摘 要 現實當中我們看到的 登船梯給我們的感覺是很笨重，不方便，如果用于游船是可行的，但是如果用于航母或軍艦的話，那肯定不能符合使用要求了（一旦碼頭情況不允許那就會帶來麻煩），所以必須研制出一種既輕巧方便又安全能適應軍用的登船梯系統，這就是我的課題所要做達到的要求。 我所設計的跳板裝置不僅設計了一些機械傳動，還在原有的基礎上采用了液壓傳動。采用液壓傳動的突出優點是：易于實現頻繁的起動、換向和變速，且對船舶電站的影響較小；慣性小、位置控制精度較高；輸出的力和轉矩可以很大，但線速度和轉速可以很低，體積和 重量卻很小；調速范圍廣。因此，液壓傳動現已廣泛應用在各類船舶上。 本課題是我國首艘航母上液壓登船梯的設計。跳板（登船梯）主要用于軍艦與碼頭之間人員及限重物資通過或遷移。 本登船梯系統即可電動也可手動，手動是通過手搖泵來實現的，手搖泵的運用是為了防止斷電情況下登船梯不能使用而設計的。 關鍵詞 ：登船梯；液壓傳動；手搖泵 Abstract Reality we have seen boarding ladder gives us the feeling is very heavy, inconvenient for cruise ships is feasible, but if for aircraft carriers or warships, it certainly does not meet the requirements (once the pier is notit will cause trouble), it is necessary to develop a lightweight and convenient and safe to be able to adapt to a military boarding ladder system, this is my topic have to do to achieve the requirements. I designed a springboard device not only designed a number of mechanical transmission, hydraulic transmission still in the original basis. With hydraulic drive of the outstanding advantages: easy to implement frequent starting, commutation and variable speed, and less impact on the ships power plant； inertia, high precision position control； force and torque of the output can be large, but the line speed and the speed can be very low, very small size and weight； wide speed range. Therefore, the hydraulic drive is now widely used in all types of vessels. The issue is Chinas first aircraft carrier, the hydraulic design of the boarding ladder. Springboard (boarding ladder) is mainly used for warships to the pier and weight limit supplies through or migrate. The boarding ladder system to the electric can also be manually manually by hand pump, the use of the hand pump is designed to prevent the boarding ladder in case of power failure can not be used. Keywords: boarding ladder； hydraulic transmission； hand pump 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT . II 目 錄 . V 1 緒論 . 1 1.1國內登船梯的概況和發展趨勢 . 1 1.2課題的提出與意義 . 2 1.3本課題應達到的要求 . 4 2總體方案的確定 . 5 2.1 設計依據 . 5 2.2確定機械結構設計方案 . 5 2.3確定液壓系統設計方案 . 5 3機械結構設計及其校核 . 6 3.1 概述 . 6 3.2設計依據 . 6 3.3 設計范圍及其設計方案 . 6 3.3.1 基架設計及校核 . 6 3.3.2 回轉支架的設計 . 8 3.3.3 登船梯的設計 . 9 3.3.4 油缸的設計 . 10 3.3.5 確定執行元件的設計 . 10 3.3.6主回轉液壓馬達的選擇計算 . 20 4液壓系統的設計及其校核 . 21 4.1液壓系 統的組成 . 21 4.2液壓系統的主要優缺點 . 21 4.2.1 液壓傳動的優點 . 21 4.2.2 液壓傳動的缺點 . 21 4.3 液壓系統設計 . 22 4.3.1 概述及液壓系統方案設計 . 22 4.3.2液壓能源裝置設計 . 24 4.3.3液壓閥的選擇 . 24 4.3.4液壓輔助元件的設計與選擇 . 25 4.3.5 液壓控制說明 . 30 5 CATIA有限元分析方法 . 31 5.1 有限元分析方法簡介 . 31 5.2進行有限元分析的目地和意義 . 31 5.3活塞桿的受力變形情況進行分析 . 32 5.3.1 分析步驟 . 32 6 結論與展望 . 34 6.1結論 . 34 6.2 展望 . 34 致 謝 . 35 參考文獻 . 36 1 緒論 1.1 國內登船梯的概況和發展趨勢 登船梯屬于非標產品，其設計計算在國內至今尚無規范可遵循，但可依據海洋工程、船用甲板起重機、港口工程起重機、船用舷梯等特性設計。主要用于海洋鉆井平臺與平臺之間人員及限重物資通過和遷移。為考慮使用時方便、安全、可靠、實用，設計上采用了液壓傳動的全回轉、可升降的動作方案。 國內主要有三種登船梯結構形式： (1)SS-1 型登船梯 上海石化總廠海運碼頭二期擴建工程系采用的型號。該型登船梯適用于工作行程在工作平臺以下的碼頭 ，但是，其回轉跑梯式提伸架提升質量大，電機功率消耗較大，有待于進一步完善。 (2)SS-5型登船梯 該型登船梯適用于鎮海煉化股份有限公司算山泊碼頭 25萬噸級泊位工程。該梯合理地運用了曳引機和液壓傳動系統，使其整體結構緊湊明了，旋轉、伸縮的載荷小，由于選用的油缸尺寸較小，與卷揚機傳動系統相比，造價增加不大。 (3)SS-6型登船梯 該梯使用于舟山興中石油轉運有限公司，該梯運用了液壓傳動的特點，是舷梯浮動，易于實現自動化控制，小變幅機構增加了舷梯的工作幅度，使舷梯上仰時也能工作，降低了梯架的提升高 度。 2007年 9月 8日，香港“寶瓶星”號國際豪華油輪平穩停靠在廈門東渡國際客運旅游碼頭，搭乘該輪近 2000 名來自世界各地的游客下船時，登上了新近投入使用的我國首個油輪登船系統。 2006年 8月，交通部水運科學研究所受廈門港委托簽訂了登船系統的研制合同。水科院經過一年多的技術設計、方案審查、施工設計、制造安裝、試車運行，登船系統已于 2007年 7月經過了專家用戶的現場檢驗后，正式交付使用了。經過了近 2個月的試運行，廈門東渡國際客運旅游碼頭，已接運了“寶瓶星”號四個航次的停靠，近 8000 人次旅客安全使用了登船系 統。有關專家一致認為，登船系統設計構造新穎，性能先進，達到了國際先進水平。 登船系統的使用避免了廈門東渡國際客運旅游碼頭旅客露天上下 游輪 ，為旅客提供了一個舒適便捷、環境優雅的上下 游 輪通道，海關人員可以直接在候船聯檢大樓辦公。豪華游 輪旅客登船系統的使用，改變了動用吊車、叉車調運旅客旋梯與 游 輪對接的傳統操作模式，實現了接船作業的全自動化，提高了游客上下游輪的安全性和旅客的通關速度，節省了旅客的上下游輪時間。出入的旅客贊嘆道，登船就像登機一樣方便。 交通部水運科學研究院接手這難題后，根據基本設計條件設計了由一臺 移動升降式登船機和一臺旋轉伸縮式登機橋兩部分組成的登船系統。移動升降式登船機安裝在碼頭前沿原有的集裝箱岸橋軌道上，旋轉伸縮式登機橋通道頭部的接機口與登船機尾部旅客通道口對接。登船系統的首尾分別連接游輪和大樓候船聯檢大廳。而且，沒有客輪到岸時，登船設備可以分離、移走，碼頭用于集裝箱裝卸作業，滿足碼頭多功能作業的要求。 首次采用移動升降式登船機與旋轉伸縮式登機橋組合形式的登船系統，滿足了接船高度和跨度范圍大的特殊要求，接船跨度達 50米。創下接船高度范圍達 1.07米至 11.44米， 旅客登船橋接船高度超過 9米兩項世 界之最，是國內接船高度差和跨度最大的國際豪華游輪登船系統。 這是我國完全獨立研發、擁有自主知識產權的產品。 圖 1.1 在廈門投用的我國首個登船系統 1.2 課題的提出與意義 隨著人類社會的不斷發展，陸地可開放資源日漸枯竭，世界各國逐漸將目光轉向海洋，海洋資源的開放及利用對各國的發展起到了越來越重要的作用。由此引起的國家及地區間爭端、摩擦不斷。進入新世紀以來，隨著海洋島礁及資源爭奪的加劇，海上運輸線安全形勢日趨惡化，海上利益爭奪的形勢將更加嚴峻，尤其是美、日、俄、印等國家，為壯大海軍采取多種措施，已出現群雄 爭鋒的局面。在全面實施海洋開放的時代背景條件下，海軍肩負著維護國家安全，捍衛主權、維護國家海洋權益的神圣使命。 同時由于我們國家日益發展的經濟情況還有我們日益強大的軍事技術，我們和外界的聯系也漸漸的緊密起來了。但是由于我國有著較為寬廣的港口領域，所以海上交通便是我們和外界取得聯系的最好方式。但是海上交通就一定會用到輪船，而與陸地取得聯系就一定要用到跳板了，所以我便對這種跳板裝置進行了一些設 計。跳板作為自行輪船重要的組成部分，可以在輪船靠近岸邊時，可以作為被保障裝備通行的橋梁。 未來幾年將是我國 海洋事業發展 的黃金時期，海洋石油工程也迎來了前所未有的發展機遇。 圖 1.2 登船梯 圖 1.3 登船梯 以上是已有的登船梯系統，這兩種登船梯 給我們的感覺是很笨重，不方便，如果用于游船是可行的，但是如果用于航母或軍艦的話，那肯定不能符合使用要求了（ 一旦碼頭情況不允許那就會帶來麻煩），所以必須研制出一種既輕巧方便 又 能安全 適應軍用的登船梯系統，這就是我的課題所要做達到的要求。 由此我便想到了液壓系統。液壓件是現代機械設備中重要的基礎件，可廣泛應用于國防、能源、冶金、交通等諸多領域，對于提高機械設備的技術水平和質量，提高自動化應用應用程度都有十分重要的意義。 本課題是完成全回轉式 登船梯裝置的總體設計，在設計中還須設計液壓 原理 ，完成回轉支架、登船梯等結構設 計以及油缸中重要零件的 設計并做出必要的有限元分析。本課題 使我在設計過程中，能掌握較強的實際工作經驗，完成從設計到實際生產及運行調試的整個過程，這樣 我熟悉了液壓系統的運用 ， 也 提高解決實際工作問題的能力，為以后工作打下極好的基礎。 1.3 本課題 應 達到的要求 我所設計的跳板裝置不僅設計了一些機械傳動，還在原有的基礎上采用了液壓傳動。采用液壓傳動的突出優點是：易于實現頻繁的起動、換向和變速，且對船舶電站的影響較小；慣性小、位置控制精度較高；輸出的力和轉矩可以很大，但線速度和轉速可以很低，體積和重量卻很小；調速范圍廣 。因此，液壓傳動現已廣泛應用在各類船舶上。 具體要求如下 : (1)能夠通過 油缸伸出和縮回分別引起過橋的上傾和下放，過橋變幅的幅度為上傾極限 30 、 下放 30。 (2)能夠通過與回轉齒輪的嚙合實現跳板裝置的左右搖擺，角度為 180。 (3)上下六十度轉動過程中能夠隨時停在某個 位置 。 (4)登船梯在 180度轉動過程中能隨時停在某個位置 。 (5)登 船梯擱在碼頭上能隨風浪波動 。 (6)登船梯 左右擺動碰到碼頭時，能夠自動讓位，以免船梯與碼頭硬碰硬碰撞而損壞船體和登船梯 。 根據技術要求，我們需要在搞清設備工作原理的基礎上，進行正式圖紙繪制。在設計中還需對現有的機構進行分析，如充分利用 CATIA 和 LINGO等軟件進行有限元應力分析、運動分析和優化設計。我還要設計液壓原理圖、主機等部件。 2 總體方案的確定 2.1 設計依據 (1)本套設備依據海洋工程 、船用甲板起重機、港口工程起重機、船用舷梯等特性設計。 (2)本套設備以滿足相關海事部門管理要求設計。 (3)本套設備以符合 SOLAS（ safety of life at sea）及相關船級社的規范要求設計。 (4)本套設備的制造、檢驗、安裝、使用均以滿足相關船級社的規范為前提并取得相關船級社的證書。 2.2 確定機械結構設計方案 登船梯主要用于海洋鉆井平臺與平臺之間人員及限重物資通過或遷移。為考慮使用時方便、安全、可靠、實用，設計上采用了液壓傳動的全回轉、可升降的動作方案，并具備照明、報警、應急功能。 本登 船梯主要由過橋、回轉上承臺、回轉裝置、升降油缸、配電與照明系統等部份構成。登船梯設計規格暫定工作長度 9.6m。 2.3 確定液壓系統設計方案 本液壓系統是針對軍艦而設計的全回轉式登船梯裝置機、制造的專用液壓傳動設備。該系統精選了國內外優質液壓元、附件。液壓回路采用了集成油路塊式結構，液壓系統總體結構先進、合理、可靠、易于維修。符合 GB3766-87液壓系統通用技術條件中的各項技術要求。 本液壓系統由于采用了封閉式油箱結構，所以允許在粉塵大的惡劣環境下工作，但使用時應注意經常清掃液壓設備上的粉塵，以保證液壓 系統具有良好的散熱性 9 。 所有液壓閥控制回路均采用了集成油路塊式結構，使本系統具有泄漏少，結構緊湊，便于維修的特點。 本液壓系統在工作原理上具有以下特征：具有吸油濾油器，使本系統工作介質的清潔度得到有效的保證，降低系統的故障率 ,延長系統各元、附件的使用壽命。 3 機械結構設計及其校核 3.1 概述 全回轉伸縮式登船梯（以下簡稱登船梯）主要用于海洋鉆井平臺與平臺之間人員及限重物資通過或遷移。為考慮使用時方便、安全、可靠、實用，設計上采用了液壓傳動的全回轉、可升降 的動作方案，并具備照明、報警、應急功能。 本登船梯主要由鋼質基架、回轉支架、登船梯、升降油缸、伸縮系統、噴水系統、配電與照明系統等部份構成。登船梯設計規格暫定工作長度 9.6m，在此基礎上增加 0.51m。 3.2 設計依據 (1)本套設備依據海洋工程、船用甲板起重機、港口工程起重機、船用舷梯等特性設計。 (2)本套設備以滿足相關海事部門管理要求設計。 (3)本套設備以符合 SOLAS及相關船級社的規范要求設計。 (4)本套設備的制造、檢驗、安裝、使用均以滿足相關船級社的規范為前提并取得相關船級社的證書。 3.3 設計范圍及其設計方案 本套設備設計的范圍如前述組成部份（見所附布置圖），其間還包含了較多的項目。由于各部件的尺寸、重量均較大，因此所有的超大零件上均安裝吊環以便于安全起吊和安裝，這些吊環在裝船之前均需進行無損壞試驗。 下面按各部件分述如下： 3.3.1 基架設計及校核 基架以鋼質筒體為主體，其外形直徑根據要求約為 506mm 左右，高度初步確定在205mm 左右，基架的上端設置平型法蘭用于和上部回轉支架螺栓聯接。 再用倆個連接齒輪和回轉齒輪連接帶動登船梯擺動 5 。 圖 3.1 基架及回轉部分三維圖 模型： 圖 3.2 整體 模型圖 現在計算各個工作部件對基架的作用力和作用力矩 1 。 (1)計算登船梯跳板梯部分對基架的作用力和作用力矩： 登船梯 質量 m=576kg 重力 G=mg=576kg 9.8m=5644.8N 所以對于基架的作用力 F1=5644.8N 質心距離基架中心軸的距離 1d =3982.184mm+253mm=4235.184mm 所以對于基架的作用力矩 M1=F1 d1=23905.728N m (2)計算馬達對基架的作用力和作用力矩： 馬達的質量 m 2=54 2=108Kg 重力 G=mg=108 9.8=2920.4N 所以對于基架的作用力 F2=1054N 質心距離基架中心軸的距離 d2=203.5mm 所以對于基架的作用力矩 M4=F2 d2=2144.89N m (3)整個回轉裝置及回轉上承臺及其上零部件對基架的作用力 經差算整個回轉裝置及回轉上承臺及其上零部件 總重量約為 1200kg 所以 F3=10084.2N 由于上承臺及回轉裝置對基架的作用力主要是重力而不是力矩，所以上承臺及回轉裝置對基架的力矩忽略不計即 M3=0 (4)計算基架本身的作用力和作用力矩： 基架本身的質量 m=43Kg 重力 G=mg=421.4N 不過，質心距離基架中心軸的距離 d4=0mm 所以作用力矩 M4=0 因此，所有部件對基架的作用力 F=F1+F2+F3 +F4=5644.8N+1054N+10084.2N+421.4=17204.4N 所有部件對支架的作用力力矩 M=M1+M2+M3+M4=239057.28N m+2144.89N m+0+0=241202.17N m 現在先設取基架的壁厚 h=20mm 所以基架的橫截面積 A=( /4)*(0.5562-0.512)=0.049036m Iz = ( /64)*(0.5564-0.514) =0.027913 =AF +ZYIM=0 2 7 9 1 3.0 17.2 4 1 2 0 20 4 9 0 3 6.0 4.1 7 2 0 4 =89MPa bs b sQ 2 3 5 3 7 5 M P an 4 / n 3 7 5 / 4 9 3 . 7 5 M P a 基 架 材 料 選 用 ， 抗 拉 強 度選 取 安 全 系 數 ， 所 以 【 】 = 可見 略小于 【 】，為安全起見，增加壁厚至 h=25mm 此時基架的橫截面積 A=( /4)*(0.561 2-0.512)=0.05462m Iz = ( /64)*(0.5614-0.514) =0.031397297 =AF +ZYIM=0 3 1 3 9 7 2 9 7.0 17.2 4 1 2 0 20 5 4 6 2.0 4.1 7 2 0 4 =79Mpa 相差有點遠，所以 安全 。 3.3.2 回轉支架的設計 回轉支架是本設備極其重要的組成部份，它分別由上承臺、回轉齒輪、液壓馬達、減速箱、支架等部件組成。回轉支架分別與基架及其 登船梯 相聯接 。 3.3.2.1 回轉支架由高扭矩低轉速液壓馬達通過四個主動齒輪帶動固定于上承臺的回轉齒輪來旋轉整個支架。 回轉齒輪是登船梯上的一個重要部件，選用無錫立達齒輪制造有限公司的產品。參考資料為 公司的齒輪樣本。 回轉齒輪選型計算流程圖： (1)確定回轉齒輪保持靜態時所承受的最大載荷 根據上述計算：可知軸向載荷 Fa=17204.4N，傾覆力矩 M=241202.17N m (2)根據主機類型（應用場合）確定靜態安全系數 fs，見表 1。 選取靜態系數 fs 為 1.25 (3)初步確定選用何種類型的回轉齒輪，并根據其計算 Fa和 M。 Fa=fs Fa=1.25 17204.4N =21505.5N M=fs M=1.25 241202.17N m =301502.5N m 初步確定使用 13-三排滾柱式回轉 齒輪。 (4)在曲線表中查找能滿足要求的回轉齒輪型號，在曲線圖中標出 Fa和 M的坐標點。 找到型號為 131.50.3150 回轉齒輪能滿足要求。 (5)經過核對， Fa和 M在靜態承載曲線和螺栓極限曲線的下方。 (6)完成回轉齒輪初步選型。 圖 3.3 回轉齒輪 圖 3.4 回轉齒輪二維圖 支架的下端與基架上端用法蘭方式聯接。 3.3.3 登船梯的設計 登船梯主要由跳板梯部分、回轉支架和回轉部分三 大部份組成，材料為 鋼材 。 登船梯的 回轉支架下 端 與回轉部通過螺栓連接 ， 回轉部分再與基架艦體連接（通過法蘭連接） 。 跳板部分一端 上部通過油缸與回轉支架的支撐聯接用于 登船梯的上下升降之用，下部與支架 連接 。 回轉部分主要由液壓馬達、一對齒輪等組成，液壓馬達帶動小齒輪圍繞大齒輪轉動以實現回轉運動。 登船梯 的主要設計參數： (1)跳板部分長約 9.6m，寬約 1.2m； (2)最大上翹角度 +30 ； (3)最大下傾角度 30 ； (4)登船梯 內側凈寬 1m； (5)登船梯跳板部分 高度 約為 0.2m； (6)具體見設計圖紙 。 3.3.4 油缸的設計 油缸位于在固定 登船梯 的兩側與回轉支架上的支撐相連，主要用于 登船梯 的 上升和下降。油缸的設計依據 登船梯 的載荷及其油路壓力而確定，本項在詳細設計 之后再 給出具體規格。 在 液壓油缸 中使用液壓傳動系統，那么液壓傳動與機械傳動、電氣傳動相比，有何有缺點呢？ (1)在相同的功率工作的機械的重量指標上，采用液壓傳動要比采用機械傳動的輕三分之一，在外形尺寸上也減小了近三分之一，最好的例子就是起重機了，起重機都是用液壓傳動的，這樣可以保證起重機自身重量輕，機身又可以小一些 7 。 (2)實際工作時液壓傳動容易實現往返運動，直接推動工作機構。這里可以看看液壓千斤頂的，外力施加給液壓油，液壓油指直接推動液壓活動件向上頂。通過液壓閥門控制施壓和放壓。 (3)易于實現液壓系統的安全保護。液壓傳動比機械傳動操控起來更簡單而且省力，可提高液壓機械的勞動生產率和作業質量。 (4)液壓傳動不需逐級調速，調速通用范圍比較大，可在較大的范圍內實現無極變速，工作平穩性比較好，易實現過載保護 。 (5)液壓元件容易實現標準化、系列化和通用化，便于組織專業化大批量生產，有利于提高生產效率進而提高產品質量和降低 成本。 (6)液壓傳動中的的液壓油本身是可以當做潤滑油，降溫劑的，這樣可以延長液壓元件的使用壽命，減輕液壓傳動設備的維護和保養的力度。 3.3.5 確定執行元件的設計 執行元件設計中應注意的問題 (1)本套液壓 系統選擇液壓油缸作為執行元件，油缸設計的主要參數包括油缸內徑、活塞桿直徑、行程。油缸設計時應注意以下幾個問題： 在保證所獲得的速度和推力下，應盡可能使液壓缸的各部分結構按有關標準來設計，盡量做到液壓缸的結構緊湊，加工，裝配和維修方便。 盡量使活塞桿在承受最大負載時處于受拉狀態，若受壓應具有良好 的縱向穩定性，長行程的活塞桿伸出時，還應加輔助支撐，避免活塞桿下垂。 液壓缸熱脹冷縮時應不受阻礙，所以液壓缸在安裝，固定時，液壓缸只能一端 定位。 根據液壓缸具體工作條件，考慮是否有緩沖，排氣和防塵裝置。 (2)油缸設計過程及校核計算 登船梯運動過程主要有兩個動作過程即登船梯升降和左右回轉，分別用兩個油缸和液壓馬達作為執行元件。由于工作環境比較復雜，考慮到風浪帶來的影響等，所以油缸的承受能力需要分析和校核。 油缸主要幾何尺寸的計算 根據 要求，壓緊油缸壓緊時最大壓緊力為 12噸的力，現進行計算確定執 行元件油缸的主要參數：