5噸卷揚機設(shè)計【三維SW】-機械畢業(yè)論文【答辯優(yōu)秀】

5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 摘要 隨著社會的發(fā)展，機械將會越來越取代人力，這也是機械行業(yè)飛速發(fā)展的后果，在機械的發(fā)展歷史中，新機械的發(fā)明有著舉足輕重的作用。但是，那些很久以前就被利用生產(chǎn)并一直延續(xù)到今天的機械，更是起著不可替代的作用，卷揚機就是一例。卷揚機的發(fā)展就像其他機械一樣，從開始的簡單到現(xiàn)在的復(fù)雜，從以前的機械動力到現(xiàn)在的電力動力，從以前的人工操作到現(xiàn)在的電腦操作甚至智能操作。本設(shè)計就傳統(tǒng)的卷揚機說起，一直到現(xiàn)在以及將來的發(fā)展。 本設(shè)計主要設(shè)計了 5 噸卷揚機的卷筒、卷筒軸、卷筒轂、減速器以及滑輪組。其中卷筒和卷筒軸的設(shè)計最為主要， 本設(shè)計重點做了介紹。其余部分由于篇幅有限，只是略作分析。 關(guān)鍵詞： 卷揚機；卷筒；卷筒軸；滑輪組 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 Abstract Along with societys development, the machinery will be able more and more to substitute for the manpower, this also will be the mechanical profession rapid development consequence, in the machinery substitution manpower development history, the new machinery invention has the pivotal function. But, these very for a long time on and continue continuously using the production to today machinery, is playing the role which cannot be substituted, the hoist is an example. The hoist development is likely same on other machineries, from starts simply until present complex, from beforehand manpower to present electric power, from beforehand manual control to present computer operation even intelligence operation. This design mentions on the traditional hoist, continuously to present as well as future development. The design instruction booklet has mainly designed 5 ton hoist reels, the reel axis, as well as the block and tackle. Reel as well as the reel axis design is most main, this design has made the introduction with emphasis. Because other parts the length is limited, only makes the analysis slightly. Key words: Windlass； Reel； Reel axis； Block and tackle 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 目 錄 摘 要 . Abstract . 第一章 概論 .1 1.1 卷揚機發(fā)展概況 .1 1.1.1 卷揚機的應(yīng)用 .1 1.1.2 卷揚機的發(fā)展概況 .1 1.1.3 國外卷揚機概況 .3 1.1.4 卷揚機的發(fā)展趨勢 .5 1.2 卷揚機主要類型 .5 1.3 電動卷揚機基本結(jié)構(gòu) .7 1.3.1 電控卷揚機 .7 1.3.2 帶有電磁鐵制動器的卷揚機 .8 1.3.3 采用錐形轉(zhuǎn)子電動機的卷揚機 .9 1.3.4 溜放型卷揚機 .10 第二章 起升機構(gòu)的組成及型式 .10 2.1 起升機構(gòu)的組成 .10 2.2 起升機構(gòu)的典型傳動型式 .12 第三章 鋼絲繩的選擇 .14 3.1 鋼絲繩的種類和構(gòu)造 .14 3.2 鋼絲繩直徑的選擇 .15 3.3 鋼絲繩的使用 .17 第四章 卷筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定 .18 4.1 卷筒的分類 .18 4.2 卷筒繩槽的確定 .19 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 4.3 卷筒的設(shè)計 .20 4.3.1 卷筒節(jié)徑 D0 的設(shè)計 .20 4.3.2 卷筒長度的計算 .21 4.3.3 卷筒壁厚的計算 .22 4.4 卷筒強度的計算 .23 第五章 卷筒軸的設(shè)計計算 .24 5.1 卷筒軸的受力分析與工作應(yīng)力分析 .24 5.2 卷筒軸的設(shè)計計算 .25 5.2.1 作用力計算 .25 5.2.2 垂直面支承反力及彎矩 .27 5.2.3 水平面支承反力及彎矩支反力 .27 5.2.4 計算工作應(yīng)力 .28 5.2.5 心軸的疲勞強度計算 .28 5.2.6 心軸的靜強度計算 .30 第六章 電動機的選擇 .30 6.1 電動機選擇 .30 6.2 驗算電動機的發(fā)熱條件 .32 第七章 減速器的設(shè)計計算 .32 7.1 減速器總傳動比計算 .32 7.2 減速器的計算 .33 7.2.1 分配 減速器的各級傳動比 .33 7.2.2 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) .33 7.2.3 圓柱齒輪的設(shè)計計算 .35 7.2.4 齒輪的參數(shù)設(shè)計 .36 7.2.5 齒輪軸的參數(shù)設(shè)計 .41 第八章 滑輪及 吊鉤選擇 .42 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 8.1 滑輪的結(jié)構(gòu)與材料 .42 8.2 滑輪的直徑計算 .44 8.3 吊鉤的結(jié)構(gòu) .44 8.4 吊鉤的計算 .45 第九章 制動器、聯(lián)軸器的選擇 .46 9.1 制動器分類、特點及其選擇 .46 9.2 制動器 工作原理 .47 9.3 聯(lián)軸器的選擇 .47 第十章 小車行走機構(gòu)設(shè)計 .48 10.1 軌道 .49 10.2 車輪與車輪組 .49 10.3 車輪直徑的計算 .49 第十一章 安全設(shè)計及電氣控制 .50 11.1 安全設(shè)計 .50 11.2 電氣控制 .51 第十二章 卷楊機的安全技術(shù) .52 謝詞 .53 參考文獻 .54 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 第一章 概 論 1.1 卷揚機發(fā)展概況 1.1.1 卷揚機的應(yīng)用 卷揚機又稱絞車，是起重垂直運輸機械的重要組成部分，配合井（門）架、桅桿、滑輪 組等輔助設(shè)備，用來提升物料、安裝設(shè)備等作業(yè)。由于它結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、維護保養(yǎng)簡單、使用成本低、可靠性高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于建筑、水利、冶金起重作業(yè)。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 提升重物是卷揚機的一種主要功能，所以各類卷揚機的設(shè)計都是根據(jù)這一要求為依據(jù)的。雖然目前塔吊、汽車吊等取代了卷揚機的部分工作，但由于塔吊成本高，一股在大型工程中使用，而且靈活性較差，故一般中小型工程仍然廣泛應(yīng)用卷揚機，汽車吊雖然靈活方便，但也因為成本太高，而不能在工程中廣泛應(yīng)用，故大多設(shè)備的安裝仍然是由卷揚機承擔(dān)的。卷揚機除在工程、設(shè)備安裝 等方面被廣泛應(yīng)用外，在冶金、礦山、建筑、化工、水電、農(nóng)業(yè)、軍事及交通運輸?shù)刃袠I(yè)亦被廣泛應(yīng)用。 1.1.2 卷揚機的發(fā)展概況 在很久以前的古代，就知道來用轆轤等來提升重物，以減輕體力勞動的強度和提高勞動生產(chǎn)率。在我國，解放前卷揚機只有在一些大型企業(yè)中才被使用，應(yīng)用很少，而且所使用的卷揚機也均為國外生產(chǎn)，國內(nèi)基本上沒有生產(chǎn)卷揚機的廠家。 我國卷揚機的生產(chǎn)是解放后才開始的。 50 年代為滿足恢復(fù)經(jīng)濟的需要和第5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 一個五年計劃的得要，卷揚機的生產(chǎn)被提到了日程上。原沈陽國泰機器廠 (阜新礦山機械廠前身 )等成批仿 制了兩種卷揚機，一種為日本的 JIS8001 型動力卷揚機，它是一種原動機為電動機動型式是開式圓柱齒輪傳動，雙錐體摩擦離合器，操作為手扳腳踩的快速卷揚機，另一種是按蘇聯(lián)圖紙制造的 1011 型和 1012 型普通蝸桿傳動、電控慢速卷揚機。由于當(dāng)時生產(chǎn)力不高，卷揚機的需求量亦不多，故這段時間國內(nèi)卷揚機的生產(chǎn)主要是仿制。 隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，到了 60 年代，卷揚機的生產(chǎn)和使用越來越多。為了協(xié)調(diào)生產(chǎn)，卷揚機主要生產(chǎn)廠家 (阜新礦山機械廠、天津卷揚機廠、山西機器廣、寶雞起重運輸機廠等 )組成了卷揚機行業(yè)組織，隸屬于第一機械工 業(yè)部礦山機械行業(yè)。為了發(fā)展卷揚機的生產(chǎn)，行業(yè)組織了有關(guān)廠家的人員對全國卷揚機的生產(chǎn)相應(yīng)用情況進行了調(diào)查。在調(diào)查的基礎(chǔ)上，開始自行設(shè)計和制造新的卷揚機，先后試制了 0.5t、 lt、 3t 電動卷揚機，但由于對當(dāng)時各廠家的生產(chǎn)能力估計不足，無法推廣。 從 70 年代起，我國卷揚機的生產(chǎn)進入了技術(shù)提高、品種增多的新階段。在各廠自行設(shè)計和生產(chǎn)的基礎(chǔ)上， 1973 年，由卷揚機行業(yè)組織了有關(guān)廠家和院校聯(lián)合進行了卷揚機基型設(shè)計，并充分考慮到了當(dāng)時中小廠家的生產(chǎn)能力?？焖倬頁P機的基型采用半開半閉式齒輪傳動，離合器采用單錐面石棉 橡膠摩擦帶結(jié)構(gòu)，操縱用手板剎車帶制動 (如圖 1-1)。慢速卷揚機的基型式為閉式傳動 (圓柱齒輪傳動或蝸桿傳動減速器 )、電磁鐵制動結(jié)構(gòu)。這兩種基型一直到現(xiàn)今還在生產(chǎn)。為適應(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要，當(dāng)時第一機械工業(yè)部發(fā)布了 JB926 74卷揚機型式與基本參數(shù)和 JBl803 76卷揚機技術(shù)條件兩個部標(biāo)準(zhǔn)，并把卷揚機行業(yè)劃歸常德機械研究所 (長沙機械研究院前身 )領(lǐng)導(dǎo)。隨著部標(biāo)準(zhǔn)的頒布，使卷揚機有了大發(fā)展的基礎(chǔ)。在此期間，由于石化工業(yè)的發(fā)展，大型設(shè)備很多，都需要吊裝，如一些大型反應(yīng)塔，塔的高度達七八十米，質(zhì)量達五六百噸，就 需要有大型吊裝用的卷揚機，因而各廠家相繼生產(chǎn)了 20t 和 32t 卷揚機 (圖 1 2)，滿足了經(jīng)濟發(fā)展的需要。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 1.1.3 國外卷揚機概況 在國外，卷揚機的品種繁多，應(yīng)用也很廣泛。在西方技術(shù)先進的國家中，工業(yè)水平先進，機械化程度不斷提高，起重設(shè)備也在不斷更新，下面介紹一下幾個外國主要生產(chǎn)的卷揚機的狀況。 （一） 美國 美國生產(chǎn)卷揚機的廠家有近百家，主要有貝波 (BEEBE)國際有限公司、哲恩 (THERN)有限公司等。 貝波國際有限公司成立于 1919 年，有七十多年的設(shè)計和生產(chǎn)實踐 經(jīng)驗。主要產(chǎn)品有，氣動鏈?zhǔn)骄頁P機 0.25 40t)，防爆拖式氣動卷揚機 (0.5 30t)，駁船卷揚機 (手動、氣動、電動、液壓， 25 75t)，電動鏈?zhǔn)骄頁P機 (0.25 20t)，電動葫蘆 (0.25 15t)電動卷揚機 (0.25 12.5t)，手動卷揚機 0.25 75t)，液壓卷揚機 (1 10t )，水平卷揚機 (1 9t)，手動鏈?zhǔn)骄頁P機（ 0.5 100t），棘輪牽引器 (1 1. 75t)，空中用運車 (0.5 20t)等。 哲恩有限公司是美國較大的生產(chǎn)起重設(shè)備的公司，主要產(chǎn)品有各種手動卷揚機、電動卷揚機、 提升機械及起重機。手動卷揚機的主要品種有：直齒傳動卷揚機、蝸桿傳動卷揚機；電動卷揚機的主要品種有：蝸桿傳動系列、直齒齒輪傳動系列、齒輪蝸桿傳動組合系列、直接驅(qū)動系列、鏈傳動系列。 美國除上述兩家公司外，比較重要的生產(chǎn)廠家還有布勞斯公司、賽林公司、斯塔斯派克公司、阿姆降公司、英格索藝德公司等。 （二）日本 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 日本從明治 30 年開始制造和使用卷揚機。據(jù)日本荷役機械研究所核計，19701975 年間卷揚機的產(chǎn)量增加 62.5。據(jù)日本通產(chǎn)省機械核計月報載，僅1977 年單純土建卷揚機的產(chǎn)量就達 12 萬臺，產(chǎn) 值約 100 億日元。 日本卷揚機行業(yè)由機械技術(shù)部會、荷役機械技術(shù)委員會領(lǐng)導(dǎo)。主要生產(chǎn)廠家有北川鐵工所、遠藤鋼機、南星、越野總業(yè)、藝浦、松崗產(chǎn)業(yè)等 80 多個廠家。 北川鐵工所是一家大型生產(chǎn)廠。其生產(chǎn)的卷揚機品種系列比較齊全，主要有： 1動力卷揚機 分 BF、 MF、 DF 三種型式。功率為 3.7 44kw，鋼絲繩拉力從 5880 44l 00N。有 18 個規(guī)格。 F 型是 V 型帶傳動， MF 型是單筒開式齒輪傳動， DF 型是雙筒開式齒輪傳動。其結(jié)構(gòu)持點是全部為標(biāo)準(zhǔn)型，采用改進了的螺旋頂絲式離合器操縱，因而操作簡便，易調(diào)整 ；鼓形離合器采用單錐體式，摩擦材料采用帶型樹脂。 2電動卷揚機 該廠生產(chǎn)的電動卷揚帆為 KW 型，功率 3.7 11kw，拉力 6000 142100N，四種規(guī)格。其結(jié)構(gòu)特點是：全封閉內(nèi)齒輪傳動；電動機在一端，減速器、制動器和操作部分在另一端，中間是卷筒，一字型布置，按鈕操作，可遠距離遙控；最大特點是卷簡可纏繞 8 9 層容繩量大，適于高層卷揚使用。 遠滕鋼機公司有 60 多年歷史，它是日本唯一生產(chǎn)特殊電動卷揚機的公司。ENDO 型卷揚機采用起重電動機，卷揚機可兩檔變速，排繩器裝在上部，是單螺旋軸雙導(dǎo)向桿式 結(jié)構(gòu)，機座全部是焊接結(jié)構(gòu)，所有機械與電器部分都裝在機座里。 (三 )法國 法國生產(chǎn)卷揚機的廠家很多，其中包藤 (POTAIN)公司就是生產(chǎn)卷揚機的主要廣家之一，主要生產(chǎn) KUSW 系列、 LMD 系列、 PC 系列和 RCS 系列卷揚機。 KUSW 型卷揚機輕巧緊湊，效率高，安全可靠，可遙控操作。這種卷揚機能夠比較理想地與各種機械配套。 LMD 型卷揚機可兩檔變速，采用液壓控制。液壓系統(tǒng)可同時控制兩個機械制動器。 LMD 型卷揚機綜合了電氣技術(shù) (包括電子技術(shù)系統(tǒng) )和液壓技術(shù)的優(yōu)點，性能比較好。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 PC 型卷 揚機是三速電動卷揚機，遠距離遙控操作，空載高速下降，提高了生產(chǎn)率。電控齒輪換檔 (采用延時繼電器 )起吊位置精確，運動緩和，傳動件在油池里工作，停車緩慢，避免磨損電磁剎車。 RCS 型卷揚機可五檔變速，三個低速檔和兩個高速檔。由兩個獨立的裝有電磁剎車系統(tǒng)的提升電動機驅(qū)動卷揚機。電動機帶動直齒減速器，用錐齒輪帶動卷筒。 其他國家，如俄羅斯、英國、挪威、瑞典、加拿大、德國等也都生產(chǎn)著不同用途的各種型號的卷揚機。 1.1.4 卷揚機的發(fā)展趨勢 1 大型化 由于基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展，大型設(shè) 備和機械構(gòu)件要求整體安裝，促進了大型卷揚機的發(fā)展。目前，俄羅斯已生產(chǎn)了 60t 卷揚機，日本生產(chǎn)了 32t、 50t、 60t 液壓和氣動卷揚機，美國生產(chǎn)了 136t 和 270t 卷揚機。 2采用先進電子技術(shù) 為了實現(xiàn)卷揚機的自動控制和遙控，國外廣泛采用了先進的電子技術(shù)。對大型卷揚機安裝了電器連鎖裝置，以保證絕對安全可靠。 3發(fā)展手提式卷揚機 為提高機械化水平，減輕工人勞動強度，國外大力發(fā)展小型手提式卷揚機，如以汽車蓄電池為動力的直流電動小型卷揚機，其電壓為 12V，質(zhì)量為 7.715.4Kg，拉力為 3336 13344N。 4大力發(fā)展不帶動力源裝置的卷揚機 歐美國家非常重視發(fā)展借助汽車和拖拉機動力的卷揚機。此種卷揚機結(jié)構(gòu)簡單，有一個卷筒和一個變速箱即可。 1.2 卷揚機主要類型 卷揚機由于應(yīng)用范圍較廣，為適應(yīng)各種不同使用條件，卷揚機亦制造成各種不同機型的產(chǎn)品。機型的分類方法很多，目前大致按下述方法分類。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 1 按鋼絲繩額定拉力 F 分 按鋼絲繩在基準(zhǔn)層上所能承受的最大拉力來區(qū)分。按 1955 88卷揚機中規(guī)定為 5， 7.5， 10， 12.5， 16， 20， 25， 32， 50， 80， 120， 160， 200， 320，500kN 共 15 級。此參數(shù)為卷揚機的主要參數(shù)。 2 按鋼絲繩速度 v 分 鋼絲繩在基準(zhǔn)層上的出繩速度是卷揚機的又一項主要參數(shù)，根據(jù)鋼絲繩的速度分為： （ 1）慢速卷揚機 繩速 v 9 15m min； （ 2）中速卷揚機 繩速 v 15 30m min （ 3）快速眷揚機 繩速 v 30 45m min （ 4）高速卷揚機 繩速 v 45m min。 為適應(yīng)特殊需要，還有一種變速卷揚機，其速度可調(diào)，有雙速、三速和多速幾種類型。 3 按卷筒數(shù)目分 一臺卷揚 機上卷筒數(shù)目的多少，直接影響到卷揚機的結(jié)構(gòu)。卷揚機按卷筒數(shù)目可分為單筒卷揚機、雙筒卷揚機和多筒卷揚機三類。目前生產(chǎn)的大多數(shù)是單筒和雙筒卷揚機其卷筒都是工作卷筒，再增加的卷筒大多是輔助卷筒，筒徑相對要小些。 4 按動力源分 由于工作環(huán)境不同，所用的動力源亦不同。 （ 1）手動卷揚機 用于無動力來源地區(qū)的小型卷揚機； （ 2）電動卷揚機 大多數(shù)卷揚機皆屬于此類； （ 3）內(nèi)燃機卷揚機 用于無電源的地方； （ 4）氣動卷揚機 用于不能使用電源的地方； （ 5）液壓卷揚機 用于與其他設(shè)備配套使用而有液壓 源的場合。 5 按傳動形式分 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 （ 1）開式齒輪傳動 最早的形式，目前主要用于手動卷揚機； （ 2）閉式圓柱齒輪傳動 主要為快速單筒卷揚機應(yīng)用廣泛。 （ 3）圓錐 圓柱齒輪減速器 （ 4）蝸桿傳動減速器 （ 5）圓柱齒輪減速器加開式齒輪傳動 （ 6）蝸桿減速器加開式齒輪傳動 （ 7）行星齒輪傳動 （ 8）液壓傳動 6 按控制方法分 （ 1）手控卷揚機 由人工操縱閘把控制卷楊機提升或下放重物。 （ 2）電控卷揚機 用電控鈕控制電磁鐵制動器使卷揚機工作。 （ 3）液控卷揚機 用壓力油控制卷揚機卷筒的離合和制動。 （ 4）氣控卷楊機 （ 5）自動控制卷揚機 用限位器來控制卷揚機的工作。 7 按用途分 卷揚機由于其用途不同，使用條件的差異，其結(jié)構(gòu)設(shè)計上也有差異。 （ 1）提升重物 要求有一定的速度和較高的安全性。 （ 2）設(shè)備安裝 一般設(shè)備的質(zhì)量都較大，則要求卷揚機具有較大的提升能力；為保證安裝精度，其速度就不能太高；為防止墜落，其安全性要求更高。 （ 3）曳引物品 因為此項工作一般是在水平或傾斜方向進行的，為使物品能前后運動，則要求卷揚機的卷筒正反轉(zhuǎn)均能工作。 （ 4） 打樁 要求卷揚機把 重物提升到一定高度后，能使重物成自由落體下降，實現(xiàn)打樁工作，即要求卷揚機具有溜放性能。 卷揚機雖然可以分成很多種類，實際上由于應(yīng)用情況的復(fù)雜，很難把它們絕對分清，而且一臺卷揚機往往幾種工作都要做，所以在卷揚機的設(shè)計上對用途分得并不清楚，而是按要求高的來設(shè)計，這樣能使卷揚機實現(xiàn)一機多用，得到更廣5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 泛的應(yīng)用。 1.3 電動卷揚機基本結(jié)構(gòu) 電動卷揚機由于操作方法不同，其結(jié)構(gòu)相差很大。我們將其分為電控卷揚機和溜放型卷揚機兩類。 1.3.1 電控卷揚機 此類卷揚機通過通電或斷電以實現(xiàn)卷揚機的工作或制動。物料 的提升或下降由電動機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)，操作簡單方便。其制動型式主要有電磁鐵制動器和錐形轉(zhuǎn)子電動機兩類，下面就這兩種制動型式卷揚機的常見類型作介紹。此類卷揚機大多是單卷筒的。 1.3.2 帶有電磁鐵制動器的卷揚機 （ 1） 圓柱齒輪減速器快速卷揚機 (圖 1-3)。 圖 1-3 圓柱齒輪減速器快速卷揚機簡圖 1 電動機 2 聯(lián)軸器 3 制動器 4 減速器 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 5 聯(lián)軸器 6 卷筒 7 底座 8 支架 （ 2）蝸桿減速器慢速卷揚機。 （ 3）圓柱齒輪減速器加開式齒輪傳動的卷揚 機 (圖 1-4)。 圖 1-4 圓柱齒輪減速器加開式齒輪傳功的卷場機簡圖 1 電動機 2 聯(lián)軸器 3 制動器 4 減速器 5 開式齒輪傳動 6 卷筒 （ 4）蝸桿減速器加開式齒輪傳動的卷揚機。 對一些起重量大的卷揚機，為使鋼絲繩在卷簡上排列整齊，需要安裝排繩器。按設(shè)計規(guī)范要求，在鋼絲繩拉力 F 120kN 的卷揚機上，均應(yīng)安裝排繩器。 1.3.3 采用錐形轉(zhuǎn)子電動機的卷揚機 此類卷揚機利用錐形轉(zhuǎn)子電動機本身所具有的制動性能來實現(xiàn)卷揚機的制動。由于錐形轉(zhuǎn)子電動機是靠轉(zhuǎn)子軸向移動來實現(xiàn)制 動或松開的，可省略單獨的制動器，在結(jié)構(gòu)上就要求電動機與傳動系統(tǒng)間能做軸向相對移動。一般，軸向移動是通過可移式聯(lián)軸器把電動機軸的運動傳遞到傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)的。由于此類卷揚機的電動機軸線與卷筒軸線為同軸，故習(xí)慣上把這類卷揚機叫做一字型結(jié)構(gòu)卷揚機。根據(jù)傳動系統(tǒng)的不同，其可分為： （ 1）定軸輪系傳動 這是 1988 年行業(yè)組織的系列設(shè)計中的一種機型。 （ 2）漸開線圓柱齒輪行星傳動 常見的有封閉型 2K H 型行星輪系和 3K5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 型行星輪系傳動的卷揚機。 （ 3）接線針輪傳動 由于擺線針輪傳動一級減速的減速比 比較大，故采用一級減速即可。這種傳動可把傳動系統(tǒng)放在卷筒里面，可減小卷揚機體積。 （ 4）少齒差行星傳動 少齒差傳動可得到大的傳動比，并可把傳動系統(tǒng)放在卷筒內(nèi)，使結(jié)構(gòu)緊湊。 上述擺線針輪行星傳動和少齒差行星傳動的輸出機構(gòu)是很重要的一環(huán)，可實現(xiàn)偏心輸出的機構(gòu)有很多，但考慮到加工和效率的原因，目前采用較多的是銷軸式，但其加工精度及熱處理要求較高，卷揚機生產(chǎn)廠家比較難以達到。所以有的廠家采用了零齒差傳動輸出機構(gòu)，其設(shè)計較為復(fù)雜，但加工較為容易，效果亦不錯。 （ 5）諧波傳動 此傳動的傳動比 大，嚙合齒數(shù)多，所以承載能力大，故其體積、質(zhì)量可更小。但其柔輪的要求較高，生產(chǎn)較為困難。 （ 6）活齒行星傳動 又叫頂桿蠕動傳動，它的加工相對比較方便。 1.3.4 溜放型卷揚機 此類卷揚機提升重物的下降不是利用電動機反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)而是靠置物的重力下降，并帶動卷簡反轉(zhuǎn)，此時電動機不轉(zhuǎn)。要在電動機和卷筒之間實現(xiàn)其運動的聯(lián)接或分離，通常采用離臺器或差動輪系。由于電動機和卷筒可分可合，因此卷筒的數(shù)目可以增多，而各卷筒又可各自完成自己的運動，則此類卷揚機可設(shè)計成單卷筒、雙卷筒和多卷筒的型式。 為保 證各卷筒的運動或停止，其離合和制動裝置都直接安裝在卷筒上。 第二章 起升機構(gòu)的組成及型式 2.1 起升機構(gòu)的組成 起升機構(gòu)是使重物作升降運動的機構(gòu)，它是任何起重機必不可少和最主要最基本的機構(gòu)。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 此次設(shè)計的電動 5 噸卷揚機是由電動機、連軸器、制動器、減速器、卷筒、導(dǎo)向滑輪、起升滑輪組、釣鉤等組成（如圖 2-1）。 圖 2-1 起升機構(gòu)示意圖 1 電動機 2 聯(lián)軸器 3 減速器 4 卷筒 5 導(dǎo)向滑輪 6 滑輪組 7 吊鉤 電動機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時，制動器松開，通過帶制動輪的聯(lián)軸器帶動減速器高速軸，經(jīng)減 速器減速后由低速軸帶動卷筒旋轉(zhuǎn)，使鋼絲繩在卷筒上繞進或放出，從而使重物起升或下降。電動機停止轉(zhuǎn)動時，依靠制動器將高速軸的制動輪剎住，使懸吊的重物停止在空中。 根據(jù)需要起升機構(gòu)上還可裝設(shè)各種輔助裝置，如起重量限制器、起升高度限位器、速度限制器和鋼絲繩作多層卷繞時，使鋼絲繩順序排列在卷筒上的排繩裝置等。 2.2 起升機構(gòu)的典型傳動型式 在電動機與卷筒之間通常采用效率較高的起重用標(biāo)準(zhǔn)兩級減速器。要求低速時可采用三級大傳動比減速器。為便于安裝，在電動機與減速機之間常采用具有補償性能的彈性柱銷連軸器或齒 輪連軸器。前者構(gòu)造簡單并能起緩沖作用，但彈性橡膠圈的使用壽命不長；后者堅固耐用，應(yīng)用最廣。齒輪連軸器的壽命與安裝質(zhì)量有關(guān)，并且需要經(jīng)常潤滑。 一般制動器都安裝在高速軸上，這樣所需要的制動力矩小，相應(yīng)的制動器尺5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 寸小，重量輕。經(jīng)常利用聯(lián)軸器的一半兼作制動輪。帶制動輪的半體應(yīng)安裝在減速器高速軸上。這樣，即使聯(lián)軸器被損壞，制動器仍可把卷筒制動住，以確保機構(gòu)的安全。 起升機構(gòu)的制動器必須采用常閉式的。制動力矩應(yīng)保證有足夠的制動安全系數(shù)。在重要的起升機構(gòu)中有時設(shè)兩個制動器，而第二個制動器可安裝在減速器高速 軸的令一伸出端或裝設(shè)在電動機的尾部出軸上。 為使機構(gòu)布置方便并增大補償能力，在電動機與減速機之間可用浮動軸連接，浮動軸的兩端為半齒輪連軸器。 卷筒與減速器低速軸之間的連接型式很多。本卷揚機的卷筒與低速軸的連接為帶齒輪接盤的結(jié)構(gòu)型式，卷筒軸左端用自位軸承支撐于減速器輸出軸的內(nèi)腔軸承座中，低速軸的外緣制成外齒輪，它與固定在卷筒上的帶內(nèi)齒輪的接盤相嚙合，形成一個齒輪連軸器傳遞扭矩，并可以補償一定的安裝誤差。在齒輪聯(lián)軸器外側(cè)，即靠近減速器的一側(cè)裝有剖分式密封蓋，以防止聯(lián)軸器內(nèi)的潤滑油流出來和外面的灰塵進 入。這種連接型式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，軸向尺寸小，分組性好，能補償減速器與卷筒軸之間的安裝誤差。如圖（ 2-2）。 圖 2-2 用齒輪接盤連接型式 卷筒的直徑一般盡量選用允許的較小值，因為隨著卷筒直徑的增加，扭矩和減速傳動比也增大，引起整個機構(gòu)龐大。但在起升高度較大時，往往用增大卷筒直徑的方法以減小其長度。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 滑輪組型式（單聯(lián)或雙聯(lián)）和它的倍率對起升機構(gòu)的尺寸也有很大的影響。在橋式起重機中采用雙聯(lián)滑輪組，一方面使卷筒兩支撐上的受力不變，也就是使運行小車兩邊的軌道輪壓不變，這對橋架和小車車架受力使有利的；另 一方面是使重物在起升過程中不作橫向移動。但由于雙聯(lián)滑輪組的倍率比單聯(lián)滑輪組小一倍，起升機構(gòu)的傳動比也需要增大一倍，這就使機構(gòu)尺寸增大，所以其他的起重機采用單聯(lián)滑輪組，此次設(shè)計的是 5 噸橋式起重機的卷揚機，因此選用雙聯(lián)滑輪組，如圖（ 2 3）。 圖 2 3 雙聯(lián)滑輪組 1、動滑輪 2、定滑輪 3、卷筒 滑輪組的倍率的確定對鋼絲繩的拉力、卷筒直徑與長度、減速機構(gòu)的傳動比以及機構(gòu)的總體尺寸有很大的影響。大起重量采用較大的倍率，可避免采用過粗的鋼絲繩。有時在采用較大的滑輪組倍率的同時相應(yīng)的 降低了起升速度的方式來提高起重量，可以使起升機構(gòu)達到通用性，即將同一起升機構(gòu)用于不同的起重量，這是在系列設(shè)計時常采用的方法。 起升機構(gòu)計算是在給定了設(shè)計參數(shù)，并將布置方案確定后進行的，通過計算選用機構(gòu)選用機構(gòu)中所需要的標(biāo)準(zhǔn)零部件，如電動機、制動器、減速器和聯(lián)軸器等。對于非標(biāo)準(zhǔn)零部件需進行單獨設(shè)計。 此卷揚機設(shè)計提升載荷 5 噸，主要用于煉鋼廠 5 噸橋式起重機上，本卷揚機是5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 利用煉鋼廠現(xiàn)有設(shè)備和材料拼湊而成，因此與標(biāo)準(zhǔn)的 5 噸卷揚機設(shè)計略有不同。 此次設(shè)計的卷揚機設(shè)計的主要參數(shù)有： 額定起升重量： 5 噸 起升高度 ： 14 米 起升速度： 12.5 米 /分 卷揚機用途： 用于 5 噸橋式吊車起升機構(gòu) 工作條件： 頻繁啟動 粉塵量大 第三章 鋼絲繩的選擇 卷揚機通過鋼絲繩升降、牽引重物。工作時鋼絲繩所受應(yīng)力十分復(fù)雜。加之對外界影響因素比較敏感，一旦失效，后果十分嚴(yán)重。因此，應(yīng)特別重視鋼絲繩的合理選擇與使用。 3.1 鋼絲繩的種類和構(gòu)造 鋼絲繩由許多高強度鋼絲編繞而成，可單捻、亦可雙捻成形。繩芯常采用天然纖維芯 (NF)、合成纖維芯 (SF)、金屬絲繩芯 (IWR)相金屬絲股芯 (IWS)。纖維芯鋼絲繩具有較高的撓性和彈性，纏繞時彎曲應(yīng)力較小，但不能承受橫向壓力，金屬絲芯鋼絲繩強度較高，能承受高溫和橫向壓力，但撓性較差。卷揚機系多層纏繞更適合選用多捻制金屬絲芯鋼絲繩。 鋼絲繩的種類，根據(jù)鋼絲繞成股和股繞成繩的相互方向可分力： (1)順捻鋼絲繩 順捻鋼絲繩義分為右同向捻（ ZS）和左同向捻 (SS)。此類鋼絲繩鋼絲繞成股和股繞成繩的旋轉(zhuǎn)方向是一致的。其特點是：鋼絲繩撓性好磨損小，使用壽命長。但容易松散和扭轉(zhuǎn)。它不允許在無導(dǎo)軌情況下作單獨提升，故在不松散的情況下或有剛性導(dǎo)軌 時應(yīng)用為宜。 (2)交捻鋼絲繩 交捻鋼絲繩，又分為右交互捻 (ZS)和左交互捻（ SZ）。鋼絲繩鋼絲繞成股與股繞成繩的方向相反，它的撓性與使用壽命都較順捻鋼絲繩差但繩與股的扭轉(zhuǎn)趨勢相反，克服了扭轉(zhuǎn)和易松散的缺陷，故卷揚機應(yīng)優(yōu)先選5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 用。 鋼絲繩的種類根據(jù)鋼絲繩中鋼絲與鋼絲的接觸狀態(tài)不同又可分為： (1)點接觸鋼絲繩 點接觸鋼絲繩繩股中各層鋼絲直徑均相同，而內(nèi)外各層鋼絲的節(jié)距不同因而相互交叉形成點接觸。其特點是接觸應(yīng)力高表面粗糙，鋼絲易折斷，使用壽命低。但制造工藝簡單，價格便宜。在實際中常 發(fā)現(xiàn)這種鋼絲繩在受拉、尤其是受彎時由于鋼絲間的點接觸、造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生嚴(yán)重壓痕，由此導(dǎo)致鋼絲疲勞斷裂而使鋼絲繩過早報廢。 (2)線接觸鋼絲繩 線接觸鋼絲繩繩股由不同直徑的鋼絲統(tǒng)制而成，每一層鋼絲的節(jié)距相等，由于外層鋼絲位于內(nèi)層鋼絲之間的溝槽內(nèi)，因此內(nèi)外層鋼絲間形成線接觸。這種鋼絲繩的內(nèi)層鋼絲雖承受比外層鋼絲稍大的應(yīng)力，但它避免了應(yīng)力集中，消除了鋼絲在接觸處的二次彎曲現(xiàn)象，減少了鋼絲間的摩擦阻力。使鋼絲繩在彎曲上有較大的自由度，從而顯著提高了抗疲勞強度，其壽命通常高于點接觸鋼絲繩。由于線接觸鋼絲繩 比點接觸鋼絲繩的有效鋼絲總面積大，因而承載能力高。如果在破斷拉力相同的情況下選用線接觸鋼絲繩，可以采用較小的滑輪和卷筒直徑，從而使整個機構(gòu)的尺寸減小。卷楊機應(yīng)優(yōu)先選用線接觸鋼絲繩。 3.2 鋼絲繩直徑的選擇 卷揚機系多層纏繞鋼絲繩受力比較復(fù)雜。為簡化計算，鋼絲繩選擇多采用安全系數(shù)法，這是 種靜力計算方法。 鋼絲繩的安全系數(shù)按下式計算： pg rSnnF （ 3 1） 式中pS 整條鋼絲繩的破斷拉力 (N)。 n 卷揚機工作級別規(guī)定的最小安全系數(shù)。 rF 鋼絲繩的額定拉力 (力 )。 設(shè)計時，鋼絲繩的額定拉力為已知，將額定拉力乘以規(guī)定的最小安全系數(shù) n ，5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 然后從產(chǎn)品目錄中選擇一種破斷拉力不小于rF M的鋼絲繩 直徑。 目前在工業(yè)化國家，對鋼絲繩直徑的選擇普遍采用選擇系數(shù)法。國際標(biāo)準(zhǔn)繩的選擇也推薦采用此方法。該方如下；（機械設(shè)計手冊第二冊） 鋼絲繩直徑不應(yīng)小于下式計算的最小直徑 maxmin Fcd （ 3 2） 式中 Fmax 鋼絲繩最大靜拉力 (N)。由起升載荷（額定起重量，鋼絲繩懸掛部分的重量，滑輪組及其它吊具的重量）并考慮滑輪組效率相倍率來確定； c 鋼絲繩選擇系 數(shù)，它與機構(gòu)的工作級別、鋼絲繩是否旋轉(zhuǎn)以及吊運物品的性質(zhì)等因素有關(guān)。目前，卷揚機還沒有此系數(shù)的具體規(guī)定?？蓞⒖紮C械設(shè)計手冊第二冊進行選取。 該設(shè)計卷揚機額定載荷 5 噸，采用雙聯(lián)滑輪起重滑輪組，所以每根承受載荷 Fmax41F 總 1.25 410 N，該卷揚機用于冶金行業(yè)鑄造用，所以工作級別為M7，查機械設(shè)計手冊第二冊鋼繩系數(shù)選擇 c 0.123。 maxmin Fcd 0.123 12500 13.78 mm 所以鋼絲繩選擇 d=14 mm。 按鋼絲繩所在機構(gòu)工作級別來選鋼絲繩直徑時，所選的鋼絲繩拉斷力應(yīng)滿足下式：（機械設(shè)計手冊第二冊） F0 n Fmax （ 3 3） 式中 F0 所選用鋼絲繩最小拉斷力（ N） n 安全系數(shù)，查手冊選 n=7 所以 F0 7 1.25 410 =8.75 410 N=87.5KN 又鋼絲繩最小拉斷力總和等于鋼絲繩最小拉斷力 1.134（纖維芯）或 1.214（鋼芯），所以鋼絲繩最小拉斷力總和為 87.5 1.134=99.225KN 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 （本設(shè)計中鋼絲繩不接觸高溫，橫向壓力較小，選用纖維芯鋼絲繩） 查機械設(shè)計手冊，鋼絲繩型號選擇： 鋼絲繩 6 19（ a）類 14 NAT FC 1470 ZS 102 79.5 型號解釋如下： 14 鋼絲繩直徑 NAT 鋼絲表面狀態(tài)（光面鋼絲） FC 鋼絲繩的結(jié)構(gòu)形式（纖維芯） 1470 鋼絲公稱強度（ 2mmN ） ZS 捻向（左交互捻） 102 鋼絲繩最小破段拉力 KN 79.5 單位長度重量 kg/100m 3.3 鋼絲繩的使用 鋼絲繩在 工作時卷繞進出滑輪和卷筒，除產(chǎn)生拉應(yīng)力外，還有擠壓、彎曲、接觸和扭轉(zhuǎn)等應(yīng)力，應(yīng)力情況是非常復(fù)雜的。實踐表明，由于鋼絲繩反復(fù)彎曲相擠壓所造成的金屬疲勞是鋼絲繩破壞的主要原因。鋼絲繩破壞時，外層鋼絲由于疲勞和磨損首先開始斷裂，隨著斷絲數(shù)的增多，破壞速度逐漸加快，達到一定限度后，仍繼續(xù)使用，就會造成整根繩的破斷。 在正確選擇鋼絲繩的結(jié)構(gòu)和直徑之后，實際使用壽命的長短，在很大程度上取決于鋼絲繩在使用中的維護和保養(yǎng)及與相關(guān)機件的合理配置。可從以下幾方面考慮該問題： （ 1）滑輪和卷筒直徑 D 與鋼絲繩直徑 d 的比值大小對鋼絲繩的壽命影響較大，幾乎成平方關(guān)系。因此，選用較大的滑輪和卷簡直徑對鋼絲繩的壽命是有利的。故設(shè)計中規(guī)定了卷筒直徑和鋼絲繩直徑的最小比值（ D/d），與卷揚機的工作級別有關(guān)。 使用中，應(yīng)盡量減少鋼絲繩的彎折次數(shù)并盡量避免反向彎折。 （ 2）決定滑輪繩槽尺寸時，必須考慮新鋼絲繩直徑較公稱直徑有 6 8的過盈量這一事實。過小的繩槽直徑會使鋼絲繩受到過度擠壓而提前斷絲，繩槽5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 尺寸過大，又會使鋼絲繩在槽內(nèi)的支承面積減小，增大鋼絲繩的接觸應(yīng)力。合理的繩槽尺寸應(yīng)比鋼絲繩的公稱直徑大 10左右。 （ 3）滑輪與卷筒的材料太硬，對鋼絲繩壽命不利。據(jù)有關(guān)資料表明：以鑄鐵代替鋼可提高鋼絲繩的壽命約 10。 （ 4）為保證鋼絲繩在繩筒上平滑纏繞，避免各圈鋼絲繩間相互摩擦及多層纏繞錘擊和堆繞現(xiàn)象，延長鋼絲繩的使用壽命，鋼絲繩在卷筒及繩輪上的偏角必須保持在一定的限度之內(nèi)，一般在 0.5 2 之間。 （ 5）良好的周期性潤滑是提高鋼絲繩使用壽命的一項重要因素。它可以防止銹蝕，減少鋼絲繩內(nèi)外磨損。一般常 用中、低粘度潤滑油和濾青質(zhì)化合物。目前我國生產(chǎn)的“鋼絲繩油屬于中等粘度油，適用于各種股捻鋼絲繩的潤滑。其附著力大，不易滑落或與水起作用，且含有防銹劑，是一種良好的潤滑劑。 （ 6）在室外、潤濕或腐蝕介質(zhì)存在的環(huán)境里，應(yīng)選用鍍鋅鋼絲繩。 （ 7）經(jīng)常檢查鋼絲繩是否與別的機件摩擦，重新更換新繩時必須核對新繩與原繩的型式直徑是否相同；經(jīng)常檢查鋼絲繩表面的磨損及斷絲，遇到問題及時解決。 鋼絲繩的報廢處理，可參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)相資料。 第四章 卷筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計及尺寸確定 卷筒尺寸的由已知起升速度、起升 高度和鋼絲繩的尺寸來確定。 卷筒用來卷繞鋼絲繩，把原動機的驅(qū)動力傳遞給鋼絲繩，并把原動機的回轉(zhuǎn)運動變?yōu)樗枰闹本€運動。卷筒通常是中空的圓柱形，特殊要求的卷筒也有做成圓錐或曲線形的。 4.1 卷筒的分類 按照鋼絲繩在卷筒上的卷繞層數(shù)分，卷筒分單層繞和多層繞兩種。一般起重機大多采用單層繞卷筒。只有在繞繩量特別大或特別要求機構(gòu)緊湊的情況下，為了縮小卷筒的外形尺寸，才采用多層繞的方式。本設(shè)計采用單層繞。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 按照卷筒的表面分，有光卷筒和帶螺旋槽卷筒兩種。光卷筒用于多層卷繞，其結(jié)構(gòu)比較簡單，鋼絲繩按螺旋形緊密地排 列在卷筒表面上，繩圈的節(jié)矩等于鋼絲繩的直徑。由于鋼絲繩和卷筒表面之間接觸應(yīng)力較高，相鄰繩圈在工作時又有摩擦，鋼絲繩使用壽命就要降低。為了使鋼絲繩在卷筒表面上排列整齊，單層繞卷筒一般都有螺旋槽，有了繩槽后，使鋼絲繩與卷筒的接觸面積增加，因而減小了它們之間的接觸應(yīng)力，也消除了在卷筒卷繞過程中繩圈間可能產(chǎn)生的摩擦，因此提高了鋼絲繩的使用壽命，目前，多層繞卷筒也制成帶繩槽的，更為合理。繩槽在卷筒上的卷繞方向可以制成左旋或右旋。單聯(lián)滑輪組的卷筒只有一條螺旋繩槽；雙聯(lián)滑輪的卷筒，兩側(cè)應(yīng)分別右一條左旋和右旋的繩槽。繩槽的 形狀分別為標(biāo)準(zhǔn)繩槽和深槽兩種，如圖（ 4 1）。 圖 4 1 （ a） 標(biāo)準(zhǔn)繩槽 （ b） 深繩槽 4.2 卷筒繩槽的確定 查機械設(shè)計手冊知，卷筒繩槽槽底半徑 R，槽深 c 槽的節(jié)矩 t 其尺寸關(guān)系為： R=（ 0.540.6） d（ d 為鋼絲繩直徑 ） （ 4 1） 繩槽深度：標(biāo)準(zhǔn)槽：1c=（ 0.250.4） d （ mm） （ 4 2） 深槽： 2c=（ 0.60.9） d （ mm） （ 4 3） 繩槽節(jié)距：標(biāo)準(zhǔn)槽：1t d（ 2 4） （ mm） （ 4 4） 深槽： 2t d（ 6 8） （ mm） （ 4 5） 卷筒槽多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)槽，只有在使用過程中鋼 絲繩有可能脫槽的情況才使用深5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 槽，本設(shè)計選用標(biāo)準(zhǔn)槽，鋼絲繩直徑選用 14mm， R=（ 0.540.6） d mm=7.568.4mm 取 R=8mm c=（ 0.250.4） d mm =3.55.6mm 取 c=4mm t d（ 2 4） mm=16mm 4.3 卷筒的設(shè)計 卷筒按照轉(zhuǎn)矩的傳遞方式來分有端側(cè)板周邊大齒輪外嚙合式和筒端或筒內(nèi)齒輪內(nèi)嚙合式，其共同特點是卷筒軸只承受彎矩，不承受轉(zhuǎn)矩。本設(shè)計卷筒采用內(nèi)齒輪嚙合式。如圖 （ 4 2）。 圖 4 2 內(nèi)齒嚙合式卷筒 卷筒的設(shè)計主要尺寸有節(jié)徑0D 、卷筒長度 L 、卷筒壁厚 。 4.3.1 卷筒節(jié)徑 0D設(shè)計 卷筒的節(jié)徑即卷筒的卷繞直徑，查機械設(shè)計手冊知0D不能小于下式： 0minD hd （ 4 6） 式中 0minD 按鋼絲繩中心計算的卷筒最小直徑（ mm）； h 與機構(gòu)工作級別和鋼絲繩結(jié)構(gòu)有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)工作環(huán)境級別為5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 7M，查機械設(shè)計手冊 h=28； d 鋼絲繩的直徑（ mm）。 按式計算： 0minD hd 28 14 392（ mm） 選取0D=400（ mm） 4.3.2 卷筒的長度設(shè)計 本設(shè)計采用雙聯(lián)滑輪組，如圖 4 3 圖 4 3 雙聯(lián)滑輪組 卷筒的長度 0 1 2 32L L l l l （ 4 7） 式中 L 卷筒總長度； 0L 繩槽部分長度，其值為： 00HaL n tD （ 4 8） 其中 H 最大起升高度； a 滑輪組倍率； 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 0D 卷筒卷繞直徑； t 繩槽節(jié)矩， n 附加安全圈數(shù)，使鋼絲繩端受力減小，便于固定，通常取 n 1.5 3 圈； 1l 固定鋼絲繩所需要的長度，一般取1l 3t； 2l 兩端的邊緣長度（包括凸臺在內(nèi)），根據(jù)卷筒結(jié)構(gòu)而定； 3l 卷筒中間無繩槽部分長度，由鋼絲繩的允許偏斜角和卷筒軸到動滑輪軸的最小距離決定。對于有螺旋槽的單層繞卷筒，鋼絲繩允許偏斜度通常為 1： 10，查機械設(shè)計手冊可知，選取3l 100 mm。 00HaL n tD 165.1400 21 4 0 0 0 0 =380mm。 1l 3t=48mm 所以 0 1 2 32L L L L L 2（ 380+48+20） 100 996mm。 選取標(biāo)準(zhǔn)卷筒長度為 1000mm 4.3.3 卷筒壁厚設(shè)計 本設(shè)計為了延長鋼絲繩的壽命，采用鑄鐵卷筒，對于鑄鐵卷筒可按經(jīng)驗公式初步確定，然后進行強度驗算。 對于鑄鐵筒壁厚 0 . 0 2 6 1 0D mm （ 4 9） 根據(jù)鑄造工藝的要求，鑄鐵 卷筒的壁厚不應(yīng)小于 12 mm， 0 . 0 2 6 1 0D mm 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 0.02 400（ 6 10） 8+7 15 mm 所以卷筒的參數(shù)選擇為：繩槽節(jié)距 t 16mm、槽底半徑1c 4mm、卷筒節(jié)距0D400mm、卷筒長度 L=1000mm、卷筒壁厚 15 mm 4.4 卷筒強度計 算 查機械設(shè)計手冊第二冊可知，卷筒材料一般采用不低于 HT200 的鑄鐵，特殊需要時可采用 ZG230-450、 ZG270-500 鑄鋼或 Q235-A 焊接制造。本設(shè)計的卷筒五特殊需要，額定起重重量不是很大，所以選擇 HT200 的鑄鐵制造。 一般卷筒壁厚相對于卷筒直徑較小，所以卷筒壁厚可以忽略不計，在鋼絲繩的最大拉力作用下，使卷筒產(chǎn)生壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭曲應(yīng)力。其中壓應(yīng)力最大。當(dāng) L 30D時 彎曲應(yīng)力和扭曲應(yīng)力的合成力不超過壓應(yīng)力 10%,所以當(dāng) L 30D時只計算壓應(yīng)力即可。 本設(shè)計中 L=1000mm D=400 mm，符合 L 30D的要求，所以只計算壓應(yīng)力即可。 當(dāng)鋼絲繩單層卷繞時，卷筒所受壓應(yīng)力按下式來計算： =A tFmax bc （ 4 10） 其中 為鋼絲繩單層卷繞時卷筒所受壓應(yīng)力（aMP） maxF為鋼絲繩最大拉力（ N） 為卷筒壁厚 A 為應(yīng)力減小系數(shù)，一般取 A=0.75 bc 為許用壓力，對于鑄鐵 bc =5b b 為鑄鐵抗壓強度極限 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 所以 =A tFmax bc =0.75161512500 39 aMP 查教材機械設(shè)計基礎(chǔ)知b 195aMP，所以 bc 39aMP。 所以 bc 經(jīng)檢驗計算，卷筒抗壓強度符合要求。 第五章 卷筒軸的設(shè)計計算 卷筒軸是支持卷揚機正常工作的重要零件，合理設(shè)計與計算卷筒軸對卷揚機性能至關(guān)重要。 5.1 卷筒軸的受力分析與工作應(yīng)力分析 常用的卷筒軸分軸固定式軸轉(zhuǎn)動式（圖 5 1）兩種情況。卷揚機卷筒工作時，鋼絲繩在卷簡上的位置是變化的。鋼絲繩拉力經(jīng)卷筒及支承作用到軸上產(chǎn)生的力矩，其大小隨鋼絲繩在卷簡上位置的變化而不同。強度計算時應(yīng)按鋼絲繩在卷筒上兩個極限位旨分別計算。由卷揚機工作情況和軸的受力分析 可知， a、 b因卷筒軸主要承受彎矩，可簡化為簡單的心軸。 a 圖為固定心軸， b 圖為轉(zhuǎn)動心軸。對于轉(zhuǎn)動心軸，其彎曲應(yīng)力一般為對稱循環(huán)變化；對固定心軸，其應(yīng)力循環(huán)特征為 01r ，視具體的載荷性質(zhì)而定。對固定心軸的疲勞失效而言，最危險的應(yīng)力情況是脈動循環(huán)變化，為安全起見，卷筒的固定心軸應(yīng)力以按脈動循環(huán)處理為宜。 c 圖卷筒軸既受彎又受扭，為轉(zhuǎn)軸。其彎曲應(yīng)力的應(yīng)力性質(zhì)為對稱循環(huán)變應(yīng)力，而扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的應(yīng)力性質(zhì)可視為脈動循環(huán)變化。由此可知，卷筒軸在正常使用條件下，最終將發(fā)生疲勞破壞。 但也不排除在超載或意外情況下發(fā)生靜強度破壞。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 圖 5 1 卷筒軸的類型 a: 軸固定式 b、 c: 軸轉(zhuǎn)動式 5.2 卷筒軸的設(shè)計計算 由于卷筒軸的可靠性對卷揚機安全、可靠的工作非常重要，因此應(yīng)十分重視卷筒軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度、剛度計算。卷筒軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡可能簡單、合理，應(yīng)力集中應(yīng)盡可能小。卷筒軸不僅要計算疲勞強度，而且還要計算靜強度；此外，對較長的軸還需校核軸的剛度。 本設(shè)計以計算出的參數(shù) 有：繩的額定拉力rF 41.25 10 KN，卷筒直徑0D400mm，鋼絲繩的直徑 d 14mm，外齒軸套齒輪分度圓直徑 D 224mm，查機械傳動設(shè)計手冊，軸的材質(zhì)選擇 45 鋼，調(diào)制處理， 650MP B，360S MP ， 1 300MP ， 0 100b MP 。 由圖 5 1 可知，該卷筒軸用軸端擋板固定于卷筒上，是不動的心軸。計算時應(yīng)按鋼絲繩在卷筒上兩個極限位置分別計算。根據(jù)受力分析可知，當(dāng)鋼絲繩位于右極限位置時，心軸受力較大，因此應(yīng)按有極限位置進行軸的強度計算。計算時，卷筒支承作用到心軸的力，可簡化為作用于軸承寬度中點的集中力，左端距支承點 72.5mm，右端距支承點 202.5mm。 查機械設(shè)計手冊、機械傳動設(shè)計手冊、起重機設(shè)計手冊，初步得到心軸各段5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 直徑和長度，如圖 5-2 所示 ,本設(shè)計心軸左邊選用調(diào)心滾子軸承圓柱孔 20000 型，右邊選用調(diào)心球軸承圓柱孔 10000（ TN1、 M）型。 圖 5-2 心軸的各部分尺寸 將軸上所有作用力分解為垂直平面的力和水平平面的力，見圖 5 3 所示。 圖 5 3 軸的彎矩圖 5.2.1 作用力計算 齒輪圓周力： 12tTF d （ 5 1） 12 22e DdFd 3 0 3 4 5 1 6580 18.7 （ KN） 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 齒輪徑向力：rtF F tg （ 5 2） 18.7tg20 6.8 （ KN） 5.2.2 垂直面支承反力及彎矩 支反力，簡圖 8 3b。 7 8 0 5 0 5 0890 etDVFFR （ 5 3） 26.92（ KN） 7 8 0 6 0 6 0890 teCVFFR （ 5 4） 15.63（ KN） 彎 矩，見圖 8 3c。 50AV CVMR （ 5 5） 50 15.63 -781.5（ KN mm） 60BV DVMR （ 5 6） 60 26.92 1615.2 （ KN mm） 5.2.3 水平面支承反力及彎矩支反力 ， 水平面支承反力見圖 5 3d。 50890rDH FR （ 5 7） 50 6.8890 0.382（ KN） 840890rCH FR （ 5 8） 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 840 6.8890 6.42（ KN） 彎矩計算，見圖 8 3e 50AH CHMR （ 5 9） 50 6.42 321 （ KN mm） 60BH DHMR （ 5 10） 60 0.382 22.9 （ KN mm） 合成彎矩，見圖 8 3f 22A A V A HM M M （ 5 11） 227 8 1 . 5 3 2 1 844.8 （ KN mm） 22B B V B HM M M （ 5 12） 221 6 1 5 . 2 2 2 . 9 2 1615.3 （ KN mm） 5.2.4 計算工作應(yīng)力 此軸為固定心鈾，只有彎矩，沒有轉(zhuǎn)矩。由圖 8 3 可知最大彎矩發(fā)生在剖面 B 處。設(shè)卷筒軸該剖面直徑為Bd，則彎曲應(yīng)力為： 3 00 . 1BbbBM d （ 5 13） 則： 300 .1BBhMd 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 3 31615 100.1 100 74.46 （ mm） 圓整后 Bd 75 （ mm），中間軸段0d 75 15 90 （ mm） 5.2.5 心軸的疲勞強度計算 卷筒軸的疲勞強度，應(yīng)該用鋼絲繩的當(dāng)量拉力進行計算，即 d d eF K F （ 5 14） 式中 dF 鋼絲繩的當(dāng)量拉力 (N)； dK 當(dāng)量拉力系數(shù)。 為使計算簡便，可假設(shè)dK 1。由前述可知，心軸應(yīng)力的性質(zhì)可 認(rèn)為是按脈動循環(huán)規(guī)律變化，則2bmn。彎曲應(yīng)力為 30.1dBb BKMd （ 5 15） 331 1 6 1 5 .5 1 00 .1 5 5 97.1 （ MP） 平均應(yīng)力m和應(yīng)力幅a為 2bmn （ 5 17） 97.12 48.55 （ MP） 軸的形狀比較簡單，且為對稱結(jié)構(gòu)，在 B 截面處尺寸有變化，則有應(yīng)力集中存在，且該處彎矩最大 ，可以認(rèn)為置截面是危險截面，應(yīng)在此處計算袖的疲勞強度。 查得有效應(yīng)力集中系數(shù)尺 K 1.88，表面狀態(tài)系數(shù) 0.92，絕對尺寸系數(shù) 0.78，等效系數(shù)小 0.34。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 疲勞強度計算的安全系數(shù)為 1amS K （ 5 18） 3001 . 8 8 4 8 . 5 5 0 . 3 4 4 8 . 5 50 . 7 8 0 . 9 2 2.1 一般軸疲勞強度安全系數(shù) 1.5 1.8S ，所以該軸疲勞強度足夠。 5.2.6 心軸的靜強度計算 卷筒軸的靜強度計算，需要用靜強度計算拉力，可按下式求得： maxjeFF （ 5 19） 式中 maxjF 靜強度計算最大拉力 (N)； 動載荷系數(shù)，查手冊。此處取 1.35 。 靜強度計算安全系數(shù) m a x/ssS MW （ 5 20） /sBMW 33601 . 3 5 1 6 1 5 . 3 / 0 . 1 5 5 2.75 當(dāng) / 0.6sb時 1.2 1.4S ，該軸靜強度足夠。 所以該軸符合本設(shè)計要求。 此外，還有些卷筒軸、具有多支承，如三支承 。對這類靜不定問題可用三彎矩方程方法計算軸受力，同時在設(shè)計中還應(yīng)考慮軸的結(jié)構(gòu)、支承型式以及底座的剛度等問題。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 第六章 電動機選擇 6.1 電動機選擇 正確選擇電動機額定功率的原則是：在電動機能夠滿足機械負載要求的前提下，最經(jīng)濟、最合理地決定電動機功率。 本設(shè)計 5 噸橋式吊車卷揚機屬于非連續(xù)制工作機械，而且起動、制動頻繁，工作粉塵量大。因此，選擇電動機應(yīng)與其工作特點相適應(yīng)。 查機械設(shè)計手冊，吊車用卷揚機主要采用三相交流異步電動機。根據(jù)吊車行業(yè)的工作特點，電動機工作制應(yīng)考慮選擇短時重 復(fù)工作制3S和短時工作制2S，并優(yōu)先選用 YZR(繞線轉(zhuǎn)子 )、 YZ(籠型轉(zhuǎn)子 )系列起重專用電動機。多數(shù)情況下選用繞線轉(zhuǎn)子電動機；在工作條件較輕，接電次數(shù)較少時，亦可采用籠型轉(zhuǎn)子電動機。對于小噸位卷揚機，考慮到多方面因素，其電動機工作制也允許選擇連續(xù)工作制1S。本設(shè)計電動機工作制度為斷時工作制，因此不用考慮電動機的發(fā)熱計算。 機構(gòu)運轉(zhuǎn)時所需靜功率按下式計算： 01000jQ Q vN （ kW） （ 6 1） 式中 Q 額定起升載荷（ N）； 0Q 吊具自重（ N），可取0Q（ 0.02 0.04） Q ； v 起升速度； 機構(gòu)總效率，它包括滑輪組的效率、導(dǎo)向滑輪效率、卷筒的機械效率和傳動機構(gòu)的機械效率。初步計算時，對于圓柱齒輪減速器傳動的起升機構(gòu)，可取 0.85 0.9。 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 01000jQ Q vN 6085.01 0 0 0 5.12105.2)03.01(4 =6.311 （ KN） 計算電動機功率 jde NKN 考慮到工作環(huán)境，查起重機課程設(shè)計，對于中小型起重機其系數(shù)dK=0.8， 所以 eN0.8 6.311=5.049 查機械設(shè)計手冊應(yīng)選用： YZ 系列冶金起重專用三項異步電機， 型號： YZ160L 8， 額定電壓： 380V, 額定功率： 7.5KW 轉(zhuǎn)速： 705 轉(zhuǎn) /分 效率： 82.4% 基準(zhǔn)工作制為3S 40% 6.2 驗算電動機發(fā)熱條件 查起重機課程設(shè)計知：按等效功率求得： 當(dāng) Jc=40%時，所需的等效功率 Nx=jNK 40 （ 6 2） =0.75 0.87 6.311 =4.12KW 其中 40K為 工作類型系數(shù)，40K=0.75 系數(shù)根據(jù)gqtt 值查得。gqtt 為起重機機構(gòu)平均啟動時間與平均工作時間的比值，查表gqtt =0.1 時， =0.87. 由以上計算解結(jié)果可知初選電動機能滿足發(fā)熱要求，即 Nx6.311KW 所以以上所選參數(shù)符合要求。（dP為電動機功率） （ 1）計算各軸轉(zhuǎn)速 軸 01 inn d 7051705 (r/min) 軸 14.10004.7705012 inn （ r/min） 軸 9.1903.514.100123 inn （ r/min） 卷筒軸 9.1934 nn （ r/min） （ 2）計算各軸功率 軸 425.799.05.71011 dd pPP （ KW） 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 軸 1.797.098.0425.73211212 PPp (KW ) 軸 7.697.098.01.73222323 PPP (KW ) 卷筒軸 63.699.07.6434 PP (KW ) （ 3）計算各軸轉(zhuǎn)矩 電動機軸輸出轉(zhuǎn)矩為： 6.1017055.795509550 ddd nPT （ N.m） 軸 6.10099.016.101101 iTT d （ N.m） 軸 321112112 iTiTT =100.6 7.04 0.98 0.97=673.1 （ N.m） 軸 322223223 iTiTT =673.1 5.03 0.98 0.97=3218.5（ N.m） 卷筒軸 5.312299.098.05.32184234 TT （ N.m） 將計算數(shù)值列表如下： 軸號 功率 P（ KW） 轉(zhuǎn)矩 T(N.m) 轉(zhuǎn)速 傳動比 i 效率 電機軸 7.5 101.6 705 1 0.99 軸 7.425 100.6 705 7.04 0.97 軸 7.1 673.1 100.14 5.03 0.97 軸 6.7 3128.5 19.9 1 0.99 卷筒軸 6.63 3122.5 19.9 7.2.3 圓柱齒輪傳動的設(shè)計計算 此減速器的齒輪為一般機械零件，沒有特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)和易于取材原則出發(fā)決定選用： 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 小齒輪 45 鋼，調(diào)質(zhì)，齒面硬度 217255HBS 大齒輪 45 鋼，正火，齒面硬度 169217HBS (1)計算許用接觸應(yīng)力 查教材，小齒輪和大齒輪的接觸疲勞極限分別為： 小齒輪 （ 217255HBS） 1limH=580 MPa 大齒輪 （ 169217HBS） 2limH=540 MPa 循環(huán)次數(shù)： N1=60njLn （ 7 4） =60 705 1 (10 52 40 2) =1.76 910 N2 =11iN=2.5 810 由教材查得 ZN1=1.0 ZN2=1.08 SH=1.1 齒面接觸應(yīng)力為 1H =HHN sZ 1lim1=527.3 Mpa （ 7 5） 2H =HHN SZ 2lim2=530.2 MPa 取小值 = 1H=527.3 MPa (2)計算許用彎曲應(yīng)力 F 查教材，小齒輪和大齒輪的彎曲疲勞極限分別為： 小齒輪 （ 217255HBS） 1limF =440 MPa 大齒輪 （ 169217HBS） 2limF =420 MPa YN1= YN2=1 SF=1.4 齒輪彎曲應(yīng)力為： 1F=FFN sY 1lim1 =314.3 Mpa （ 7 6） 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 2F =FFN SY 2lim2=300 Mpa 7.2.4 齒輪參數(shù)設(shè)計 （一）第一級傳動 （ 1）初選參數(shù) 小齒輪齒數(shù)1Z=17 大齒輪齒數(shù)2Z=1Z 1i=17 7.04=119 螺旋角 010 （ 2）按接觸強度結(jié)算 1d 1d 3 21 )()1(2HHEdZZZZuuTK （ 7 7） 查教材 載荷系數(shù) K=1.2 彈性系數(shù) EZ =189.8 2/mmN 節(jié)點區(qū)域系數(shù) HZ =2.464 Z=0.779 螺旋角系數(shù)Z=0.992 取d=1 所以 1d 3 23 )3.527992.0779.0464.28.189(95.31)195.3(106.1002.12 =52.2（ mm） （ 3）主要尺寸計算 模數(shù) 02.31710c o s2.52c o s 0111 Zdm n （ mm） （ 7 10） 取整數(shù) 31 nm （ mm） 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 中心距 15.207c o s)(21 2111 ZZma n （ mm） （ 7 11） 取整數(shù) 2051 a（ mm） 計算實際螺旋角： 1211 2 )(a rc c o s a ZZm n （ 7 12） = 02.9 螺旋角改變不大，系數(shù)EZ、HZ、Z、Z不在修正。 分度圓直徑 d 0111 2.9csomZd n =51.5 (mm) 0122 2.9csomZd n =360.7 (mm) 齒頂圓直徑 da 5.561325.512111 anna hmdd (mm) 7.3661327.3602122 anna hmdd (mm) 齒根圓直徑fd 44)25.01(325.51)(2 *111 nannf chmdd（ mm） 2.3 5 3)25.01(327.3 6 0)(2 *122 nannf chmdd（ mm） 齒寬 b 5.515.51112 db d （ mm） 5.56521 bb （ mm） 經(jīng)校核計算，齒根彎曲強度足夠使用。 查機械設(shè)計手冊確定齒輪精度等級及側(cè)隙分別為： 小齒輪： 8GJ 大齒輪： 8FH 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 計算結(jié)果見下表： 項目 小齒輪 大齒輪 材料及熱處理 45 鋼調(diào)質(zhì) 45 鋼正火 基本參數(shù) 齒數(shù) 17 119 法面模數(shù)（ mm） 3 分度圓法面壓力角 20 螺旋角及方向 9.2左 9.2右 法面齒頂高系數(shù) 1 1 法面齒隙系數(shù) 0.25 0.25 主要尺寸 中心距 205 齒寬 56.5 51.5 分度圓直徑 51.5 360.7 齒頂圓直徑 56.5 366.7 齒根圓直徑 44 353.2 （二）第二級傳動 （ 1）初選參數(shù) 小齒輪齒數(shù) 1Z =20 大齒輪齒數(shù) 2Z = 1Z 2i =20 5.03=100 螺旋角 010 （ 2）按接觸強度結(jié)算 2d 2d 3 22 )()1(2HHEdZZZZuuTK 查教材 載荷系數(shù) K=1.2 彈性系數(shù) EZ =189.8 2/mmN 節(jié)點區(qū)域系數(shù) HZ =2.464 Z =0.779 螺 旋角系數(shù)Z=0.992 5 噸電動卷揚機的設(shè)計 2008.4 取d=1 所以2d 3 23 )3.527992.0779.0464.28.189(95.31)195.3(101.6732.12 =101.