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1、大连理工大学硕士学位论文黄河专用新型液压自动抛石机设计与试验研究姓名：谢军申请学位级别：硕士专业：船舶与海洋工程指导教师：宋希庚;邹广德20030801摘 要抛石机是黄河抛石抢险和根石加固的主要工程装备。目前国内外各种抛石机存在的共同问题是：机械化程度低：适应性差；移动困难；抛石效率低；可靠性差。钊对L述问题，作者论文工作的重点是研究开发了一种黄河专用抛石机YP A型液压自动抛石机。该抛石机是在借鉴国内外工程机械设计成功经验的基础上，综合运用机构运动学原理、液压传动技术研究开发的新一代抛石装备。本文对该抛石机的关键零部件进行了传统的设计计算。本文还利用ANSYS软件对受力较大、易变形的抛石机料
2、斗和滑槽进行了静态工况下的有限元计算分析，并通过静态试验分析对计算结果进行了验证，提出了进一步改进料斗和滑槽的建议。最后，本文对YPA型液压自动抛石机进行了抛石试验，试验结果表明该抛石机在机械化程度、适应性、移动灵活性、抛石距离和效率、可靠性等方面均比国内外目前同类抛石机械均有明显改善。关键词：抛石机：设计计算；有限元分析；静态试验AbstractThe stone。casting machinery is the main equipment at the time of rushing to deal with anemergency by casting stone and reinfo
3、rcing bank with stone for Yellow RiverThere are moreproblems in adaptability,mobility,efficiency,reliability,etc for current domestic and internationalmachinery for casting stoneFor above problems，the key research of this paper is to develop a kind of specialstonecasting machinery for Yellow Riveg h
4、ydraulic stonecasting machineryOn the basis ofthe successful experience in designs ofdomestic and international construction machinerN makingfull use of the principle of mechanism and hydraulic technology,a new type of machinery foistonecasting has been developedAnd the traditional design calculatio
5、n for key Darts of themachinery is performed in this paperYet，this paper performs Finite Element analysis for thehopper and the runner with the software of ANSYS and validates the results by captive tests andsuggests some measures to improve the hopper and the gtllmeLin the end，stonecasting experime
6、nts are performed with the type of hydraulic stone-castingmachineryAccording to the results of the experiments，we can see that this type of hydraulicstone-casting machinery attains obvious improvements in the aspects of the level ofmechanization，adaptability,mobility，the efficiency and distance of s
7、tone-casting，and reliabilityetc compared with all kinds ofcurrent domestic and jnternational stone-casting machineryKey words：Stonecasting machinery；Design and calculation；Finite Element analysis；Captivetest黄河专用新型液压自动抛石机设计与试验研究11引言第1章绪言洪水具有突发性、破坏性强等特点，是人类经常遭受的最为严重的自然灾害之一。我国是洪水灾害多发地区，严重的洪水灾害，对社会生产力造成
8、很大破坏，严重影响社会经济的发展。 +黄河洪水暴涨暴落，水势凶猛，含沙量大，在历史上多次改道迁徙，被称为“中国之忧患”。在治理黄河的长期斗争中，我国劳动人民创造了许许多多抢险方法和抢险器具，其中抛石护根就是一种防止堤坝坍塌的传统抢险方法。多少年来，利用人力进行抛石，不但费时费力，而且旌工不安全，效率低下，甚至会贻误抢险时机，导致险情扩大。因此，对于如何提高抛石效率，减轻劳动强度，一直成为各级治黄机构和专家高度关注并大力投入研究的课题。近年来逐渐发明使用的各种抛石排，仍然未能实现机械化，只是利用简易滑槽加大了抛石距离，而且抛石排庞大笨重、不仅安装不便、移动困难，而且适应性差，抢险效率低下。为了把
9、黄河防汛抢险从繁重的体力劳动中解脱出来，彻底改变险工坝岸抛石抢险机械化程度低、效率低下、不能满足快速抢险需要的状况，特拟定本课题的研究。12研究意义在河道整治工程上，险工修建历史悠久。仅就黄河而言，当前，黄河下游有险工、控导(护滩)工程320余处，坝岸8400余道，工程长度超过540km，其护根大部分为乱石结构，出现险情后，散抛乱石更是主要的抢护方法。传统抛石排操作需要4-6人，搬运、安装、移动时，因地势恶劣，非常困难。如果设计一种液压自动抛石机操作人员无需下堤，通过液压系统就可以把抛石机安装到位、自动抛石。这样，不但减小了人员伤亡的危险，而且可以实现抗洪抢险的机械化，大大减轻操作者的劳动强度
10、，节约抢险时间，提高抢险效率，增强抗御洪水的能力。另一方面，近年来国家加大了治理的投资力度，仅黄河下游而言，就有大量的险工、控导工程需要加固、改建或新建，用石量巨大，目前的旌工方法多为人工抛投，一次不容易到位，采用抛石机抛投可以大大降低费用和施工成本。因此，对“黄河专用液压抛石机的设计计算与试验”的课题进行立项研究具有重要意义，它的研制成功必将产生巨大的经济效益和社会效益，也必将在黄河的堤坝防护、防汛抢险、工程施工中得到广泛应用，推广应用前景广阔，将为防汛抢险增添强有力的手段，为保护黄河沿岸广大地区的人民生命财产安全做出重要贡献。该课题的立项研究，对其它、抛石机具的研究和应用也具有重要的借鉴和
11、指导意义。对抛石机具的各主要结构件进行有限元分析及试验研究，是研究其可靠性，寻求最佳结构设计方案的主要手段。抛石机械由于其结构复杂及作业载荷复杂多变，以往采用黄河专用新型液压自动抛石机设计与试验研究经典力学的方法进行结构分析，往往带有很大的局限性。以往对抛石机具结构的设计，主要采用经验设计。为了能够计算，往往采用较多的假设和简化，计算模型只能构造的非常简单，与实际的结构相差很大，所以计算是粗糙的、很不精确的。由于有限元的一个独特优点是可以求解结构形状和边界条件都相当任意的力学问题。所以有限元法出现以后，立即就应用在工程机械结构的计算之中，成为一种可靠的新的理论计算方法。因此，利用有限元软件对抛
12、石机的结构进行计算分析，并结合试验分析对抛石机结构件进行设计计算是提高抛石机结构件设计水平、设计效率、可靠性、安全性的有效途径。应用有限元法对抛石机结构件进行计算分析，是一项综合的工作。它包括从结构的物理力学模型抽象为有限元计算的数学模型，计算程序的选择或修改在计算机上实施，以及计算前后大量信息数据的处理等这样一个全过程。这个过程最后获得的主要数据是：结构的应力分布、变形分布，内力分布等。利用这些数据，就可以对所研究的结构进行相应的分析，分析的目的包括：a进行结构的最优方案设计：b分析结构损坏原因，寻找改进途径。11研究分析结构件的结构特点，并根据结构件的结构特点形成有限元计算模型是利用有限元
13、软件进行计算分析的关键。因此，如何判断计算模型的准确性是非常重要的。最常用的方法有：a将有限元计算结果与试验结果比较判别；b根据理论计算结果(如果存在的话)及常识进行判断：c对同一问题用其它程序计算的结果进行比较判断。“1鉴于市场经济发展的要求，企业在自主开发过程中对试验研究的要求已十分迫切，工程机械的特点是大量采用结构件、液压液力传动、机械传动和电子控制技术等。对于技术复杂的工程机械的开发生产，试验研究仍是保持竞争优势的主要方面。疲劳试验、液压传动与控制、电予控制技术等方面的试验研究将是工程机械今后的主要发展方向。综上所述，该课题的立项研究是根据黄河防汛抢险的实际需要，综合考虑各方面的因素，
14、在大量分析国内外抛石机具研究现状的基础上提出来的，同时又顺应了国内外工程机械结构件设计计算及试验研究的发展趋势，是一个现实可行而具有一定前瞻性的有研究意义和应用价值的课题。13国内外研究现状由于人工抛石费时费力，而且施工不安全，效率低下，甚至会贻误抢险时机，导致险情扩大，近年来黄河系统各单位对此进行了大量深入细致的研究，借鉴国内外抛石机具的设计经验，结合黄河险工根石加固和坝头防汛抢险的特点，在大量试验研究的基础上，发扬开拓创新的精神，不断完善、改进。形成了目前几种较为成熟的抛石机具，比较典型的有弹性抛石排和自由移动式抛石排等。弹性抛石排截面成“”型，主排由钢管平行排列组成，底面由槽钢横向连接，
15、从而形成槽形溜道，抛石板末端焊接11m左右长度的抛物线形弹簧钢板，直段与弹簧钢板连接处的两侧设置有可以升降的支撑，用来调节弹簧板的出石角度，整个抛石板的形状如溢流坝面，具有结构简单、经久耐用的特点，但机械化程度低，安装移动很不方便。6黄河专用新型液压自动抛石机设计与试验研究1自由移动抛石排由抛石排、万向轮组成，附属设备有牵引动力、自卸三轮车(抛石用)和人工升降器。抛石排分四节，Fh角钢焊接而成，万向轮安放在抛石排的首端、尾端及各节的首尾连接处，操作时首先把抛石排各节用铁链连为一体，上节的尾端搭在下节的首端，首尾相接顺坝坡而下至坝脚需增加石料部位。以上各种抛石排存在的共同问题就是：灵活性差，必须
16、由人工组装使用，每节需46人才能拖动，劳动强度大，移动困难，抛石效率低下，而且安全系数小，安装人员需到坝下操作，汛前根石加固尚可，一旦遇到洪水抢险时，由于坝前水位较高，操作人员无法下堤进行安装，影响使用，以致贻误抢险时机，导致险情扩大，造成黄河流域广大地区人民生命财产安全的损失。在认真调查国内其它单位抛石机具研究成果后，我们发现，目前各种抛石机具存在的共同问题是：机械化程度低、适应性差、移动困难等。据资料查询和查新检索表明：国外没有抛石机具的研究报道。14研究内容液压自动抛石机的结构主要分为移动装置、滑槽、料斗、行走装置、配套动力五个部分。本课题的主要研究内容如下：1滑槽的结构设计、强度校核、有限元计算及试验分析。由于滑槽结构受力复杂，在抛石过程中受撞击后易产生较大变形，从而影响抛石的效率和精度。有时甚至会发生断裂破坏，因此，滑槽的结构设计与有限元分析及试验非常重要：2联接部位的结构设计，强度校核、有限元计算及试验分析：3，开合机构的设计、强度
