建筑卷扬机及其排绳机构的设计说明书

I 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 建筑卷杨机的简介 . 1 1.2 设计方法或技术路线 ： . 3 1.2.1 设计要求 . 3 1.2.2 各零部件的设计 . 3 1.2.3 拟采用的方法或技术路线 . 3 1.3 本设计的意义 . 4 2 卷扬机部件的设计计算 . 5 2.1 电动机功率选择、总传动比设计计算与校验 . 5 2.1.1 电动机功率的初选： . 5 2.2 钢丝绳的计算及确定 . 8 2.2.1 材料和种类的分析 . 8 2.2.2 钢丝绳的固定方法： . 8 2.2.3 钢丝绳直径的确定： . 9 2.3 排绳机构传动方式的确定 . 10 3 卷筒及卷筒轴设计 . 14 3.1 卷筒的设计计算 . 14 3.1.1 材料与结构的选用： . 14 3.1.2 卷筒容绳尺寸参数： . 14 3.1.3 卷筒的受力分析 . 17 3.1.4 卷筒强度计算校核 . 17 3.1.5 卷筒筒壁的稳定性估算 . 20 3.2 卷筒轴的设计计算 . 20 3.2.1 作用力计 算 . 21 3.2.2 垂直面支承反力及弯矩 . 22 II 3.2.3 水平面支承反力及弯矩支反力 . 22 3.2.4 合成弯矩 . 23 3.2.5.计算工作应力 . 23 3.2.6 心轴的疲劳强度计算 . 24 3.2.7 心轴的静强度计算 . 24 4 卷筒轴齿轮及排绳器设计 . 26 4.1 齿轮类型、精度级度、材料及齿数等设计 . 26 4.1.1 齿轮类型、精度级度、材料及齿数分析 . 26 4.1.2 齿面接触强度设计 . 26 4.1.3.齿根弯曲强度计算 . 29 4.1.4 模数 m 设计 . 30 4.1.5 齿轮几何尺寸计算 . 30 4.1.6 齿轮验算 . 31 4.1.7 齿轮结构设计： . 32 4.2 排绳器的设计 . 33 4.2.1 工作原理 . 33 4.2.2 工作过程分析： . 34 4.2.3 强度计算校核 . 35 4.2.4 滑块强度校核 . 37 4.2.5 润滑 . 38 5 起升机构的设计 . 39 5.1.1 起升机构的组成 . 39 5.1.2 起升机构的典型传动型式 . 39 小 结 . 43 致 谢 . 44 参考文献 . 45 摘 要 III 建筑 卷扬机 是一种起重设备 ，由于其结构简单、制造成本低、操作方便、对作业环境适应性强，因此在建筑、工业、农业、海运、交通、化工、冶金和油田等部门中用于起重、拖重物等工作，也是每个建筑工地、每个工程队必不可少的设备。 在施工工地上，卷扬机钢丝绳在绳筒上绕制常常发生错乱，这样，钢丝绳相互挤压，磨损严重，缩短了钢丝绳的使用寿命；同时，与卷扬机配用的限位装置普遍为重锤式或螺杆式。重锤式安装维修不便，螺杆式由于钢丝绳排绕错乱而导致限位失灵 。为了克服以上缺点，在卷扬机上附加了一种排绳机构。 排绳机构的设计，以减速箱齿轮提供的转动，驱动使排绳机构往复直线运动，使得钢丝绳能在卷扬机卷筒上整齐排列。 利 用 这一 机构进行均匀排绳从而提高了钢丝绳的使用寿命 ，从而提高了生产效率，降低了劳动强度。 关键词： 建筑卷扬机， 卷筒， 总体设计 IV Abstract winch is a construction lifting equipment, because of its simple structure, manufacture low-cost, easy to operate, right operating environment adaptability, construction, industry, agriculture, shipping, transportation, chemical industry, metallurgy and oil sectors such as for lifting and dragging heavy objects, etc., as well as each building site, Each team works essential equipment. The construction site, hoist rope on the ropes around the tube system disorder often occur, then squeeze each other rope, wear serious, shorten the life of the wire rope； Meanwhile, the windlass wearing spacing devices-generally heavy hammer or screw. Mallets-installation maintenance inconvenience, screw-type arrangement as rope around disorder caused spacing failure. In order to overcome the above drawbacks, the hoist to attach a rope agencies. Pai brought the design to reduce speed gear boxes for the moment, the drive to make arrangements justice agencies reciprocating linear motion. can make rope winch drum, were neatly arranged. Use the bodies uniform rope so as to enhance the life of the wire rope, thereby increasing production efficiency, reduce labor intensity. Keywords :Construction winch, Drum, Overall design V 目 录 摘 要 . I Abstract . IV 1 绪 论 . V 1.1建筑卷扬机的简介 . 1 1.2设计方法或技术路线： . 3 1.2.1设计要求 . 3 1.2.2各零部件的设计 . 3 1.2.3拟采用的方法或技术路线 . 4 1.3本设计的意义 . 4 2 卷扬机部件的设计计算 . 5 2.1电动机功率选择、总传动比设计计算与校验 . 5 2.1.1电动机功率的初选： . 5 2.2：钢丝绳的计算及确定 . 8 2.2.1材料和种类的分析 . 8 2.2.2钢丝绳的固定方法： . 8 2.2.3. 钢丝绳直径的确定： . 9 2.3：排绳机构传动方式的确定 . 10 3 卷筒及卷筒轴设计 . 14 3.1 卷筒的设计计算 . 14 3.1.1材料与结构的选用： . 14 3.1.2卷筒容绳尺寸参数： . 14 3.1.3卷筒的受力分析 . 17 3.1.4卷筒强度计算校核 . 18 3.1.5卷筒筒壁的稳定性估算 . 20 VI 3.2：卷筒轴的设计计算 . 21 3.2.1作用力计算 . 21 3.2.2垂直面支承反力及弯矩 . 21 3.2.3水平面支承反力及 弯矩支反力（如图 4.3） . 22 3.2.4合成弯矩 . 23 3.2.5.计算工作应力 . 23 3.2.6心轴的疲劳强度计算 . 24 3.2.7心轴的静强度计算 . 24 4 卷筒轴齿轮及排绳器设计 . 25 4.1：齿轮类型、精度级度、材料及齿数等设计 . 25 4.1.1齿轮类型、精度级度、材料及齿数分析 . 25 4.1.2齿面接触强度设计 . 26 4.1.3.齿根弯曲强度计算 . 28 4.1.4模数 m设计 . 29 4.1.5齿轮几何尺寸计算 . 30 4.1.6齿轮验算 . 30 4.1.7齿轮结构设计： . 30 4.2排绳器的设计 . 32 4.2.1工作原理： . 32 4.2.2工作过程分析： . 33 4.2.3 强度计算校核 . 35 4.2.4 滑块强度校核 . 36 4.2.5 润滑 . 38 5 起升机构的设计 . 39 5.1起升机构的组成 . 39 5.2 起升机构的典型传动型式 . 39 VII 小 结 . 43 致 谢 . 44 参考文献 . 45 1 1 绪 论 卷扬机作为机械中最基本的设备，由于其结构简单、制造成本低、操作方便、对作业环境适应性强，因此在建筑、工业、农 业、海运、交通、化工、冶金和油田等部门中用于起重、拖重物等工作，也是每个建筑工地、每个工程队必不可少的设备。 在施工工地上，卷扬机钢丝绳在绳筒上绕制常常发生错乱，这样，钢丝绳相互挤压，磨损严重，缩短了钢丝绳的使用寿命；同时，与卷扬机配用的限位装置普遍为重锤式或螺杆式。重锤式安装维修不便，螺杆式由于钢丝绳排绕错乱而导致限位失灵。为了克服以上缺点，在卷扬机上附加了一种排绳机构。 排绳机构的设计，以减速箱齿轮提供的转动，驱动使排绳机构往复直线运动，使得钢丝绳能在卷扬机卷筒上整齐排列。 从而提高了生产效率 , 降低了劳动强 度。 1.1 建筑卷扬机的简介 自从 1955年沈阳国泰矿山机械厂试制了 10马力 (约 7.5kw)单筒卷扬机，我国的建筑卷扬机生产已有近 50年的历史，而真正定型生产还是在 7O年代初的事。80年代初我国的建筑卷扬机技术的研究才活跃起来，但和国外的建筑卷扬机技术相比落后至少 3O年。在 8O年代以前，我国还没有制定有关建筑卷扬机的国家标准，产品规格五花八门，结构与技术的维持基本上是根据日本 JIS8OOl 等 40 年代落后标准及按苏联图纸制造的 1Oll、 1012 等落后机型，进展十分缓慢。 80 年代以后，是我国建筑卷扬机设计制 造技术发展最快的时期。国家也制定了有关建筑卷扬机的配套标准、规范。 1985年底，由行业组织 9厂 1所 1校共同参加的卷扬机产品系列设计，使卷扬机的性能参数与经济效益结合指标达到了较为统一的水平，也给使用和维修带来了方便，促进了卷扬机的更新换代。然后新产品种数达到近十个，其中最具有代表性的产品有福建省建筑机械厂的行星传动卷扬机、昆明建筑机械厂的少齿差传动卷扬机、长沙建筑机械研究所与福州市建筑机械厂联合开发的仿日本 Seibu 公司采用立式齿轮传动的电控卷扬机广州市一建公司 2 机械厂的高速卷扬机适应高层建筑的多功能需要， 而江苏海门第三机械厂引进专利技术开发的系列多排顶杆蠕动传动的卷扬机分为三大系列：即电控、手控和微机程控三大类，其性能优于代表国际先进承平的 Seibu“ 一 ” 字型卷扬机，使我国的建筑卷扬机技术跨入世界先进行列。 Stocky 系列卷扬机采用多排顶杆蠕动减速装置，并将该减速装置直接设置于卷筒内，使设计的卷扬机达到体积小、重量轻、过载能力大、节省能源、工作安全可靠。根据用户使用反映卷扬机采用锥形制动电机后，由于一般建筑工地离变压器较远，电缆压降较大，时常出现制动器释放不开，使得卷扬机不能正常工作，因此又设计了一种采用普 通 Y 系列的、带制动器的 “ 一 ” 字型卷扬机，将多排顶杆蠕动传动应用在建筑卷扬机中，当时使我国的卷扬机技术一改几十年一贯制的落后状态，一跃跨入世界先进行列，该产品的整机组合合理，结构紧凑，重量轻，过载能力强，工作安全可靠其中传动方式部分的设计构思独特、新颖、受力均匀、合理，当时属国内外首创。 Rotzler公司， I 型卷扬机设计用于汽车装载机和船舶起重机，也可用于打井机和特种提升设备。重量轻尺寸紧凑的结构可提高起重机起重能力， I 卷扬机减速箱的扭矩不断受到检测，并借助一种新型电子检测控制装置 (MCD)将检测结果 转换为线性模拟信号。该信号可整合到任何起重机的电子控制系统中，使司机随时能够精确测定卷扬机的负荷。利用该线性信号，在卷扬机负荷超过 90额定值时还可发出声音或图象警示。当卷扬机提升或放下重物时，或当制动使重物静止时测定减速箱扭矩。新型电子控制系统可用来确定最低吊钩位置，防止操作者误操作使钢绳缠绕圈数少于安全必需的 3 圈。该卷扬机有 3 种规格，提升力 7 KN、 10KN和 19 KN，最小型号重 50Kg，长 320 rain，宽 280 rain，高 280 rain 。 Demag公司推出了一种能频繁、快速进行提升作业的高 速提升装置。一种能以 70m min的提升速度提升 80kg 物体，另一种以 35m min的提升速度提升 1 60 kg 物体。这种装置的速度是 Demag DS1 卷扬机的 5倍。可用于发货中心的货物码。联合动力产品公司 (APPI)研制开发了一种带式葫芦和卷扬机系列产品，它用高强度编织带代替传统的钢丝绳或起重环链，能消除载荷回转、钢丝绳缠绕等问题，具有便于搬运、安装和检查等优点。该公司还可根据用户的要求，提供电动机、液压马 3 达和气动马达作为传动部件，这种带式葫芦的最大起重量为 2.5 t，带式卷扬机为 5.4t。 为了适应我国 建设任务具有量大、面广、分散等特点，以及劳力资源丰富，财力不足以及贯彻执行机械化、半机械化与改良工具相结合的方针，实行多层次的装备政策和 近期内以发展中、小型机械为主的方针要求，设计符合我国国情的新的卷扬机势在必行，也是迫在眉睫的事。 随着微机技术在世界的改变及在电路中的智能化， PLC在电路中的运用得到了广泛的应用 ,而它可靠性高、能经受恶劣环境的考验、使用极方便的巨大优越性，迅速占领工业自控领域，成为工业自动控制的首选产品，与机动人、 CDM/CAM并称为工业生产自动化的三 大 支柱。 1.2 设计方法或技术路线 ： 1.2.1设计要求 1）设计一台带排绳机构的卷扬机 2）要求能提升 2吨的物体 1.2.2 各零部件的设计 1）电动机的功率计算及选用： 电动机的选取原则是在确保最大工作载荷转矩的前提下，尽量选取最小功率值的电动机。同时充分发挥电动机容许的最大启动转矩能力，以适应启动时所需转矩值的增大，为此应优先选用启动转矩和短时过载系数大的电动机。 2）减速箱的参数设计与选用： 减速箱的选择主要根据齿面性能，传动比等方面进行选择。本设计中选择硬齿面及合适的传动比减速器作为卷扬机的选型方案，其传动比需满足设计要求。 3）卷 扬机滚筒及排绳机构的设计： 卷扬机滚筒的选择主要包括结构设计和强度设计，强度设计主要是考虑弯 4 曲校核、扭矩校核和寿命校核。 4）电动机控制线路的设计及卷扬机钢丝绳的选择： 卷扬机绳径的选择依据是 JG T503 1 93建筑卷扬机设计规范 4 1 1条，根据安全系数来确定的。控制线路的设计实现三相异步电机的正、反转、快转和慢转的要求。 1.2.3拟采用的方法或技术路线 1）动力及传动部分 采用合适的三相异步电机，通过减速箱驱动卷扬机转动 2）排绳机构 设计出排绳机构，以减速箱齿轮提供的动 力，驱动排绳机构往复直线运动，使得钢丝绳能在卷扬机卷筒上整齐排列 3）卷扬机 对卷扬机滚筒进行结构设计和强度、寿命校核 4）采用继电器和手动按钮设计三相异步电机的正、反转、快转和慢转，完成控制面板的设计 1.3 本设计的意义 随着卷扬机在工业的广泛应用，新的卷扬机势在必行，也是迫在眉睫的事 所以本设计就是为了更好地改善已往卷扬机在工业中的缺点，如：钢丝绳在工作中由于受到挤压而使其使用寿命下降，而采用排绳机构进行均匀排绳从而提高了钢丝绳的使用寿命。同样在控制电路中，采用 plc来进行控制这样能减少电路中的繁锁，跟 据科学技术要从智能化和微型化进行发展。从而改善了采用继电器来控制电路。并增强了控制的实时性，更能保证精度要求的产品质量。这样也跟上了主流计算机发展的潮流、将生产控制与生产管理合二为一。也就是迎合了全集成自动化的概念，将数据处理、通信、控制程序统一起来了。这也就是本设计的意义。 5 2 卷扬机部件的设计计算 电动机、钢丝绳、排绳机构等在卷扬机有着非常重要的作用，所以应跟据载荷的大小来确定它们产型号，这也是非常重要的。 2.1：电动机功率选择、总传动比设计计算与校验 正确选择电动机额定功率的原则是：在电动机能 够满足机械负载要求的前提下，最经济、最合理地决定电动机功率。 根据电动机的类别有直流电动机和交流电动机。而它又分为三相异步电动机和同步电动机。异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，而直流电动机也结构简单、维护方便，但由于长期以来交流电动的调速问题未能得到满意的解决。因此，交流电动机在工业中使用得最为广泛的一种电动机。 卷扬机属于非连续制工作机械，而且起动、制动频繁。因此，选择电动机应与其工作特点相适应。 卷扬机主要采用三相交流异步电动机。根据工作特点，电动机工作制应考虑 选择短时重复工作制 3S 和短时工作制 2S ，并优先选用 YZR（绕线转子）、 YZ（笼型转子）系列起重专用电动机。多数情况下选用绕线转子电动机；根据本设计要求，综合以上分析，本设计主要选择绕线转子的短时重复工作制 3S 。 2.1.1电动机功率的初选： 卷扬机电动机功率的初选可按所需的静功率计算，然后根据电动机工作方式类别进一步确定电动机的功率，并进行必要的校验。 静功率（单位： KW）计算公式 为： 6 60000 eeg vFP (2.1) 式中 eF 钢丝绳额定拉力（ N）； ev 钢丝绳额定速度（ m/min）； 卷扬机整机传动效率。 这里的传动效率包括传动装置、轴承、联轴器、离合器和卷筒缠绕等的效率。 .21 235 6 7891041 - 电 动 机 2 - 弹 性 联 轴 器 3 - 二 级 圆 柱 齿 轮 减 速 器 4 - 齿 轮 联轴器5 - 开 式 齿 轮 传 动 6 - 卷 筒 7 - 排 绳 器 导 辊 8 双 向 丝 杠 9 - 链 条1 0 - 链 轮1 图 1 卷扬机工作原理图 根据 3建筑卷扬机的设计表 3 3 选取各传动件的传动效率： 弹性联轴器 1 99 两级圆柱齿轮减速器 (同轴式 ) 2 93 齿式连轴器 3 99 开式齿轮传动 4 98 卷筒（滚动轴承） 5 96 7 链传动 6 94 丝杠 8 40 则总传动效率为： 54321 0.86 选取钢丝绳的速度 ev 25m/min，则动载系数 1.13 60000 eeg vFP 86.060000 251024 9.67(kW) 卷筒转速： 310eee Dvn 式中 ev 钢丝绳额定速度（ m/min）； eD 卷筒基准层钢丝绳中心直径（ mm）。 310eee Dvn 3105.44625 8.17 min)/(18 r (2.2) 总传动比 edenni 式中 den 电动机额定转速（ r/min）； en 卷筒转速（ r/min）。 gdenni 18750 41.66 根据 3建筑卷扬机的设计表 3 7 可选取传动比 608 2 i 的两级圆柱齿轮减速器 (同轴式 )。 并取 2i 25，则开式齿轮传动比 4i 3214 iiiii 1251 66.41 =1.66 根据 2电气工程师手册表 7.6 4 可选取： YR系列绕线转子三相异步电动机，转速 den 750 r/min；额定功率 P 11KW； 8 额定电压： 380V。 2.2：钢丝绳的计算及确定 2.2.1材料和种类的分析 钢丝绳由许多高强度钢丝绳编绕而成，可单捻、双捻成形。绳芯常采用天然纤维芯（ NF）、合成纤维芯（ SF）、金属丝绳芯（ IWR）和金属丝股芯（ IWS）。纤维芯钢丝绳具有较高的绕性和弹性，缠绕时弯曲应力较小，但不能承受横向压力。金属丝芯钢丝绳强度较高，能承受高温和横向压力，但绕性较差。本设计中卷扬机为多层缠绕，更适合选用双捻制天然纤维芯（ NF）钢丝绳。 根据