水面垃圾自动打捞船的设计(毕业设计)Word下载.doc
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目录
摘要 I
Abstract II
一前言 1
1.1毕业设计的选题背景 1
1.2毕业设计国内外研究现状及特点分析 2
1.3本课题的研究目的及意义 3
二方案构思和拟定 5
三船体的设计 6
3.1船体的结构设计 6
3.2船体材料的选择 8
3.2.1船体材料的介绍 8
3.2.2船体材料的确定及相关参数 9
3.3船体重要尺寸 9
3.4.1船体质量的计算 10
3.4.2重排水量的计算 10
3.4.3最大吃水深度的计算 11
四动力装置的设计 12
4.1蓄电池的选择 12
4.2电动机的选择 13
4.3船舶推进器的选择 16
五传输装置的设计 19
5.1传输装置的总体设计 19
5.2传输装置链传动的设计 21
5.2.1链条的选择和计算 21
5.2.2链轮相关尺寸的计算 24
5.3叶轮装置链传动的设计 26
5.3.1链条的选择和计算 26
5.3.2链轮相关尺寸的计算 27
5.4轴的设计 29
5.5叶轮的设计 31
六垃圾存储装置的设计 32
七其它零部件的设计 33
7.1滚动轴承的选择 33
7.2轴承座的选择 34
7.3标准件的选择 34
结束语 36
致谢 37
参考文献 38
附录水面垃圾自动打捞船总装配图 39
III
一前言
1.1毕业设计的选题背景
随着社会经济的飞速发展,人们的生活都有了质的飞跃,特别是工业革命以来,由于人们过于重视工业和经济的发展,往往忽视了对环境的保护,这就使得近几年来世界水资源质量不断下降,水环境持续恶化,由于污染所导致的缺水和事故不断发生,不仅使工厂停产、农业减产甚至绝收,而且造成了不良的社会影响和较大的经济损失,严重地威胁了社会的可持续发展,威胁了人类的生存。
随着十八大社会主义生态文明建设的提出,水环境的污染问题越来越受到人们的关注。
海洋、河流、湖泊以及水上游乐场里的漂浮垃圾的污染已经逐步影响到市民的饮水、环境卫生及市容市貌,如图1-1、图1-2所示。
图1-1城市河道污染图1-2运输河道污染
为解决水面垃圾收集的问题,目前很多地区还是采用利用人工打捞的方式为主,如图1-3所示。
但这种人工打捞水面垃圾的作业方式劳动强度较大、工...(查看更多)作环境恶劣,效率也十分低下。
此外,目前市场上也出现了一些机械智能化的水面垃圾收集设备。
由于水域不同、垃圾种类不同及回收量的不同,形成了各种类型的水面垃圾收集船,如图1-4所示。
例如ZS-800型水面清漂船、16.5米水面垃圾收集船等等。
但现在市场上的水面垃圾收集船大都是大型船舶机械,主要用于大范围大面积水域垃圾的收集,其结构复杂,体积庞大,价格昂贵,而且需要专业人士操作,从而不能被广泛地应用于城市河道和风景区水域的垃圾收集作业。
图1-3人工打捞水面垃圾
图1-4大型机械打捞水面垃圾
1.2毕业设计国内外研究现状及特点分析
水面垃圾自动打捞船针对水面环境污染的问题,致力于中小型湖泊河流等水域的固体垃圾清理,如塑料袋、饮料瓶,树枝树叶以及其它易清理的水面垃圾。
它将水上漂浮的垃圾(主要是树枝、农作物秸秆、白色塑料、生活垃圾和水生植物、少量动物尸体等)从水面打捞后,直接装运或者经压缩后装运到垃圾处理厂进行处理。
关于水面垃圾自动打捞船,目前国外已有成熟的商品和深厚的研究基础。
韩国海洋水产部在2000年投资23.5亿韩元,委托南韩海洋研究院开发一种能在浅滩和港口进行垃圾清除作业的垃圾打捞船。
目前,这种海上垃圾打捞船已经建造完成,并通过了性能测试。
这艘命名为“海洋清扫号”的船,长30m,宽10m,高2.3m,可只在水深只有2米的浅滩和港口清除漂浮垃圾。
船上装有臂长达20米的“多关节”抓铲,可打捞水深为15米的滩底沉积垃圾。
船上的钩状收集机可用于搜集水中的渔网和渔具。
船舱还可以容纳40吨垃圾,这些垃圾可被船载的宽体切割机切割分解。
加拿大的PELICAN公司研制的A系列1010型清扫船采用单体船型,具有清扫水面垃圾、油污水处理、曝气、消防4方面功能。
主要的作业机具包括翻斗、垃圾箱、油水分离设备、油箱、喷气曝气装置、消防水枪。
美国联合国际船舶公司(UMI)研制的系列清扫船采用双体船型,配两套Z型推进装置,主要功能是清理水面垃圾。
主要作业机具包括导流门、船首传送带、垃圾箱、船尾传送带。
船尾传送带用于将垃圾输送至岸上。
近年来,国内也渐渐自主研发了具有较高效率的水面垃圾自动打捞船。
由天津新港船厂建造的水上清扫船“方通号”于2001年底在天津海河下水。
该船具有高效、节能、环保等特点,以电为动力,进行电动全回转推进,不但对水体没有污染而且行动十分灵活。
在接近垃圾后,船上的精密液压喷水自动回转臂、垃圾收集筐升降机动装置等设备一同作业,将水面垃圾打扫一尽。
该船实现了自动清扫、收集、储存水面垃圾,而且液压喷水自动回转臂还可以冲刷堤坡垃圾,浇灌河岸绿地。
上海市废弃物处置公司研制的水面漂浮物打捞船,以实现导流、打捞、压缩、储存、转运连续作业为目的,采用双体船型,打捞装置采用传送带形式,克服了以往人工打捞及抓斗间隙打捞的缺点,打捞速度快,劳动强度低,且可以实现较长时间的连续作业,减少了运转过程的损耗。
独立作业能力强,单船作业便可完成从打捞到转运的全部工作。
从打捞到转运全部实现机械化作业,大大提高了工作效率,并减轻了工人的劳动强度。
适用于各种复杂水域环境作业。
特别适合大面积水生植物污染治理,作业装置主要由喷水导流、固液分离器、螺杆压榨机组成的拦截打捞装置具有作业效率高、作业适应性强。
采用机械式固液分离装置打捞水葫芦大大地减轻了工人的劳动强度。
1.3本课题的研究目的及意义
随着社会经济的飞速发展,人们的生活都有了质的飞跃,特别是工业革命以来,由于人们过于重视工业和经济的发展,往往忽视了对环境的保护,这就使得近几年来世界环境日益恶劣,带来了各种各样的环境问题,海洋、湖泊、河流中随处可见的垃圾污染。
各种废物会通过不同的渠道进人海洋、江河、湖泊,导致水面的漂浮物越来越多。
由于潮起潮落的原因,江河水面的弃置物或水草也会流人其它的水面、港湾。
它们的集结造成水面污染,影响市容卫生,甚至阻碍航道。
如今,水环境保护也越来越受到人们的关注。
水面漂浮垃圾的污染已经逐步威胁到市民的饮水、环境卫生及市容,因此,机械化清理水面垃圾已成为重要的水环境保护措施。
它自动将水上漂浮的垃圾(主要是树枝、农作物秸秆、白色塑料、生活垃圾和水生植物、少量动物尸体等)从水面打捞后,直接装运或者经压缩后装运到垃圾处理厂进行处理。
水面垃圾自动打捞船一般由单船体或双船体、收集装置、存储装置等组成。
收集装置主要有传送带、翻斗以及造流收集等几种形式,其作用是把前方的漂浮垃圾引导过来,收集后提升在专用的垃圾存储箱内。
水面垃圾自动打捞船采用成熟的技术、简单的结构和巧妙的方法,可以自动地把其快速行进所到之处的水面漂浮物和半漂浮物打捞到船上,整个打捞过程无需人工参与,安全性非常好,效率是人工打捞的几百倍。
本次课题最主要的目的和意义还是在于对相关水域的环境的治理与维护,水面环境的改善对于水质,为社会主义生态文明建设,实现美丽的中国梦做出贡献。
二方案构思和拟定
水面垃圾自动打捞船主要针对的是城市和风景区河道、湖泊水域的水面垃圾收集。
根据调查和分析,其水面垃圾主要有稻草、烂蔬菜、塑料袋、软包装、饮料盒、塑料泡沫、瓜皮等。
由于受河道过往船只形成的浪涌及潮水的冲击,水面垃圾一般集中在两侧的江岸、堤坝、湖边及拐角回流区,而河道和湖泊的中央几乎没有垃圾,因此要求收集船尺寸小,操作灵活、零航速作业效能好。
根据以上要求,并参阅国内外水面垃圾收集船资料,对多种收集水面垃圾装置方案进行比较、综合分析及论证,同时考虑到目前管理、维修水平及经济条件等因素,我们采用了双体船型方案。
针对这些,本方案引入了“局部到整体”的设计方案。
也就是根据各部分要实现的功能,依次设计出各个机构,再进行虚拟装配,排除干涉,达到设计的目的。
本船主要由船体;
动力装置;
导水叶轮和链传动带动传输带组成的传输装置及垃圾储存装置等几个部分组成。
该方案是通过一设于双船体间的叶轮造流,将船体前方垃圾吸入垃圾收集区,再通过链传动带动的传输带传输至垃圾储存箱中。
等垃圾收集任务完成,船体泊岸后,设于岸边的吊车把垃圾仓吊至转运汽车上,收集作业完毕。
作业流程如图2-1所示。
叶轮造流
水面垃圾
垃圾收集区
岸边收集
垃圾储存箱
传输垃圾
图2-1收集船收集流程图
考虑到垃圾收集的水域特点和收集的快速性、实用性,我们本着以更简单、更快捷、更可靠地完成自动收集垃圾任务的原则对收集船进行了设计与制作,在机构和船体的设计上有不上创新与特色点。
三船体的设计
3.1船体的结构设计
船体是指整个船的主体部分,不包括任何设备、装置、系统等的船身结构物及上甲板以上的围蔽建筑。
船体的结构、形状以及各部分尺寸的大小在整个船的设计计算和整个系统的设计中都起着至关重要的作用。
首先,船体结构设计的基本思想应该明确。
1)船体的设计是在结构功能、构件重量、占有空间和制造工艺等几个相互矛盾的需求中寻找一个平衡的解决方案。
2)总体的结构设计解决方案也非唯一的。
3)在所有的考虑因素中,安全性对结构设计是最重要的。
其次,对于船体结构设计中的一些问题加以分析与解决。
1)船体结构设计应尽可能满足所要求功能的合理需求。
2)有些船体结构上的问题,其可行的解决方案需要遵从其他专业的设计,
应积极合理配合。
鉴于船上各部分零部件的安装和焊接都是在原始的船体的基础上完成的,故船体的结构设计要综合考虑多方面的因素。
比如:
1)船体的总体结构方面,包括单船体结构、双船体结构,以及多船体结构;
2)船体的形状方面,由于风向与水流会对船体的行驶造成阻碍,故适当的流线型以及斜角在设计都必不可少。
3)船体结构各部分的尺寸的设计是否合理;
4)船体的材料方面(力学性能),包括制造船体所用的材料的强度、硬度、塑性与韧性是否符合要求,耐疲劳性能、耐腐蚀性能以及材料的焊接性等工艺性能能否满足需求;
5)船的重量以及吃水深度是否符合需求;
6)船上各零部件的安装以及相互配能否满足要求,比如焊接方式、配合方式等等;
7)船的动力来源及其传输结构,等等;
8)船的平衡稳定性是否保证。
根据对所搜集资料的整理和分析,最终设计出来的水面垃圾自动打捞船的整体结构如图3-1所示:
图3-1船体结构三维图
图3-1为三维软件Pro/E画出来的船体结构。
在设计该水面垃圾自动打捞船的时候,我最重要的基础理念就是实用性强。
在不影响该船正常运行的基础上,简化其结构,美化外观,安全性高,平衡稳定性好,易推广。
1)船体采用左右船体对称,中空布置的双船体结构,再在两船体之间用杆件焊接起来,以起到连接加固的作用,该结构既减轻了船体重量,而且降低了船在行驶中的阻力;
2)左右船体的外壁采用的是5mm厚的薄钢板,且船的两侧外壁有15°
的倾
角,因此可构成上宽下窄的船体结构,有利于减小水流阻力;
3)为了便于垃圾的集中和收集,船的左右船体内侧的前端做成夹角为30°
的V形结构,以便于水面垃圾更容易输送到传输带上。
除了双船体结构外,考虑到传输装置的安装与配对,还应有的结构时:
1)左右船体内侧的前沿设有两块支撑板,支撑架上留有螺纹孔,其目的是通过螺栓连接来固定轴承座,以起到支撑大链轮轴的作用;
2)左右船体内侧的中间设有2个留有螺纹孔的凸台,目的是用来固定轴承座,以起到支撑小链轮轴的作用;
3)右船体内部设有一个U形支撑块,用于支撑固定电机,因为电机的输出轴和小链轮轴是通过联轴器连在一起的,采用U型块结构相对简单。
此外,考虑到支撑板自身以及承受的重力,为防止其弯曲变形,在支撑板下方和船体内侧间焊接一块肋板,以起到辅助支撑的作用。
为了便于收集以及各功能区互不干扰,在船的左右船体内均有隔板。
左船体设有2块隔板,前面将垃圾储存箱与杂物分开,最后的区域属于人的坐立区域;
右船体设有1块隔板,形成2个独立的空间,最后面的区域属于人的坐立区域,前面的区域为放置蓄电池区域、放置电动机和减速箱区域,这样的设置有效的把人的区域和垃圾的区域分开,同时利于空间的最大利用,还有利于两船的平衡。
考虑到动力装置的安装与固定,在船尾上部设有支架,主要是用来安装船用推进器,支架上开出2个圆形小孔,目的是保证船用推进器固定的可靠性。
此外,为了使船能在雨天工作,设计了顶棚。
图3-2为三维软件Pro/E画出来的顶棚结构。
图3-2顶棚
3.2船体材料的选择
3.2.1船体材料的介绍
船体的材料采用的是船体用结构钢,主要用来制造远航、沿海和内河航区船舶的船体结构,按照其最小屈服点划分强度级别为一般强度钢和高强度钢。
船用结构钢是用来制造船体及其附属结构的最主要金属材料。
为了使船体结构能在现代造船生产条件下顺利建造,也为了保证船的使用安全、可靠,船体除了需要合理的设计和正确施工工艺外,还要求船体结构钢材必须具有各项良好的技术性能,如强度、硬度、塑性、韧性、耐疲劳性能、耐海水腐蚀性能以及某些特殊性能,还必须具有良好的工艺性能,如冷热弯曲工艺性能和焊接工艺性能等。
中国船级社规范标准的一般强度结构钢分为:
A、B、D、E四个质量等级;
中国船级社规范标准的高强度结构钢为三个强度级别、四个质量等级:
A32、A36、A40、D32、D36、D40、E32、E36、E40、F32、F36、F40。
3.2.2船体材料的确定及相关参数
该水面垃圾自动打捞船主要是用在城市和风景区河道、湖泊水域的水面垃圾的打捞。
为了使船体不至于太重,故船体的钢板厚度定为5mm,在满足各方面的功能需求的情况下,选择船体材料为A32钢。
该材料的化学成分与力学性能为:
含碳量%,,含锰量为0.9%~1.60%,含硅量为0.5%,含磷量,含硫量,不含铌、钒2元素。
且该材料的屈服强度,抗拉强度~,伸长率。
3.3船体重要尺寸
船体顶长3200mm,船侧倾角15°
,船体总宽2800mm,单船体宽1000mm,船高700mm,顶棚长3060mm,高2130mm,宽2800mm,船体前端内侧夹角。
其余尺寸经设计后如图3-2所示。
图3-2船体结构二维图
3.4船的排水量和吃水深度的计算
船的排水量是用来表示船尺度大小的重要指标,船的排水量的计算也是为计算船在一定载重条件下的最大吃水深度做准备的。
船的排水量又可分为轻排水量,重排水量和实际排水量。
(一)轻排水量(LightDisplacement),又称空船排水量,是船舶本身加上船员和必要的给养物品三者重量的总和,是船舶最小限度的重量。
(二)重排水量(FullLoadDisplacement),又称满载排水量,是船舶载客,载货后吃水达到最高载重线时的重量,即船舶最大限度的重量。
(三)实际排水量(ActualDisplacement),是船舶每个航次载货后实际的排水量。
在设计该垃圾打捞船时,重点考虑的就是该船在满载的情况下,最大的排水量是多少,从而计算出此时的最大吃水深度,从而来判断船体的高度设计是否合适。
故在这里要研究的就是该船的重排水量。
3.4.1船体质量的计算
利用数学公式可估算出船体的体积V。
由质量的计算公式(其中)可得:
船体的质量为
3.4.2重排水量的计算
船在满载时的总质量m总=m船+m人+m蓄电池+m电极+m电机+m垃圾
其中船体的重量约为1750kg,人的重量约为70kg,蓄电池的重量为20kg,电机的重量为20kg,所能存储的垃圾的最大重量约为50kg
故总质量
由公式(其中)可得
V排=/
=
该船的重排水量为
3.4.3最大吃水深度的计算
该船的面积由数学公式可得A6.4㎡
由公式可得船的最大吃水深度为
/
该船的最大吃水深度为298mm,而船体的高度为700mm,故船体的高度满足需求。
四动力装置的设计
4.1蓄电池的选择
蓄电池也称二次电池,是将所获得的电能以化学能的形式贮存并可将化学能转化为电能的一种电学装置。
蓄电池按电解质不同,通常分为碱性蓄电池和酸性蓄电池。
近年来,由于交通、通讯、计算机产业的高速发展,其产品系列、产品种类、产品性能发生巨大变化,以满足不同用途的需要。
蓄电池主要应用于各种车辆、船舶、飞机等内燃机的起动以及照明、点火、蓄能、应急电源、电话交换机、不间断电源、移动通讯、计算机、电子、仪表、便携式电动工具、电动玩具中等。
鉴于该作品设计的目的是研制一种具有环保、高效、技术先进的环保型水面垃圾自动打捞船,故选用蓄电池作动力源。
蓄电池在这次设计中有两方面的作用,一方面是带动便携式船用推进器(马达),以实现船在水中的行驶和转向;
另一方面是驱动电机,进而带动垃圾输送装置以实现垃圾的输送。
船用电池一般用200AH(或150AH)扁头电
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