
（1）論文設(shè)計說明書；
（2）海洋絞車自動排纜系統(tǒng)工作原理圖；
（3）海洋絞車自動排纜機構(gòu)三維圖、裝配圖、零件圖；
（4）圖紙合計不少于2.5張0＃圖，論文不少于35頁
6 發(fā)題時間： 2015 年 1 月 20 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
湖 南 科 技 大 學(xué)
機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)人評語
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作態(tài)度，研究內(nèi)容與方法，工作量，文獻應(yīng)用，創(chuàng)新性，實用性，科學(xué)性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價]
指導(dǎo)人： （簽名）
年 月 日
指導(dǎo)人評定成績：
湖 南 科 技 大 學(xué)
機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯記錄
日期：
學(xué)生： 學(xué)號： 班級：
題目：
提交畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會下列材料：
1 設(shè)計（論文）說明書 共 頁
2 設(shè)計（論文）圖 紙 共 頁
3 指導(dǎo)人、評閱人評語 共 頁
畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會評語：
[主要對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）的研究思路，設(shè)計（論文）質(zhì)量，文本圖紙規(guī)范程度和對設(shè)計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價]
答辯委員會主任： （簽名）
委員： （簽名）
（簽名）
（簽名）
（簽名）
答辯成績：
總評成績：
摘要
近年來，隨著社會的不斷發(fā)展，各種大型提升設(shè)備越來越被廣泛使用，為提高其安全性，排繩裝置也便隨之而生，被廣泛應(yīng)用于各種礦山、建筑等領(lǐng)域，它的發(fā)展也越來越受到人們的關(guān)注。絞車的排纜機構(gòu)是保證絞車正常工作的關(guān)鍵部件之一，絞車在收放纜繩的過程中，通過驅(qū)動排纜機構(gòu)上排纜輪的周期往復(fù)運動，絞車能夠?qū)⒗|繩整齊密實地纏繞在卷筒上，保證絞車能正常的進行纜繩的收放工作。海洋絞車的排纜系統(tǒng)是保證絞車正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，在絞車的工作中起著非常重要的作用。為了滿足在海洋資源勘查與開發(fā)等深海作業(yè)中特殊要求，海洋絞車具有纜繩長、纜繩纏繞層數(shù)多的特點，易出現(xiàn)纏繞不均、亂繩、咬繩現(xiàn)象，并纏繞過程相互擠壓易損壞纜繩，直接影響纜繩使用壽命和作業(yè)安全。為此，進行對海洋絞車的排纜機構(gòu)進行研究，確保排纜機構(gòu)與儲纜卷筒協(xié)調(diào)運動，通過排纜機構(gòu)的周期往返運動，絞車能夠使纜繩整齊密實地纏繞在卷筒之上，保證絞車能夠順利地進行收放工作。
關(guān)鍵詞：海洋絞車；絞車排繩裝置；排纜機構(gòu)
Abstract
In recent years, with the continuous development of society, a variety of large lifting equipment is more and more widely used, in order to improve the safety, rope arranging device also attendant, is widely used in all kinds of mining, construction and other fields, its development also more and more receives people's attention.?Winch row cable mechanism is to guarantee the normal work of the winch is one of the key components winch in retractable cable, through the drive line cable institutions ranked cable round of periodic reciprocating motion, winch can the rope neatly compactly wound on the reel, ensure the retractable cable winch can be normal.?Marine winch row cable system is the guarantee of the key components of the normal operation of the winch, winch plays a very important role.?To meet in the exploration of ocean resources and development of deep-sea fishing special requirements, the marine winch with cable length, cable winding layers of characteristics, prone to winding uneven, disorderly rope, bite the rope, and winding process mutual extrusion easily damaged cable, a direct impact on the cable service life and operation safety.?Therefore, the marine winch row cable mechanism research and ensure row cable mechanism and storage cable reel motor coordination, through the rows of warping machine cycle back and forth movement, winch can enable the cable compacting and tidy winding on drum to ensure winch can successfully be retractable work.
Keywords: Marine?winch?rope device;?winch;?fairleader
II
目 錄
緒論.......................................................................................................................................1
第一章 海洋絞車概況以及工作原理 2
1.1海洋絞車性能指標 2
1.2絞車總體方案 2
1.3絞車主要性能參數(shù)分析 4
第二章 排纜結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的確定 7
2.1平行排纜結(jié)構(gòu) 7
2.2垂直排纜結(jié)構(gòu) 7
2.3海洋絞車自動排纜系統(tǒng)總體設(shè)計 8
2.4排纜機構(gòu)及其原理 8
第三章 排纜機構(gòu)設(shè)計 15
3.1 絲杠設(shè)計 15
3.2 絲杠支撐軸承設(shè)計校核 18
3.3 導(dǎo)軌的設(shè)計 20
3.4 驅(qū)動電機選擇 22
3.5 排纜導(dǎo)向架 23
3.6 導(dǎo)纜輪設(shè)計 25
3.7 導(dǎo)纜輪固定板 26
3.8 左右端板 27
3.9 零件選型及選材匯總 28
第四章 技術(shù)路線及實施 29
第五章 結(jié)論 30
參考文獻 31
致謝 32
附錄 33
緒論
海洋絞車排纜裝置是一種利用機構(gòu)學(xué)和控制學(xué)設(shè)計出的機械控制產(chǎn)物，它是一種重復(fù)操作和自動化較高的設(shè)備。它的出現(xiàn)和發(fā)展不但提高了生產(chǎn)的安全性，而且使生產(chǎn)更加人性化，大大節(jié)約了人力和物力。
近年來，隨著社會的不斷發(fā)展，各種大型提升設(shè)備越來越被廣泛使用，為提高其安全性，排纜裝置也便隨之而生，被廣泛應(yīng)用于各種海洋鉆井、勘探等領(lǐng)域，它的發(fā)展也越來越受到人們的關(guān)注。
0.1 國內(nèi)外海洋絞車排纜機構(gòu)的現(xiàn)狀
目前丹麥MacArtney公司、美國Dynacon公司、 英國的Slingsby Aviation公司、江蘇海泰船舶成套設(shè)備有限公司、上海勞雷儀器系統(tǒng)有限公司等都生產(chǎn)單卷筒一體化海洋絞車。這種海洋絞車雖然簡單易操作，但收放重物的重量直接作用在絞車卷筒和纜繩上，導(dǎo)致絞車卷筒上纜繩的張力、纜繩之間的摩擦和擠壓很大，會加劇鋼纜磨損，縮短使用壽命等不足。
0.2 本課題設(shè)計的目的及意義
絞車的排纜機構(gòu)是保證絞車正常工作的關(guān)鍵部件之一，絞車在收放纜繩的過程中，通過驅(qū)動排纜機構(gòu)上排纜輪的周期往復(fù)運動，絞車能夠?qū)⒗|繩整齊密實地纏繞在卷筒上，保證絞車能正常的進行纜繩的收放工作。海洋絞車的排纜系統(tǒng)是保證絞車正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，在絞車的工作中起著非常重要的作用。為了滿足在海洋資源勘查與開發(fā)等深海作業(yè)中特殊要求，海洋絞車具有纜繩長、纜繩纏繞層數(shù)多的特點，易出現(xiàn)纏繞不均、亂繩、咬繩現(xiàn)象，并纏繞過程相互擠壓易損壞纜繩，直接影響纜繩使用壽命和作業(yè)安全。為此，進行對海洋絞車的排纜機構(gòu)進行研究，確保排纜機構(gòu)與儲纜卷筒協(xié)調(diào)運動，通過排纜機構(gòu)的周期往返運動，絞車能夠使纜繩整齊密實地纏繞在卷筒之上，保證絞車能夠順利地進行收放工作。
0.3 課題來源及本文主要內(nèi)容
指導(dǎo)老師負責(zé)學(xué)校的海洋工程項目并管理相關(guān)機械，此次設(shè)計的海洋絞車排纜器就是置于校工廠的海洋工程機械之一，要詳細了解其各個部分，因此開設(shè)了此次畢業(yè)設(shè)計課題。本文主要講解本生的機構(gòu)設(shè)計思路及排纜器的相關(guān)資料，為形成完整的信息網(wǎng)絡(luò)，本文還將涉及到海洋絞車相關(guān)信息。
第一章 海洋絞車概況以及工作原理
1.1 海洋絞車性能指標
適用于4級以下海況；
安全工作載荷：138 KN；
最大提升速度：第10層100m/min ，底層60m/min；
儲纜卷筒容繩量：2500 m；
纜繩直徑：32mm；
卷筒直徑與長度：1600mm X 1500mm；
驅(qū)動方式：交流變頻電驅(qū)動,6臺電機同步驅(qū)動；
變頻電機功率：6×55kW；
變頻器功率：3×132kW；
絞車重量（無纜繩）：26噸
1.2 絞車總體機械方案
經(jīng)過以上分析與論證，擬定的絞車總體機械結(jié)構(gòu)方案有如圖和圖所示兩種方案可供選擇。
圖1.1 擬定的絞車總體機械結(jié)構(gòu)方案1三維圖
圖1.2 擬定的絞車總體機械結(jié)構(gòu)方案2三維圖
為了便于進行比較研究，給出了丹麥海洋絞車的總體機械結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1.3所示。
圖1.3 丹麥MacArtney MERMAC R40AHC型海洋絞車整體機械結(jié)構(gòu)方案三維圖
圖1.4 新擬定機械結(jié)構(gòu)方案
1.3 絞車主要性能參數(shù)設(shè)計分析
1.3.1卷筒尺寸
根據(jù)直徑DLS=32mm臍帶纜最小彎曲半徑要求（最小彎曲直徑>900mm）,確定滾筒直徑為D1=1600mm；
按儲纜總層數(shù)N=10層纜繩長度達Ls=4500m；
滾筒儲纜第10層直徑為： （1.1）
計算絞車滾筒長度Lg：
（1.2）
故滾筒長度Lg取2500mm；
滾筒底層能存儲纜繩列數(shù)為：列 （1.3）
底層儲纜長度為： （1.4）
儲纜10層時的可儲存纜繩總長度：
（1.5）
滾筒法蘭直徑： 取2.4米；
最終確定滾筒尺寸如下:
（1）卷筒直徑：1600mm；
（2）卷筒長度： 2500mm；
（3）卷筒法蘭直徑：2400mm；
由機械設(shè)計手冊單行本--起重機運輸機械零部件操作件和小五金，可選
卷筒類型為B型卷筒.
由資料可知，臍帶纜直徑為28mm，最小彎曲半徑為900mm，所以在此，臍帶纜的直徑為32mm，可取卷筒的直徑d=1600mm.
則根據(jù)機械設(shè)計手冊單行本--起重機運輸機械零部件操作件和小五金表8.1-51可得D=1600mm時的其它相關(guān)尺寸
所以,該卷筒的壁厚為 （1.6）
1.3.2 電機功率
絞車主傳動總效率：
（1.7）
—雙級行星減速器效率，取0.93； —開式圓柱齒輪傳動效率，取0.94；
—滾子軸承效率，取0.96； —絞車卷筒效率，取0.94；
絞車所需輸入總功率：； （1.8）
每臺電機功率為：P/6=42.2Kw,取45Kw電機；
絞車輸入總功率為：456=270Kw；
電機類型選：交流變頻電機 45kW 6臺，極對數(shù)4/2,380-440v；
電動機額定轉(zhuǎn)速：nd=1500rpm；
電機額定輸出扭矩：
（1.9）
1.3.3 主傳動系統(tǒng)傳動比
(1)以卷筒底層直徑為準，提升速度72m/min
滾筒轉(zhuǎn)速為： （1.10） 總傳動比： （1.11）
(2) 卷筒中間層（第5層）直徑為：
（1.12）
按最大提升速度v=60m/min，
滾筒轉(zhuǎn)速為： （1.13）
總傳動比： （1.14）
(3)以卷筒外層直徑為準，提升速度60m/min
滾筒轉(zhuǎn)速為： （1.15）
總傳動比： （1.16）
綜合三種情況,總傳動比確定為i=153
1.3.4 絞車扭矩校核
絞車滾筒最底層承受200KN載荷所需扭矩為：
（1.17）
絞車滾筒最外層承受138KN載荷所需扭矩為：
（1.18）
絞車滾筒的驅(qū)動扭矩為：
（1.19）
則扭矩滿足要求。
絞車滾筒中間層（第5層）最大承受載荷為：
（1.20）
絞車滾筒最外層（第10層）最大承受載荷為：
（1.21）
第二章 排纜結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的確定
2.1 平行排纜結(jié)構(gòu)
平行排纜結(jié)構(gòu)，纜繩張力直接作用到了絞車卷筒上，排纜機構(gòu)只需對纜繩側(cè)向施加一個較小的力，驅(qū)動纜繩側(cè)移就可實現(xiàn)排纜動作，因此這種結(jié)構(gòu)的排纜機構(gòu)受力較小，排纜機構(gòu)可以做比較小巧，電機、絲桿和導(dǎo)向桿都可以做得很小，因此制造成本較低。但纜繩在絞車卷筒長度方向上來回移動，纜繩與A型架的天輪之間的偏角不恒定、會不斷變化，對起吊物的收放會產(chǎn)生一定影響。
2.2 垂直排纜結(jié)構(gòu)
垂直排纜結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的排纜機構(gòu)起吊物的重量先作用在排纜機構(gòu)的轉(zhuǎn)輪上，再通過轉(zhuǎn)輪將纜繩張力作用到卷筒上，這樣排纜機構(gòu)所受的拉力和彎矩非常大，因此這種排纜機構(gòu)的導(dǎo)向桿和絲桿必須做得很大。這種結(jié)構(gòu)形式因排纜機構(gòu)的轉(zhuǎn)輪與A型架的天輪幾乎始終在同一平行線上，因此，纜繩與A型架的天輪之間不會產(chǎn)生偏角，對起吊物的平穩(wěn)收放非常有利。
垂直排纜結(jié)構(gòu)又有如下2種形式：
（1）導(dǎo)向桿布置在絞車側(cè)邊，這種結(jié)構(gòu)形式絞車的排纜機構(gòu)所承受的較大的拉力只作用在絞車的一側(cè)，致使絞車受力不平衡。且這種結(jié)構(gòu)形式增大了絞車的寬度，但同時也給電器控制柜的安裝提供了空間。
（2）導(dǎo)向桿布置在絞車中間，這種結(jié)構(gòu)形式絞車的受力相對比較平衡，且可以減少絞車的寬度。
綜上分析，考慮到本次設(shè)計是研發(fā)海洋絞車上的排纜機構(gòu)，從絞車使用性能角度考慮宜采用垂直排纜的結(jié)構(gòu)方案，且適宜采用導(dǎo)向桿布置在絞車中間的結(jié)構(gòu)形式。
2.3 海洋絞車自動排纜系統(tǒng)總體設(shè)計
海洋絞車的排纜系統(tǒng)是保證絞車正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件，在絞車的工作中起著非常重要的作用。為了滿足在海洋資源勘查與開發(fā)等深海作業(yè)中特殊要求，海洋絞車具有纜繩長、纜繩纏繞層數(shù)多的特點，易出現(xiàn)纏繞不均、亂繩、咬繩現(xiàn)象，并纏繞過程相互擠壓易損壞纜繩，直接影響纜繩使用壽命和作業(yè)安全。為此，進行對海洋絞車的排纜機構(gòu)進行研究，確保排纜機構(gòu)與儲纜卷筒協(xié)調(diào)運動，通過排纜機構(gòu)的周期往返運動，絞車能夠使纜繩整齊密實地纏繞在卷筒之上，保證絞車能夠順利地進行收放工作。
2.3.1 總體方案確定
目前在工業(yè)現(xiàn)場投入使用絞車的自動排纜方案主要有凸輪排纜、液壓缸排纜和絲桿排纜。下面分別對這三種排纜方案進行分析比較，如表3.1所示。
表2.1 排纜方案分析表
名稱
原理圖
工作原理
特點
典型應(yīng)用
凸
輪
排
纜
機
構(gòu)
液
壓
缸
排
纜
機
構(gòu)
絲
杠
排
纜
機
構(gòu)
1-儲纜卷筒；2-撥纜器；3-導(dǎo)桿；4-復(fù)位彈簧；5-凸輪
1-儲纜卷筒；2-撥纜器；3-液壓缸；
4-行程開關(guān)；5-比例閥
1）通過凸輪的旋轉(zhuǎn)來驅(qū)動導(dǎo)桿進行往復(fù)運動，將纜繩排列在儲纜卷筒上；
2）復(fù)位彈簧可使排纜機構(gòu)在不工作時恢復(fù)到初始位置。
1）通過雙出桿液壓缸的活塞驅(qū)動撥纜器進行雙向運動，將纜繩排列在儲纜卷筒上；
2）行程開關(guān)實現(xiàn)換向；
3）通過電控比例系統(tǒng)實現(xiàn)液壓缸的速度與卷筒轉(zhuǎn)速的協(xié)調(diào)控制。
1）布局緊湊、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉；
2）凸輪與導(dǎo)桿點線接觸，易磨損，不能用于受力較大的場合；
3）排纜行程受凸輪尺寸限制。
1）可實現(xiàn)無級調(diào)速，控制精度高，傳動平穩(wěn)；
2）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占用空間大，不適合安裝空間小的工作環(huán)境。
3）對液壓油的要求較高。
小型絞車
礦用調(diào)度絞車
卷揚機
1-儲纜卷筒；2-行程開關(guān)；3-撥纜器；4-螺母；5-絲杠
單向絲杠
1）單向絲桿作正反轉(zhuǎn)動，驅(qū)動與螺母相連的撥纜器作往返運動，從而實現(xiàn)周期性排纜；
2）絲桿的轉(zhuǎn)向改變由行程開關(guān)來實現(xiàn)。
雙向絲杠
1）雙向絲杠作一個方向的轉(zhuǎn)動，驅(qū)動與螺母相連的撥纜器運動；
2）無行程開關(guān)，螺母為月牙形的，當螺母運動到絲杠的兩端位置可自動變換方向?qū)崿F(xiàn)排纜。
1）傳動比標準，排纜相對均勻、密實、結(jié)構(gòu)相對簡單；
2）對絲杠螺距要求嚴格，加工較為困難，尤其是雙向絲杠。
深海調(diào)查絞車
由于所研制海洋絞車容繩量2500米、安全工作載荷20噸。因此，海洋絞車的卷筒直徑大，工作載荷大，而凸輪排纜機構(gòu)的凸輪與導(dǎo)桿為點線接觸，易磨損，不適合受力較大的場合，且排纜行程受凸輪尺寸限制；海洋絞車的驅(qū)動方式為交流變頻驅(qū)動，并且母船甲板空間有限，而液壓缸排纜機構(gòu)必須增加液壓站，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占用空間大，不適合安裝空間小的場合。絲杠排纜機構(gòu)具有傳動比標準，排纜相對均勻、密實、結(jié)構(gòu)相對簡單的特點，但雙向絲杠加工較為困難。
綜上所述，海洋絞車的自動排纜總體方案選取單向絲杠排纜機構(gòu)。
2.3.2 絲杠排纜機構(gòu)驅(qū)動方式確定
目前絞車絲杠排纜機構(gòu)的驅(qū)動方式主要有間接驅(qū)動、直接驅(qū)動兩種。間接驅(qū)動采用鏈傳動、齒輪傳動等裝置將儲纜卷筒主軸與排纜絲杠連接，以儲纜卷筒動力源驅(qū)動排纜機構(gòu)。直接驅(qū)動采用液壓馬達、電機（步進電機、伺服電機）作為動力源驅(qū)動排纜絲杠。
間接驅(qū)動的排纜機構(gòu)是采用鏈傳動、齒輪傳動等機械強制儲纜卷筒主軸與排纜絲杠同步進行自動排纜，其傳動機構(gòu)比較復(fù)雜，并且傳動比是固定的，一旦需要更換不同直徑的纜繩，由于機械傳動比關(guān)系不能作相應(yīng)的調(diào)整，就不能準確排纜。為了適應(yīng)不同直徑的纜繩，在傳動系統(tǒng)中增設(shè)塔式鏈輪、齒輪有級變速機構(gòu)，雖然滿足了幾種不同纜徑的變速要求，但使排纜機構(gòu)更加復(fù)雜。另外，在大負載下鏈傳動、齒輪傳動、絲杠存在磨損等問題，導(dǎo)致鏈齒與鏈輪、齒輪之間的間隙增大，其傳動比隨之改變，而在排纜過程中排纜機構(gòu)本身不能進行自動調(diào)節(jié)，其排纜效果就會越來越差。因此這種排纜機構(gòu)在實際使用中存在著一定的局限性。
直接驅(qū)動的排纜機構(gòu)采用液壓馬達或電機作為動力源，采集儲纜卷筒轉(zhuǎn)速、排纜絲杠轉(zhuǎn)速信號，控制單元根據(jù)控制算法發(fā)出指令，液壓馬達或電機驅(qū)動絲杠使撥纜器沿導(dǎo)向光杠在整個排纜范圍內(nèi)作排纜運動，結(jié)合排纜范圍兩端的行程開關(guān)，控制單元控制液壓馬達或電機反轉(zhuǎn)實現(xiàn)換向，從而實現(xiàn)排纜器與儲纜卷筒之間精密協(xié)調(diào)運動，保證準確排纜。直接驅(qū)動方式具有無級調(diào)速，控制精度高，響應(yīng)速度快、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點，能克服間接驅(qū)動方式不能自動調(diào)節(jié)的不足。以液壓馬達為動力源的直接驅(qū)動方式，但必須設(shè)置液壓系統(tǒng)（包括液壓站、伺服閥、液壓馬達），結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，占用空間大，一般運用于液壓絞車。以電機為動力源的直接驅(qū)動方式，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，廣泛應(yīng)用于各類絞車（液壓絞車、電動絞車），丹麥MacArtney公司的新一代海洋絞車（MERMAC R40AHC型）排纜機構(gòu)驅(qū)動形式采用變頻器驅(qū)動交流變頻電機，利用變頻器的控制功能來實現(xiàn)自動排纜。步進電機和全數(shù)字式交流伺服電機廣泛于運動控制系統(tǒng)中，雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異如表所示。
表2.2 步進電機與交流伺服電機性能比較表
性 能
步進電機
交流伺服電機
控制精度
低頻特性
矩頻特性
五相混合式步進電機步距角一般為0.72 °、0.36°
在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象
輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM
一般不具有過載能力
控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象
從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒
由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，脈沖當量可達0.036°
運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象
恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出
具有較強的過載能力
控制為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合
過載能力
運行性能
速度響應(yīng)
綜上所述，絲杠排纜機構(gòu)驅(qū)動方式采用交流伺服電機為動力源的獨立驅(qū)動。
2.3.3 導(dǎo)纜器的確定
目前導(dǎo)纜器一般由導(dǎo)纜柱、導(dǎo)纜滾、導(dǎo)纜輪等組成，根據(jù)導(dǎo)纜器的組成的不同可分為導(dǎo)柱型、導(dǎo)輪型，如表所示。
表2.3 導(dǎo)纜器
類型
基本結(jié)構(gòu)
I
導(dǎo)柱型
II
III
導(dǎo)輪型
導(dǎo)纜柱
導(dǎo)纜柱，導(dǎo)纜滾
導(dǎo)纜柱；導(dǎo)纜輪
導(dǎo)纜輪；輪臂；銷軸
從上表可知，導(dǎo)柱型I導(dǎo)纜器主要由左右兩（排）導(dǎo)纜柱組成，每個導(dǎo)纜柱可以繞其軸心自由旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)纜器由絲杠運動驅(qū)動，在排纜過程中導(dǎo)纜柱起到，導(dǎo)纜作用，由于纜繩與導(dǎo)纜柱是點線接觸，容易損壞纜繩，所以將導(dǎo)纜柱設(shè)計為可自由旋轉(zhuǎn)，這樣可減少纜繩與導(dǎo)纜柱之間的摩擦，可延長纜繩的使用壽命。導(dǎo)柱型II導(dǎo)纜器是在導(dǎo)柱型I的基礎(chǔ)上增加了一個導(dǎo)纜滾，主要目的是防止纜繩與導(dǎo)纜器座摩擦而損壞纜繩。導(dǎo)柱型III導(dǎo)纜器是將導(dǎo)柱型II的一個導(dǎo)纜滾改為導(dǎo)纜輪，纜繩與導(dǎo)纜輪弧形槽相接觸，屬于面接觸，而導(dǎo)柱型II中的導(dǎo)纜滾與纜繩是線接觸，這有利于在排纜過程中防止纜繩損壞，另外導(dǎo)纜輪弧形槽也可輔助撥纜。導(dǎo)輪型導(dǎo)纜器主要由導(dǎo)纜輪組成，其輪頂面是弧形槽，導(dǎo)纜輪起到撥纜、導(dǎo)纜作用，導(dǎo)纜輪在排纜過程中纜繩與導(dǎo)纜輪弧形槽接觸區(qū)域為約四分之一圓弧面，減少纜繩與導(dǎo)纜輪作用應(yīng)力，這有利于保護纜繩。
綜上所述，本設(shè)計采用導(dǎo)輪型導(dǎo)纜器。
2.4 排纜機構(gòu)及其工作原理
2.4.1 排纜機構(gòu)系統(tǒng)組成
通過上面方案比較分析，本設(shè)計采用單向絲杠排纜機構(gòu)，其驅(qū)動方式采用交流伺服電機驅(qū)動，撥纜器采用導(dǎo)輪型撥排器，排纜機構(gòu)系統(tǒng)原理圖如3.1所示。該系統(tǒng)主要由交流伺服電機（帶驅(qū)動器）、單向絲杠、導(dǎo)纜輪、卷筒編碼器、絲杠編碼器、行程開關(guān)等組成，為了防止行程開關(guān)失效，不能及時使伺服電機反轉(zhuǎn)而出現(xiàn)危險，在每端設(shè)置兩個行程開關(guān)（終端保護）來保證設(shè)備的正常運行。
1-卷筒編碼器；2-纜繩；3-儲纜卷筒；4-卷筒驅(qū)動電機組；5-絲杠編碼器；6-單向絲杠；7-導(dǎo)纜輪；8、9-行程開關(guān)；10-交流伺服電機；11-伺服電機驅(qū)動器
圖2.1 單向絲杠排纜機構(gòu)系統(tǒng)原理圖
圖2.2 排纜機械裝置三維圖
2.4.2 排纜機構(gòu)的工作原理
絞車排纜系統(tǒng)由機械裝置和控制單元兩部分組成。其中機械裝置如圖3.2所示，機架的橫向?qū)к壣嫌信爬|裝置，導(dǎo)輪軸線與導(dǎo)軌垂直，減少了纜繩進入排纜輪的排纜角。排纜裝置下方設(shè)置兩個非接觸式磁電感應(yīng)式接近開關(guān)，用于檢測排纜裝置是否到達卷筒的兩端；滾珠絲桿由伺服電機通過減速器驅(qū)動，帶動排纜裝置左右移動；在絞車卷筒軸上安裝了光電式旋轉(zhuǎn)編碼器，用于檢測卷筒的精確位置。
卷筒編碼器與卷筒主軸相連，檢測卷筒運行轉(zhuǎn)速（n1），并將檢測結(jié)果送至控制器，控制器根據(jù)算法得出纜繩在卷筒上的精確位置（r），發(fā)出控制信號啟動交流伺服電機，伺服電機旋轉(zhuǎn)并帶動絲桿轉(zhuǎn)動，從而導(dǎo)纜輪移動，實現(xiàn)實時跟隨卷筒運動。為了提高排纜精度，排纜系統(tǒng)也可采用反饋控制，自動排纜系統(tǒng)控制框圖如圖所示。絲杠編碼器與絲杠相連，檢測絲杠的實際運行轉(zhuǎn)數(shù)（n2），從而可知導(dǎo)纜輪實際移動的距離（u），根據(jù)比較實際位置u與理論位置 r進行實時跟隨控制。當導(dǎo)纜輪移動到兩端時，行程開關(guān)動作，控制器發(fā)出換向指令，實現(xiàn)自動換向，從而實現(xiàn)自動排纜功能。
圖2.3 自動排纜系統(tǒng)控制框圖
第三章 排纜機構(gòu)設(shè)計
此次排纜器設(shè)計如下圖：
圖3.1 排纜器三維圖
3.1 絲桿設(shè)計
3.1.1 單相絲桿副設(shè)計
由卷筒容繩寬度為2500mm可知，單向絲桿總行程L為2500mm，由于本設(shè)計載荷較大，故采用牙形角為30°的梯形螺紋。其失效形式主要是螺紋磨損。由于螺母的材料一般比絲杠的材料軟，所以，磨損主要發(fā)生在螺母的螺紋表面。通常通過限制螺紋表面的壓強來進行磨損性計算，即使螺紋工作表面的壓強p小于或等于其許用壓強[p]。
螺母耐磨性校核公式為：
（3.1）
其中：F為作用于螺紋上的總軸向力（N）；d為螺紋中經(jīng)（mm）；h為螺紋的工作高度（mm）；Z為參加接觸的螺紋圈數(shù)；
絲杠的材料選用鋼，螺母選用ZCuAl10Fe3，按滑動速度<0.05m/s，許用壓強，取。軸向力按照纜繩最大拉力的1.5倍計算，可得：
（3.2）
式中：整體式螺母ψ 取1.2~2.5，此處ψ取1.4。
查標準GB5796.1-1986和GB5796.2-1986，梯形螺紋選擇公稱直徑為100mm，螺距為12mm的標準梯形螺紋，螺紋參數(shù)如下表所示：
表3.1 螺紋參數(shù)
梯形螺紋公稱直徑d
螺距p
中徑D2=d2
大徑D4
小徑外螺紋
外螺紋d3 內(nèi)螺紋D1
100
12
94
101
87
88
絲桿螺母高度H的確定：
（3.3）
圓整后，取H=135mm，又旋合圈數(shù)n
（3.4）
旋合圈數(shù)n>10，(要求n≤10~12)，基本滿足設(shè)計要求，故螺母高度H取為135mm，此時，螺紋的工作高度。 （3.5）
表3.2 鋼材強度
絲杠材料
螺母材料
許用壓強[p]
(N/mm2)
速度范圍
（m/s）
鋼
淬火鋼
青銅
耐磨鑄鐵
鑄鐵
鋼
青銅
18～25
11～18
7～10
1～2
6～8
13～18
4～7
7.5～13
10～13
低速
<0.05
0.1～0.2
>0.25
0.1～0.2
<0.05
0.1～0.2
低速
0.1～0.2
3.1.2 絲桿傳動機構(gòu)校核
①耐磨性驗算
絲桿工作壓強為：
（3.6）
，滿足工作壓強許用要求，滿足耐磨性要求。
②螺紋升角λ計算及自鎖驗算
螺紋升角λ按公式計算，可得：
（3.7）
此時，當量摩擦角為：
（3.8）
螺紋升角λ<，滿足自鎖要求。
因此，螺紋摩擦扭矩Mt1為
（3.9）
③螺桿強度
此時，螺桿受最大載荷下的當量應(yīng)力為(F按最大拉力的1.5倍取值)：
（3.10）
螺桿許用應(yīng)力，45鋼調(diào)制處理，
，，考慮絞車使用頻率不高，此處取4。
，螺桿強度滿足要求。
④螺母螺紋強度
梯形螺紋牙底寬度b為：
b=0.65p=7.8mm （3.11）
螺紋剪切強度為
（3.12）
，螺紋剪切強度滿足要求。
螺紋彎曲強度為
（3.13）
，螺紋彎曲強度滿足要求。
表3.3 材料許用應(yīng)力
項目
許用應(yīng)力（N/mm2）
絲杠材料
螺母材料
鋼
青銅
鑄鐵
耐磨鑄鐵
鋼
--------材料的屈服極限
彎曲
40～60
45～55
50～60
（1.0～1.2）
剪切
30~40
40
40
0.6
圖3.2 絲杠三維圖
3.2 絲桿支撐軸承設(shè)計校核
根據(jù)絲桿結(jié)構(gòu)尺寸，確定軸承結(jié)構(gòu)形式為，連接蝸輪蝸桿減速器這邊的軸承支撐結(jié)構(gòu)形式為推力球軸承（型號51415）和深溝球軸承（6315）組合結(jié)構(gòu)，另一端選擇單個深溝球軸承（6315）支撐的結(jié)構(gòu)形式。
絲桿的軸向力由推力球軸承51415承擔，徑向力主要由導(dǎo)向桿承受。這里只校核推力球軸承51415的壽命：
,不滿足要求。 （3.14）
軸承調(diào)整為推力調(diào)心滾子軸承，型號為29415。
壽命校核：
，滿足要求。 （3.15）
3.3 導(dǎo)軌的設(shè)計
導(dǎo)軌按摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌?；瑒訉?dǎo)軌的結(jié)構(gòu)是各種導(dǎo)軌的基本形式。其他各種類型的導(dǎo)軌都是在它的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。普通滑動導(dǎo)軌面之間是混合摩擦，它與純液體摩擦和滾動摩擦相比，雖有摩擦系數(shù)大、磨損快、低速運動易產(chǎn)生爬行等缺點。但由于它的結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、容易保證剛度和精度，故廣泛應(yīng)用于對低速運動平穩(wěn)性和定位精度要求不高的機械中。
(1) 滑動導(dǎo)軌的截面形狀
由導(dǎo)向原理知，直線運動導(dǎo)軌的截面形狀應(yīng)是封閉的多邊形。從制造、裝配和檢驗的方便性而言；多邊形的邊數(shù)應(yīng)盡可能少。因此，常用的直線滑動導(dǎo)軌的截面形狀有矩形、三角形、燕尾形和圓形四種。導(dǎo)軌截面的每條邊沿運動方向形成一個導(dǎo)向面。
截面為圓形的圓柱形導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。內(nèi)孔可桁磨、外圓磨削后可與內(nèi)孔精密配合。本設(shè)計采用圓柱形導(dǎo)軌，為防止轉(zhuǎn)動，本排繩裝置采用雙圓柱導(dǎo)軌組合使用。
(2) 導(dǎo)軌的設(shè)計計算
1.選擇及直徑的選擇
導(dǎo)軌的材料有鑄鐵，鋼，有色金屬和塑料等，對導(dǎo)軌的主要要求是：耐磨性高，工藝性好和成本低等。鑄鐵是一種成本低，有良好的減振性和耐磨性，易于鑄造和切削加工的金屬材料。材料選45鋼，管材選φ360mm厚40mm的鋼管，安全系數(shù)為S=2.12。
2.導(dǎo)桿校核
目前，設(shè)計導(dǎo)軌的方法仍然是：首先初步確定導(dǎo)軌的型式和尺寸，然后進行驗算。對于滑動導(dǎo)軌，必須驗算導(dǎo)軌面上的壓強和壓強的分布。壓強的大小直接影響導(dǎo)軌的耐磨性，壓強的分布將影響導(dǎo)軌磨損的均勻性。
對于滑動導(dǎo)軌的驗算，首先進行導(dǎo)軌的受力分析，然后計算導(dǎo)軌面上的壓強，再與導(dǎo)軌面的許用壓強比較。
導(dǎo)桿的受力分析圖3.3如下所示：
圖3.3 導(dǎo)桿受力分析圖
由圖分析可知，
（3.16）
由已經(jīng)確定的參數(shù)，，F(xiàn)A=0.86F
導(dǎo)軌A上的作用載荷作用的位置不斷變化，當它作用在導(dǎo)軌A中點時導(dǎo)軌A所受的彎矩最大，此時：
圖3.4 受力分析圖
（3.17）
（3.18）
圖3.5 導(dǎo)桿三維圖
3.4 驅(qū)動電機選擇
絲杠旋轉(zhuǎn)一圈的螺距P為20mm,那么絲杠的角速度（每秒轉(zhuǎn)動的圈數(shù)）為
（3.19）
（3.20）
絲桿軸向支撐摩擦力矩：
（3.21）
驅(qū)動絲杠所需的功率：
（3.22）
電機通過單級蝸輪蝸桿減速器與絲桿連接，單級蝸輪蝸桿減速器效率取，滾動軸承效率；
則電機所需功率為： （3.23）
因此選擇電機功率為22kW。
由于施耐德（Lenze）公司生產(chǎn)的Lexium32系列同步伺服電機具有高動態(tài)響應(yīng)和高精度傳動，過載能力強等特點，可以實現(xiàn)高精度位置控制，所以本系統(tǒng)的伺服控制系統(tǒng)選用BCH1803M32.1C交流伺服電機，電機驅(qū)動器選用與其配套的專用于定位控制的LXM32D72N4驅(qū)動器。伺服電機BCH1803M.2.1C的參數(shù)如下：額定轉(zhuǎn)速1500rpm，最高轉(zhuǎn)速3000rpm，額定轉(zhuǎn)矩28.65Nm，峰值停止轉(zhuǎn)矩71.62Nm，額定功率20kw，三相供電電壓170-255V，50/60Hz，反饋分辨率1280000ppr，重量3Kg，輸出軸直徑35mm、長73mm、帶鍵有油封。
單級蝸輪蝸桿減速器的減速比為：
1； （3.24）
減速比選擇為25，減速器型號為：SCWSM200-20(江蘇泰隆減速機股份有限公司) 。
3.5 排纜導(dǎo)向架
3.5.1導(dǎo)向架設(shè)計
排纜導(dǎo)向架通過安裝在其上面的螺母與絲杠相配合，當絲杠轉(zhuǎn)動的時候，從而帶動了整個導(dǎo)向架的橫向移動。導(dǎo)向架與安裝了導(dǎo)纜輪的固定板相聯(lián)接，使得固定板可以沿著導(dǎo)向架的水平軸線在垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，同時當導(dǎo)向架移動時，正在進行排纜工作的導(dǎo)纜輪有了水平方向的移速，從而使得導(dǎo)纜輪完成了整齊排纜的工作。
導(dǎo)向架與導(dǎo)桿配合的兩個空心部分為內(nèi)徑360mm，外徑400mm的圓柱體，導(dǎo)向架總長為820mm,兩柱體的中心距離為700mm，選材45鋼。
圖3.4 排纜導(dǎo)向架三維圖
圖3.5 排纜導(dǎo)向架后側(cè)三維圖
3.5.2導(dǎo)向架強度校核
排纜導(dǎo)向架進行有限元強度計算，加載方式按水平300KN，垂直300KN方式加在導(dǎo)向輪上。應(yīng)力云圖如下：
圖3.6 應(yīng)力云圖
排纜導(dǎo)向架的最大應(yīng)力是144.6MPa；
變形云圖如下：
圖3.7 變形云圖
排纜導(dǎo)向架的最大變形是1.388mm。
3.6 導(dǎo)纜輪設(shè)計
此次設(shè)計選用的導(dǎo)纜輪為Φ1240mm，厚度為70mm，中間有寬35mm，深度為67mm的槽的圓盤形結(jié)構(gòu)。選材為塑料，具體可視情況而定。纜繩通過與導(dǎo)纜輪的滑動摩擦實現(xiàn)在卷筒上整齊的排列。
圖3.8 導(dǎo)纜輪三維圖
3.7 導(dǎo)纜輪固定板
為固定住導(dǎo)纜輪使得導(dǎo)纜輪只實現(xiàn)定心轉(zhuǎn)動，并且完成與排纜導(dǎo)向架的連接使得導(dǎo)纜輪可以水平運動，從而設(shè)計了此固定板。選材45鋼。
圖3.9 導(dǎo)纜輪固定裝置三維圖
圖3.10 導(dǎo)纜輪固定板三維圖
3.8 左右端板
左右兩邊的端板需達到固定導(dǎo)桿，與絲杠配合，使得絲杠在電機和減速器的帶動下可以正常轉(zhuǎn)動的要求，同時還要有能與機架安裝的便捷能力，故設(shè)計了此端板。選材45鋼。
圖3.11 左端板三維圖
圖3.12 右端板三維圖
3.9 零件選材及選型匯總
圖3.13 裝配圖明細欄1圖
圖3.14 裝配圖明細欄2圖
第四章 技術(shù)路線及實施
根據(jù)上述所確定的海洋絞車排纜機構(gòu)設(shè)計方案，首先通過理論計算確定絲杠與伺服電機型號；然后進行傳感器選型，確定控制變量與控制算法；設(shè)計并加工零部件，裝配系統(tǒng)；最后進行排纜機構(gòu)系統(tǒng)的試驗，驗證控制算法。具體技術(shù)路線如圖所示。
圖4.1 自動排纜系統(tǒng)技術(shù)路線
第五章 結(jié)論
在羅柏文老師的精心指導(dǎo)下，為期十周的畢業(yè)設(shè)計即將進入最后答辯階段。在這十周的時間里，為了能夠設(shè)計出安全、可靠、實用的海洋絞車排纜裝置，此次設(shè)計參考了國外的機械及相關(guān)資料，但是由于自身的知識的局限性和缺少關(guān)于對該裝置的實踐能力，本設(shè)計存有許多不足，但通過對本次排纜裝置研究和設(shè)計我們也是收獲頗多。
由于絞車排纜裝置之類的安全產(chǎn)品，研制開發(fā)難度較大，單件產(chǎn)品利潤太小，且海洋公司安全產(chǎn)品責(zé)任較大，一些廠家不愿涉足而導(dǎo)致一直不能得以開發(fā)。所以對于絞車的排纜問題目前仍然處于初級階段。但是在國外相關(guān)技術(shù)已處于穩(wěn)定，為使得國外技術(shù)能夠?qū)ξ覀冇兴鶈l(fā)，所以此次設(shè)計了MacArtney26海洋電動絞車排纜機構(gòu)。該機構(gòu)實現(xiàn)了排纜工作的便捷、效率、精確、可靠等多方面的優(yōu)點。在國內(nèi)雖還沒有相關(guān)的機械，但是要發(fā)展海洋工程，尤其的海洋絞車方面，設(shè)計排纜機構(gòu)就必須不斷更新，不斷學(xué)習(xí)，所以日后必會將這種電動排纜機構(gòu)發(fā)展為數(shù)字智能排纜機構(gòu)。從而與我們的智能化發(fā)展相吻合，使得海洋工程的效率及安全水平進一步提高。
在此次設(shè)計中因為涉及到很多我們沒有學(xué)習(xí)到的知識，而且很多在網(wǎng)絡(luò)上也無法找到，所以與老師的交流在設(shè)計過程中格外重要。從大致機械框架的敲定到各個小零部件的選擇等都是一個很復(fù)雜的學(xué)習(xí)過程。通過此次設(shè)計讓我對設(shè)計有了進一步的了解，有了基礎(chǔ)的設(shè)計思維模式，同時也將自己所學(xué)習(xí)的書本知識真正應(yīng)用到了設(shè)計中來。
在設(shè)計的過程中由于我們的水平和時間有限，設(shè)計圖紙和論文中不免會有一些缺點和不足之處，敬請各位領(lǐng)導(dǎo)，評委老師批評指正。
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致謝
在此向羅柏文老師表示真誠的感謝。在整個設(shè)計的過程中老師給予了我太多地指導(dǎo)，從課題的選擇，再到整個機械的測繪，自己的設(shè)計，資料的查找以及設(shè)計過程中的無數(shù)次修改，最后完成此次設(shè)計再到老師給我的審核和建議，多虧了老師的指導(dǎo)才讓我能夠順利完成這次任務(wù)。值此畢業(yè)設(shè)計之際，再次向羅老師表示忠心的感謝。
在本次設(shè)計過程中還多次向其他老師咨詢相關(guān)問題，也多次得到劉老師的建議和指導(dǎo)，在自己指導(dǎo)老師出差的時候，每次當自己在設(shè)計過程中有不清楚的時候都會去麻煩劉老師，在此也特意向劉老師表示由衷的感謝。當然，在自己設(shè)計過程中，從資料的選擇，模型的創(chuàng)建，圖形的修改等流程都得到了同學(xué)的幫助，真心感謝那些幫助過我的同學(xué)，因為有朋友的支持才讓我的工作有進步，有效率。
最后感謝大學(xué)四年里陪伴我的老師和同學(xué)，因為有你們才讓我的大學(xué)生活豐富多彩，讓我不僅學(xué)習(xí)書本上的知識，還了解了實踐中的過程?；厥状髮W(xué)，不僅學(xué)習(xí)是我們的任務(wù)，懂得去運用、去和別人交流自己的想法，也是我們的一門必修課。大學(xué)四年，我們要提高，要追求的是我們的綜合能力，這樣才能適應(yīng)社會，才