一种直角坐标式船舶系泊辅助机械臂液压系统设计开题报告

全文总字数：4317字

1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1设计目的

传统船舶靠岸停靠时，需要工作人员手动用粗大的缆绳将船舶系缚在码头；而当船舶离岸始出时，需要工作人员手动解开缆绳。而随着几十年的发展，造船业、航运业发展壮大，使得港口设施和相应的船舶吨位也越来越大，系缚船舶的缆绳越来越粗，而系泊工作也变得越来越危险且困难。据不完全统计，每年港口因带缆作业发生伤亡事故的人数都高达数百。除此之外，通过缆绳系泊的船舶在环境的影响下运动量依然较大，这大大降低了传播的装卸作业速度，时常还会发生缆绳断裂的事故。全球经济的迅速发展对船舶的周转速度要求加快，市场激烈的竞争也要求船舶运营的经济效益更高。相比传统的船舶人工缆绳系泊，自动化系泊系统突破了传统的系泊模式，不使用任何绳索，能在短短时间内就完成系泊作业，具有安全、可靠、高效、经济等多项优点，不仅大大减缓了工人的工作压力，相较于传统的缆绳系泊，它能够系泊超出码头结构长度的船舶，从而降低码头长度，减少码头造价，还减少了码头占用空间，提高了码头的使用效率。

1.2设计意义

自动化系泊系统是采用真空吸附盘产生的吸附力来代替传统缆绳的拉力，通过液压技术将船舶牢牢地停靠在码头上。而真空吸附盘在超负荷时，能够滑动且密封的内部不会产生较大形变，所以其吸附力不会损失太多。系统的每个媳妇盘在横向、纵向以及垂直方向上存在3个自由度，用于对船舶的运动做出相应的自动调整。自动化系泊系统能尽量减少带缆作业带来的危险，为船员和港口工作人员提供更加安全的工作环境。系统能够将船舶迅速、稳稳地停靠至码头泊位，为后续装卸工作提供了相对稳定的工作平台，提高了码头的装卸效率。它还减少了船舶靠泊作业的时间，降低了系泊作业完成前拖船在船舶周围的航行时间，从而减少了整个工作废气的排放，对生态环境起到了一定保护作用。系统的吸附盘是作用于船壳的中间部分，相比传统作用于船艏和船尾的缆绳，它一定程度上使得船舶占用码头的长度减少，提高了码头的使用效率。除此之外，自动系泊装置一般可随潮汐、压排水、装卸货等自动进行调节，不但大幅降低了相关工作人员的劳动强度，而且一定程度上抵御因装卸货，压排水而产生的船舶横倾。

1.3国内外现状分析

无缆绳系泊的码头自动化系泊系统，相较于传统船舶系泊方式，它具有安全、高效、经济、环保等众多优点，并且自动系泊技术还在不断发展，其运营效益潜力巨大。其相关的一些产品已经通过了英国劳氏船级社和挪威船级社的实验和评估。数以万计的无缆绳系泊作业的成功，证实了该系统的安全、高效和实用性。目前，自动系泊系统在国外已存在不少成功应用的实际案例，如澳大利亚杰拉尔顿港采用的moormster真空式自动系泊系统，然而在国内尚无应用。随着世界的发展，自动系泊系统为各地区的港口运营商和航运公司带来的效益日渐显现，其应用范围由客轮码头到集装箱码头再到散货码头，正在逐渐扩大，有代替缆绳系泊的发展趋势。并且随着无人船技术的发展，相信无人的自动系泊将会有更大发展应用空间。故而将先进的自动系泊技术应用于港口建设改造中，是我国港口现代化、自动化的发展趋势之一。

2. 研究的基本内容与方案

2.1设计基本内容

了解自动系泊辅助机械臂的工作流程及原理，分析机械臂的设计方案，理解机械臂的运动学和动力学特性，对机械臂的工作情况进行计算分析，设计适用于该机械臂结构的液压驱动系统方案，详细计算并选型有关液压元器件，设计并绘制机械臂的液压系统原理图和相关零部件图，完成设计说明书的编写等。

2.2设计目标

船舶自动系泊是智能船舶领域的重要组成部分，本课题拟为自动系泊提供一种用于辅助船舶系泊的码头系泊机械臂的液压驱动系统。使得这种机械臂能够实现三自由度直角坐标运动，通过驱动真空吸盘实现靠泊船舶的自动系泊，相较传统系泊更加安全环保、快速高效。

2.3设计方案及措施

船舶系泊辅助机械臂主要由传动装置、支撑装置和真空吸附盘组成。其工作流程为，通过传动装置实现真空吸盘在横（X）、纵（Y）以及竖直（Z）三个方向上的移动从而对待系泊的船舶进行定位。当船舶在首尾方向上偏离垂直中轴线一定程度时，吸盘可自动脱离船壳，通过传动装置调整位置再自动吸附至船舶；当因潮汐、压排水或装卸货物船舶产生Z向位移时，Z向传动装置可相应运动自行调节；当船舶因外力而有沿着X轴离开码头的趋势时，可调节吸盘吸附力从而保证安全系泊。

如图2.3.1所示为机械臂液压系统设计思路图。

（1）明确机械臂的基本功能和工作技术要求，分析机械臂在系泊时的工作流程；

（2）根据机械臂的工作方式选用配置合适的液压执行元件；

（3）对其工作时的各个环节进行动力分析和运动分析；

（4）确定设计液压系统需要用到主要参数；

（5）根据以上计算分析绘制执行元件的工况参数分析图表；

（6）初步拟定整个机械臂的液压原理图；

（7）对整个液压系统选用标准元件，无法找到适用标准元件还需另设计专用元件；

（8）对整个系统进行如压力损失、系统温升等的必要性能验算；

（9）查验验算结果是否合格，如若不合格，则需对症下药重新设计；

（10）最后确定整个系统的液压装置和电控装置，如选择确定元、辅件的连接装配方案、具体结构等，设计编写机械臂的PLC控制程序；

（11）全面检查整个液压系统，整理并撰写设计说明书。

3. 研究计划与安排

1-2周：收集相关文献资料，思考设计内容和技术方案，撰写开题报告；阅读外文文献及翻译；

3-6周：完成机械臂液压系统的方案，计算和元器件选型等；

7-8周：完成液压系统的结构设计；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]张利平,山峻. 液压站设计与使用维护[m]. 北京: 化学工业出版社, 2013.

[2]张海平. 液压速度控制技术[m]. 北京: 机械工业出版社, 2014.

[3]雷天觉. 新编液压工程手册[m]. 北京: 北京理工大学出版社, 1998.