[发明专利]匹配船体的侧推封盖系统优化设计方法

权利要求书

1.一种匹配船体的侧推封盖系统优化设计方法，包括传动机构运动学优化设计和载荷计算设计方法，其特征在于，具体步骤如下：

一、传动机构运动学优化设计

第一步：建立局部坐标系与全局坐标系

以O₂为中心、O₂O₃为坐标轴建立局部坐标系X₂O₂Y₂；以O₂为中心、O₁O₂为坐标轴建立局部坐标系X₁O₂Y₁；以O₃为中心、O₃O₄为坐标轴建立局部坐标系X₃O₃Y₃；以O₂为中心、以管隧筒体轴线为坐标轴，建立全局坐标系XOY；传动机构运动学参照坐标系如下：

1)基于局部坐标系X₂O₂Y₂，建立连杆机构O₂ABO₃，含ABC的运动学方程式；

2)基于局部坐标系X₁O₂Y₁，建立连杆机构O₂DFO₁运动学方程式；

3)基于局部坐标系X₃O₃Y₃，建立连杆机构O₃EGO₄运动学方程式；

4)基于局部坐标系X₂O₂Y₂，建立局部坐标系X₁O₂Y₁、X₃O₃Y₃相对于局部坐标系X₂O₂Y₂方程；

5)再基于全局坐标系XOY，建立局部坐标系X₂O₂Y₂相对于全局坐标系XOY方程，完成三副四连杆机构运动学数学建模；

第二步：建立连杆机构O₂ABO₃，含ABC的运动学方程式

在局部坐标系X₂O₂Y₂下，连杆机构O₂ABO₃的位置关系为

以上方程可解得φ₃、φ₂与φ₁的对应关系，O₂、A、B、O₃、C位置坐标可表示为

油缸杆端C与铰支点P之间距离为

其中：l₁为转动臂L_O2A长度，l₂为连接臂L_AB长度，l₃为转动臂L_BO3长度，l₄为中心距L_O3O2长度，为转动臂L_O2A与转动中心O₂O₃的夹角，为连接臂L_AB与转动中心O₂O₃平行线的夹角，为转动臂L_O3B与转动中心O₂O₃的夹角；

第三步：建立连杆机构O₂DFO₁运动学方程式

在局部坐标系X₁O₂Y₁下，连杆机构O₂DFO₁的位置关系为

s₁cosβ₁+s₂cosβ₂＝s₄cosπ+s₃cosβ₃ 1-(9)

s₁sinβ₁+s₂sinβ₂＝s₄sinπ+s₃sinβ₃ 1-(10)

以上方程可解得β₃、β₂与β₁的对应关系，O₂、D、F、O₁位置坐标可表示为

其中，s₁为转动臂L_O2D长度，s₂为连接臂L_DF长度，s₃为转动臂L_FO1长度，s₄为中心距L_O1O2；β₁为转动臂L_O2A与转动中心O₁O₂的夹角，β₂为连接臂L_DF与转动中心O₁O₂平行线的夹角，β₃为转动臂L_O1F与转动中心O₁O₂的夹角；

将局部坐标系X₁O₂Y₁转到局部坐标系X₂O₂Y₂，相当于局部坐标系X₁O₂Y₁绕O₂轴逆时针旋转α₁₂，其位置新坐标为

第四步：连杆机构O₃EGO₄运动学方程式

在局部坐标系X₃O₃Y₃下，连杆机构O₃EGO₄的位置关系为

c₁cosγ₁+c₂cosγ₂＝c₄cos0+c₃cosγ₃ 1-(20)

c₁sinγ₁+c₂sinγ₂＝c₄sin0+c₃sinγ₃ 1-(21)

以上方程可解得γ₃、γ₂与γ₁的对应关系，O₃、E、G、O₄位置坐标可表示为

其中，c₁为转动臂L_O3E长度，c₂为连接臂L_EG长度，c₃为转动臂L_GO4长度，c₄为中心距L_O4O3，γ₁为转动臂L_O3B与转动中心O₃O₄的夹角，γ₂为连接臂L_EG与转动中心O₃O₄平行线的夹角，γ₃为转动臂L_O4G与转动中心O₃O₄的夹角；

将局部坐标系X₃O₃Y₃转到局部坐标系X₂O₂Y₂，相当于局部坐标系X₃O₃Y₃绕O₃轴逆时针旋转α₃₂角度，并按平移，新坐标为

第五步：基于全局坐标系XOY位置计算

局部坐标系X₂O₂Y₂转换到全局坐标系XOY，相当于连杆机构所有坐标绕O₂逆时针旋转α₂₀角度，旋转矩阵为

将连杆机构所有位置在局部坐标系X₂O₂Y₂下的坐标表示为转换到全局坐标系XOY下的坐标表示为则

二、传动机构载荷计算方法设计

第一步：整体受力分析

以传动机构整体为研究对象，其受到的外力为四个转动轴传递的扭矩T₁、T₂、T₃、T₄和油缸给予的驱动力F_PC，扭矩与驱动力达到受力平衡，在开启状态下，侧推装置工作时，工况最恶劣，以此工况作为计算工况；

第二步：连杆机构受力分析

采用虚位移原理对机构进行受力分析，连杆机构保持开启状态时，在油缸作用力F_PC作用下，C产生虚位移δ_C，A产生虚位移δ_A，B产生虚位移δ_B；

在油缸作用下的虚功表达式为

式中：

T′₂、T′₃分别为转动臂AO₃、BO₂受到的力矩；

δ_φ3为位移δ_C对应的角度，

δ_φ2为位移δ_B对应的角度，

θ_PC为油缸作用力F_PC与虚位移δ_C夹角，θ_PC＝γ_A+γ_B-γ_C-θ_C，

根据连杆机构几何关系，可得到虚位移关系

δ_Acosθ_A＝δ_Bcosθ_B 2-(2)

δ_Acos(θ_A+γ_A)＝δ_Ccosθ_C 2-(3)

δ_Bcos(γ_B-θ_B)＝δ_Ccos(γ_A+γ_B-θ_C) 2-(4)

对于杆件GO₁，建立力矩平衡方程，

F_EGsinε₁L_GO1＝T₁ 2-(5)

对于杆件FO₄，建立力矩平衡方程，

F_DFsinε₈L_FO4＝T₄ 2-(6)

力矩T′₃计算公式为

T′₃＝T₃+F_FDL_DO3cosε₇ 2-(7)

力矩T′₂计算公式为

T′₂＝T₂+F_GEL_EO2cosε₂ 2-(8)

对于杆件BO₃，建立力矩平衡方程，

F_Bsinε₃L_BO3＝F_GEsinε₂L_EO3+T₂ 2-(9)

对于杆件ABC，建立力平衡与力矩平衡方程，

F_PCcosε₉＝F_Bcosε₄+F_Acosε₆ 2-(10)

F_PCsinε₉＝F_Bsinε₄-F_Asinε₆ 2-(11)

F_Bsinε₄L_AB＝F_PCcosε₉L_CM-F_PCsinε₉L_AM 2-(12)

F_Asinε₆L_AB＝F_PCcosε₉L_CM+F_PCsinε₉L_BM 2-(13)

其中，θ_A为节点A虚位移δ_A与AB夹角，θ_B为节点B虚位移δ_B与AB夹角，θC为节点C虚位移δ_C与AC夹角，γ_A为∠CAB，γ_B为∠CBA，ε₁为F_EG与转动臂L_O1G夹角，ε₂为F_GE与转动臂L_O2E夹角，ε₃为F_B与转动臂L_O2B夹角，ε₄为F_B与连接臂L_AB夹角，ε₅为F_A与转动臂L_O3A夹角，ε₆为F_A与连接臂L_AB夹角，ε₇为F_FD与转动臂L_O3D夹角，ε₈为F_DF与转动臂L_O4F夹角，ε₉为F_PC与连接臂L_AB平行线的夹角；

联立以上方程，解得：油缸作用力F_PC；杆件内力F_DF、F_FD、F_A、F_B、F_GE、F_EG及其方向角度。