摘 要

本文以船坞进出港牵引机构为参考，根据贵州重大专项课题要求，在实验室环境中设计出牵引绞车结构的初步方案，在实验室水池给定的通航条件下（航道和被牵引船舶的相关参数已知），设计牵引绞车模型，包括导向装置、驱动装置、控制机构、牵引装置的设计选型。并通过在实验室环境下，进行通航隧洞内牵引模型试验，对实验牵引绞车模型试验验证。

本文特色：在航道和船舶的相关参数已知情况下，计算得出实际牵引绞车速度、所需提供牵引力大小等相关数据，经过一定比例缩放得出实验牵引绞车相关数据，并以此为根据，对牵引绞车模型各个设备装置之间的选型计算工作，采用力学方法对各个设备进行受力选型工作及稳定性分析，进而得出一个合理尺寸的结构。

构击实验牵引系统平并在实验室环境下对通航隧洞船舶牵引机构模型试验论证其可行性，以及对牵引方案进行评估，将有助于为课题项目提供指导和借鉴意义，为牵引绞车运动控制方案提供试验平台。

关键词：牵引绞车；船舶曳引系统；隧洞通航；模型设计

Abstract

Taking the traction mechanism in and out of the dock as a reference, according to the requirements of Guizhou major special subject, this paper designs the preliminary scheme of the traction winch structure in the laboratory environment, designs the model of the traction winch, including the design of the guiding device, the driving device, the control mechanism and the traction device under the given navigation conditions in the laboratory pool (the relevant parameters of the channel and the towed ship are known). Type selection. The model test of traction system in navigation tunnel is carried out under laboratory environment to verify the model test of experimental traction winch.

The characteristics of this paper are as follows: when the relevant parameters of the channel and ship are known, the actual speed of the traction winch and the required traction force are calculated, and the relevant data of the experimental traction winch are obtained by scaling in a certain proportion. Based on this, the selection and calculation of various equipment and devices in the model of the traction winch are carried out, and the force of each equipment is exerted by mechanical method. Selection work and stability analysis, and then get a reasonable size of the structure.

The model test of ship traction mechanism in navigable tunnel and the evaluation of traction scheme will be helpful to provide guidance and reference for the project and provide a test platform for the motion control scheme of traction winch.

Key Words：Traction winch; Ship towing system; Tunnel navigation; Model design

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究目的与意义 3

1.4 本文主要研究内容 4

第2章 牵引系统的设计 5

2.1 牵引系统工作原理 5

2.2 牵引系统设计方案 5

2.2.1牵引系统组成 5

2.2.2 牵引系统设计要求 7

第3章 牵引力计算及分析 8

3.1 实船牵引绞车提供最大加速度的必须牵引力计算 8

3.2 实验船模中牵引绞车提供最大加速度的必须牵引力计算 10

3.3 船舶运行阻力的相关计算 12

第4章 牵引绞车具体设计及选型 16

4.1牵引绞车定位轨道设计及选型 16

4.1.1 国内外现有轨道设计方案 16

4.1.2 实验室牵引定位轨道设计方案 18

4.1.3 轨道参数设计及选型 18

4.2 车架选型 21

4.2.1 车架选用要求 21

4.2.2 车架设计方案 22

4.3 传动齿轮与齿条计算及选型 24

4.3.1 选定齿轮类型、材料及齿数 24

4.3.2 计算接触疲劳许用应力[σH] 25

4.3.3 计算齿轮齿条传动相关尺寸 26

4.3.4 齿轮参数和几何尺寸总结 28

4.4 电机计算及选型 29

4.5 减速机选型 31

4.6 轴承计算及选型 33

4.7 卷扬机选型 34

4.7.1 卷扬机具体设备选型 34

4.7.2 卷扬机使用时的注意事项 36

4.8轴类零件选型 36

4.8.1 传动轴齿轮选型 36

4.8.2 传动轴 39

第5章 牵引系统模型及实验分析 41

5.1 牵引绞车总体机械模型 41

5.2牵引绞车电源选择 47

5.3 牵引机构牵引船舶方案 48

5.4 牵引机构牵引船舶通航模拟分析 52

第6章 主要结论与展望 60

6.1 本文完成的主要工作 60

6.2 展望 60

参考文献 62

致 谢 63

第1章 绪论

牵引绞车是曳引系统中最重要的机构之一，是工业生产中一种用途广泛的机械设备，在矿山工程、船舶运输、海洋石油等诸多领域都发挥着重要作用。牵引绞车通过动力驱动牵引机构，带动提升或牵引重物。由于工作环境限制，牵引绞车必须在恶劣工况下完成一系列的牵引工作，这对牵引绞车自身的安全性，可靠性以及控制端的稳定性有着极大的要求。

1.1 研究背景

乌江作为贵州省第一大河,长江上游右岸最大支流,是国家规划的“两横一纵两网十八支线”内河高等级航道重要组成部分,也是贵州省“两主三辅”出省水运主通道的骨干。峡谷河流超高水头梯级水运通道开发关键技术研究及应用是专门解决高山峡谷地区河流通航问题的关键技术专项研究,目前课题组针对乌江通航隧洞长距离、超大断面等特点，结合通航隧洞内船舶运行条件和标准船型特征，综合分析通航隧洞内各种船舶运行方式的适应性；重点开展通航隧洞内船舶曳引系统关键技术研究，根据船舶结构特点和隧洞航道结构情况，模拟牵引系统运动和荷载，解决牵引船舶运动轨迹的精确控制问题，提出安全、可靠、节能环保的船舶牵引系统方案，并进行相关模型试验验证。

其中，针对船舶在长距离隧洞内的通行问题,通航隧洞船舶牵引机构设计与研究是船舶在隧洞通行过程中的关键之处。其设计需考虑借鉴国内外船舶牵引机构设计,以及国内大型船坞牵引系统，使船舶在隧洞只通过牵引绞车外力和水流浮力运行,尽可能规避船舶受有限空间、长距离、等复杂通航环境的影响而可能产生的诸多安全险。

本文则以通航隧洞船舶牵引机构设计为目标，在实验室水池给定的通航条件下（航道和被牵引船舶的相关参数已知），设计模拟牵引绞车在实验室水池环境下工作状态，采用4台牵引绞车，成一定角度拉动试验小船前进行通航隧洞内曳引系模型试验。通过实验室环境下，对实验牵引绞车进行相关模型试验验证。

因此，在实验室环境下对通航隧洞船舶牵引机构模型试验论证其可行性将有助于为课题项目提供指导和借鉴意义，为曳引绞车运动控制方案提供试验平台。

1.2 国内外研究现状

船舶牵引技术早已在运河船闸有着广泛的应用，如巴拿马船闸，采用固定轨道式牵引方案；国内大型船坞中船舶进出船坞牵引技术也有很多种形式（图1.1（a））。 如图1.1（b）所示为较为普遍的方案：当船舶进出船坞时，船首先有两侧的牵引绞车固定牵引，轨道牵引绳与牵引绞车固定连接。此时一侧卷筒转动带动轨道牵引绳转出，另一侧卷筒转动收回，形成一条回路。回路中牵引绳的往复运动带动牵引绞车向前移动并使得船首进入此后随着船舶的进入，安置在两岸的引船绞车与船舶连接并带动船舶向前运动完成牵引工作。

图 1.1（a） 船舶进坞过程示意图

图 1.1（b） 船舶进坞过程示意图

随着经济的发展，20世纪80年代以后建设的船坞通常采用的牵引系统设计包括：轨道设计、牵引绞车设计，控制回路等几部分。其中，牵引绞车设计中又需要对以下装置进行详细设计：牵引装置、动力装置、以及整个绞车的结构设计。

在牵引系统设计中，为提高工作效率以及牵引系统工作的安全性，在新建船坞和运河船闸中开始采用横向定位车，如图1-1两幅牵引图所示。横向定位车的作用是在船进坞的过程中始终保持船舶不过多偏离船坞中心线。船舶进出航道时，船首先有牵引绞车带动进入航道，然后横向定位车固定船身，此时横向定位车只起到固定船身的作用，不提供船舶向前的牵引力。

国内外绞车设计研究表明，当牵引绞车沿引船轨道运行，除承受纵向拉力外，还要承受横向倾覆力，其次，钢丝绳的连接方式，牵引绞车与钢丝绳由卸扣直接连接，在受力上，牵引绞车承受横向力较小，但承受纵向牵引力要大。 船舶牵引系统作为船舶通航运行时的重要组成部分，其性能直接关系到船舶是否能够安全进出航道。

由夏天，赵立光，李文岩等研究学者提出基于 MMG 模型理论，构建了船坞牵引( 定位) 绞车-缆绳-船舶系统的动力学方程。通过数值计算，模拟了船舶在海上工况条件下进坞运动过程的动态响应，以及缆绳张力的变化情况。重点研究探讨了牵引缆绳长度、牵引绞车启动加速时间以及牵引速度等因素对牵引缆绳受力的影响。通过研究计算结果表明，牵引缆绳张力作为船坞牵引系统的主要外载荷，一方面为船舶进坞运动提供动力; 另一方面为限制船舶横向位移提供主要作用。适当加长缆绳长度、延长绞车启动加速时间以及降低绞车牵引速度，可显著改善引船系统所受载荷情况。其相关结论可作为隧洞通航船舶牵引机构的设计与研究提供依据和指导。

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