〔大学论文〕DTD72绞车的设计（含word文档） .pdf

毕业设计(论文) dtd72 绞车的设计 thethethethe designdesigndesigndesign ofofofof thethethethe winchwinchwinchwinch ofofofof dtdtdtdtd72d72d72d72 学 生 姓 名 学 院 名 称机电工程学院 专 业 名 称机械设计制造及其自动化 指 导 教 师 摘要 针对 dtd72 绞车的具体的结构和工作时的具体要求，对其进行整体的设计。包括对 电动机的选择，减速器的选用，卷筒的设计和校核以及主轴的设计和校核，其它一些零件 的选用和设计和对绞车的各部位的润滑。在设计过程中查阅了相关的一些资料，发现现在 所做的设计是一个传统的但又是非常有实际意义的设计。文中主要阐述了绞车的发展和具 体对绞车的设计和部件的选用过程。 主轴的设计主要针对其在绞车上受力，通过选择材料到初步确定尺寸，再进行受力分 析，最后进行校核强度等一系列的步骤来设计出符合要求的轴。 卷筒的设计主要通过设计的要求，对卷筒的材料，卷筒的直径，卷筒的壁厚等一系列 问题进行综合的设计。并对设计的卷筒进行整体的强度校核。 由于本人时间和知识面的有限，所以设计的绞车不可能很全面。文中错误难免，望老 师给于指正。 关键词关键词 绞车；主轴；卷筒；减速器 abstractabstractabstractabstract dt d72 winch for the specific structure and working at the specific request of its overall design. including the motor of choice, the choice of reducer, reel in the design and verification as well as the main design and verification, some other parts of the selection and design of the winch and the various parts of lubrication. in the design process inspection of the relevant information and found that the design is now done by a traditional but a very meaningful design. in the main text of a winch on the development of the winch and specific parts of the design and selection process. the design for the main spindle in the winch on the force, through the choice of materials to determine the initial size, to conduct analysis, a final check of the intensity and a series of steps designed to meet the requirements of the shaft. reel mainly through the design of design requirements, the reel of material, the diameter reel, reel wall thickness of a series of issues such as integrated design. and the design of the overall strength of reel to check. because of my limited time and knowledge, so the design of the winch is notcomprehensive. in the wrong inevitably, to hope the teachers can corrected. keywordskeywordskeywordskeywordswinchspindlereelreducer 目录 1 绪论1 1.1 课题背景1 1.1.1 绞车的分类1 1.1.2 绞车的特点和性能 1 1.2 国内外绞车发展情况2 1.2.1 国内绞车发展情况2 1.2.2 国外绞车发展情况4 2 电动机的选择5 2.1 选择电动机类型和结构型式5 2.2 主要参数5 2.3 选择电动机5 3 减速器的选择7 3.1 减速器的作用7 3.2 减速器的种类7 3.3 常见减速器的种类7 3.4 减速器的选择7 4 卷筒的设计9 4.1 设计卷筒9 4.1.1 卷筒的材料9 4.1.2 卷筒容绳尺寸计算9 4.1.3 卷筒筒壁的厚度计算和卷筒壁的强度计算10 4.2 卷筒强度分析11 4.2.1 分析卷筒强度11 4.2.2 稳定性计算原理13 4.2.3 卷筒深槽惯性矩的计算15 5 轴的设计16 5.1 轴的概述16 5.1.1 轴的用途16 5.1.2 轴设计的主要内容16 5.1.3 轴的材料16 5.1.4 轴的结构设计16 5.2 设计轴17 5.2.1 确定轴的尺寸17 5.2.2 对轴的受力分析17 5.2.3 校核轴径19 6 制动器的选择20 6.1 制动器的分类 20 6.2 制动器选择20 6.3 制动器原理与结构 20 6.3.1 结构特征20 6.3.2 工作原理20 6.4 制动器选用21 6.5 制动器外形尺寸图21 7 键的选择22 7.1 键及其连接22 7.2 键联接的功能、分类及应用22 7.3 键的选择22 7.4 平键的校核23 8 联轴器24 8.1 绞车联轴器的种类24 8.2 联轴器的误差种类及要求24 8.3 计算联轴器的计算转矩25 8.4 计算联轴器的计算转矩25 8.4.1 确定联轴器的型号25 8.4.2 校核最大转速26 8.4.3 协调轴孔直径26 8.4.4 规定部件相应的安装精度26 8.4.5 进行必要的校核26 9 轴承的选用27 9.1 轴承的分类27 9.2 轴承的游隙的选择27 10 润滑 27 10.1 润滑剂的作用 29 10.2 润滑剂的分类 29 10.3 润滑剂的性质 29 10.4 润滑剂的选用原则 30 10.5 绞车所需要的润滑部件 30 结论 31 致谢 32 参考文献 33 附录 34 附录 1 34 1 绪论 1.1 课题背景 绞车是工业生产过程中一种常见的机械， 具有悠久的发展历史和比较成熟的设计制 造技术。随着绞车制造技术的不断提高、加工材料的不断改进以及电子控制技术的不断发 展，绞车在动力、节能和安全性等方面取得了很大的进步。目前，绞车正被广泛地运用于 矿山、港口、工厂、建筑和海洋等诸多领域。 在矿山采掘和运输场合，绞车作为重要辅助设备被大量并广泛地运用着，例如矿 用提升绞车、调度绞车、耙矿绞车和凿井绞车等。提升绞车可用于矿山竖井或斜井中物品 与人员的调度，具有较大的牵引功率和很好的安全性，是矿山生产中不可缺少的设备之一 1。 绞车的另一个重要用途是港口机械，常见的有集装箱起重机、港口装卸门座起重 机、塔式起重机以及轻小型的电葫芦等起重机械，其主要执行机构都是各种形式和结构的 绞车。对于这种用途的绞车，要求具备较好的调速性能和很高的安全性能。另外，绞车还 被运用于各种线缆的存储、制造和运输，例如纺织机械中的用于存放丝线的线招和电缆 制造中用于存放各种直径缆绳的缆盘。这种情况下，绞车不光要具有一定的调速能力，并 还能够使不同直径的缆绳排列整齐，从而保证生产的顺利进行。在船用甲板机械和海洋开 发领域，绞车也具有悠久的使用历史和多种多样的用途。 可以说，绞车广泛地运用于各种各样的场合，发挥着不同的作用，也具有各种各 样的结构组成。为了更好地研究绞车的结构和性能，需要对绞车的组成和绞车的分类展开 探讨。 1.1.1 绞车的分类 绞车多种多样的用途，决定了绞车的种类和组成形式也是多种多样的。按照绞车 卷筒的数量分，绞车可以分为二种:单卷筒绞车、双卷筒绞车和二卷筒绞车2。 单卷筒绞车是二种类型绞车中最常见的。它只有一个卷筒用来存放缆绳或者铰 链，一般用于对卷筒的容绳量要求不高的场合。 另外，按照绞车的驱动方式，通常又把绞车分为电动绞车，气动绞车和液压绞车 二种。 1.1.2 绞车的特点和性能要求 通过对绞车应用场合的探讨和绞车结构的分析，可以得知，在工程应用中绞车会具有 如下一些特点: 1.负载时变 绞车用于海洋拖曳、电梯轿厢提升、矿山调度等场合时，由于外界环境因素的影 响，例如海浪、海流、货物重量等的不断变化，它的负载也在不断变化。这就对绞车的稳 定运行造成了很大干扰。如果不采取有效的控制手段，绞车的收放速度就不可能稳定，有 时甚至无法正常工作。 2.驱动力矩范围大 这也是由绞车的工作环境决定的，其驱动力范围从几公斤到上百吨不等。 3.要求调速方便，高低速运行稳定 由于收放工作的需要，现在许多绞车都需要能够方便连续地调整收放速度。在高 速运行的时候，不能出现飞车的情况;在低速运行的时候，不能出现爬行现象，要保持一 定的输出力矩。 4.对安全可靠性要求较高 由于绞车一旦出现事故，就有可能对人的生命或财产造成很大的伤害，加上绞车 的工作环境大多比较恶劣，所以就要求绞车具有很高的可靠性。因此在设计绞车时设计人 员应考虑到绞车的最大负载能力、绞车的防爆性、兀件的可靠性等因素。 5.要求具有较好的可操作性 随着对绞车使用要求的不断提高以及自动化技术的发展，绞车的自动化程度也在 不断提高。一些先进的电子控制技术、通讯技术的运用，使得现在的绞车能够具有很好的 人机接口和远程通信能力，极大地提高了绞车的操作性能。 1.2 国内外绞车发展状况 矿井提升机包括机械设备及拖动控制系统，是联系地下和地上的重要途径，是矿 山生产的咽喉设备， 其性能好坏直接关系到矿山的生产效率和安全性及可靠性， 它的安全、 可靠运行是整个矿井正常生产的必要条件，一旦发生故障，所造成的经济损失是巨大的。 “运输是矿井的动脉，提升是咽喉”形象地描述了矿井提升运输系统的工作过程与重要作 用3。目前，国内外对提升设备经过多年的研究，近几于年来发展的很快，尤其是提升 设备的滚筒方式、制动方式和电力拖动、自动化控制等方面有很大的改进，在提升设备的 理论和实践方面都取得了丰富的经验。 国内外对于提升绞车的优化设计研究属于较冷门的行业，相关的研究成果不太 多。 1.2.1 国内绞车发展状况 我国提升设备的设计制造，是在解放以后才开始的4。建国初期在党的领导下， 新建和改建了许多矿山机械制造厂。 1953 年抚顺重型机器厂制造了我国第一台缠绕式双筒 提升机。 1958 年洛阳矿山机器厂设计制成了我国第一台 2x4 多绳摩擦式提升机， 并于 1961 年开始运转，这种提升机与缠绕式提升机比较，具有重量轻、体积小、安全可靠、适合较 深矿井的特点，是现代提升机的发展方向。并已在我国许多矿山中得到普及和应用。如安 徽的凤凰山铜矿、梅山铁矿、张家洼小官庄铁矿、西石门铁矿、丰山铜矿、铜坑锡矿等矿 山是较早地应用多绳摩擦提升机的矿山。1989 年投产的通钢板石沟铁矿 18#矿组的罐笼井 采用的是上海冶金矿山机械厂生产的第二台 jkd1. 85 x 4 多绳摩擦式提升机。1971 年该 厂又新设计制造了 jk 型新系列单绳缠绕式提升机，新系列采用了一些新结构，与老型号 比较，提升能力平均提高了 25% 。而机器重量也相应的有所减少。其它如 jt 系列矿用绞 车，jkm 及 jkd 系列多绳提升机在采用新结构提高产品性能方面都有较大改进和提高。 我国的矿用提升机其调速原理经历了电阻调速、液压调速、变频调速及行星差动 调速等几次大的改进，目前国产提升机所采用的调速装置主要有两种类型:一是液压传动 调速装置(液压调速)，其产品形式即为现有的液压提升绞车;二是电抓调速装置(变频调 控)，其产品形式即为现有的传统 jt 系列绞车。 提升机是一种重要的矿用机械，我国的提升机从上世纪七于年代开始应用于煤矿 生产，极大地提高了工作效率，但安全性能较差，极易发生爆裂;八于年代为解决井下提 升机防爆难题，生产了一种液压提升机，之后又出现了运用变频调速原理生产的无级调速 提升机。 煤矿提升绞车是煤矿安全生产的重要设备， 是安全生产的关键， 它能否正常运行， 直接关系着煤炭的产量、生产成本及矿井和职工的安全。随着市场经济的发展和矿井标准 化建设的需要，提升绞车的运行质量越来越受到各级部门的重视。 根据规定5:投入运行后的提升设备，必须由矿务局机电部门 每年进行一次检查， 每 3 年进行一次测试， 认定合格并签发运行许可证书后方可继续使用. 每次的测试结果表明大部分的绞车使用良好，但也存在一些带有普遍性的问题，在一定程 度上制约了煤炭产量，增加了生产成本，同时也影响了煤矿的安全生产，下面就针对一些 主要问题进行归纳。 1.提升设备完好率差，存在重大事故隐患。 提升装置必须装设下列保险装置，即防过卷装置、限速装置、深度指示器失效保 护装置等，并满足相应的技术要求，但有许多矿用绞车没有设置，违反了相应规定。 2.制动装置可靠性差。 制动装置是提升绞车的重要组成部分，根据设计安装要求，制动招加工表面粗 糙度应达到 1.6,偏差越小越好，最大不应超过 0.5mm.但有的矿用绞车安装质量差，滚筒 端面凹凸不平，使滚筒在运转时，制动轮间歇摩擦闸瓦，从而造成电机电流波动大，电耗 增加，并加速了闸瓦的磨损。还有的绞车松闸不彻底，有时还会因为某些干扰因素引起突 然紧闸现象。这种现象会影响机械系统的使用寿命，并有可能造成断绳等事故。 3.绞车实际运行质量较差、效率偏低。 测试中发现大多数绞车均采用手动控制，加速、减速及低速爬行和停车休止时间 相对偏长，使绞车提升能力下降，电机电耗增加。6 近年来，我国各生产厂家对结构、调速装置等进行了许多改进，并推出了许多更 新换代的产品7。随着计算机技术的飞速发展，计算机和 plc 的运算速度加快、存贮能 力加大、功能加强、体积减小，使煤矿机械的功能更强、性能更优、效率更高。例如淮南 张集矿 2x3000kw 交变频双电机拖动提升机， 其自动化控制由主控 plc (s7-400)、 监控 plc (57-400),闸控 plc (57-400)、装载 plc，(s5-115w、卸载 plc (s5-115e)和传动控制装 置 simadynd 及操作台的 wincc 人机界面装置多台计算机(plc)组成8。 1.2.2 国外绞车发展状况 国外矿用提升机的研究比较先进，并能及时地将研究的成果运用到矿用提升机的 实际生产中。自 1827 年德国制造出第一台蒸汽提升机以来，矿井提升机大体分为两种形 式，一种为缠绕式提升机，另一种为多绳摩擦式提升机。目前广泛使用单绳缠绕式提升机 和多绳摩擦提升机9。 最初提升机仅为缠绕式提升机一种，但随着矿井开采深度及年产量口益增加，在 井深达 1000m 以上，一次提升量达 4050t 的条件下采用缠绕式提升机其钢绳直径要达到 90mm，滚筒直径要达到 9m，电动机功率要达到 4500kw。这样的提升机制作金属量消耗大、 制造困难、成本昂贵，更重要的是直径 somm 以上的钢绳只有几个发达国家可以制造，而 且价格贵的惊人，且寿命远不如 40mm 以下的长。于是在 18 世纪末，出现了用几根细钢绳 代替一根粗钢绳的做法，就产生了多绳摩擦提升机。由于多绳摩擦提升机绳径小，摩擦轮 直径小，电动机功率小，到 20 世纪 70 年代，世界上应用多绳摩擦提升机已有 600 多台。 在过去的 20 年中，我国从德国共进口 20 多套大型矿用提升机，其电控配套装置 均为西门子公司的产品，其中 10 套是为直流电动机配套的直流电控制系统，其余 10 多套 均为交频交流电气传动电控配套装置10。第一套是 1994 年为山西省常林矿主井提升机 配套的，其调速性能非常理想，目前节能效果相当明显，它代表了世界矿用提升机的先进 水平，也为我们指明了走节能和无级调速的路子。特别是随着计算机技术的飞速发展，机 电一体化技术和产品在世界范围内得到了迅速发展和应用。先进采煤国从采煤工作面、掘 进工作面，到井下主煤流运输及辅助运输，到矿井提升及井下供电、排水等装置，均具有 建立在微处理器基础上的监控和保护系统，其机电一体化的设备、性能、可靠性和功能等 有大幅度提高。如美国、澳大利业等国由于在井下采用了先进的机电一体化设备，已实现 无人工作面、遥控采矿甚至无人矿井;加拿大 inso 公司利用现代通讯、井下定位与导航、 在线信息处理、监控系统，实现了对地下镍矿的机电一体化采矿装备乃至整个矿山开采系 统的遥控操作。 2 电动机的选择 2.1 选择电动机类型和结构型式 电动机有交流电动机和直流电动机两种。由于直流电动机需要直流电源，结构较复 杂，价格较高，维护比较不便，因此无特殊要求时不宜采用。 工业上采用交流电动机交流电动机有异步电动机和同步电动机两类，异步电动机 又分笼型和绕线型两种，其中以普通笼型异步电动机应用最广泛如无特殊需要，一般 忧先选用型笼型三相异步电动机，因其具有高效，节能，噪音小，振动小，安全可靠 的特点，且安装尺寸和功率等级符合国际标准，适用于无特殊要求的各种机械设备 2.2 主要参数 牵引力：10000n牵引速度：0.3ms 左右卷筒最小直径 250mm。 绞车的工作环境：常温下长期连续工作，环境有灰尘。电源为三相交流，电压 380v。 2.3 选择电动机 设绞车卷筒效率为 n1=0.96,轴承的效率为 n2=0.98， 减速器 ngw52-11 的效率 为 n3=0.95，联轴器的效率为 n4=0.99，联轴器 mll5-i-200 的效率为 n5=0.99。 ya=0.960.980.950.99 2 =0.876 容量为 pd所以电动机的=fv/1000a=(100000.3)/10000.876 =3.42kw 确定电动机的转速 卷筒轴工作转速为 n=601000v/d =（6010000.3）/（3.14250） =22.9r/min 因为二级行星减速器的传动比为 1060 所以 n=(1060)22.9=2291374 综合考虑电动机和传动装置的尺寸，重量，价格和传动比。应选择电动机型号为 y132m1-6 其主要参数如表 表 2-1 主要参数 电动机型 号 额定功率 ped/kw 电动机转速 r/min 电动机重 量 n 参考价格 元 同步转速满载转速 y132m1-641000960730350 电动机的主要外形和安装尺寸列于下表： 图 2-1 主要外形 表 2-2 安装尺寸 中心高 度 h 外形尺寸 l（ac/2+ad） hd 底脚安装尺 寸 ab 地脚螺栓孔 直径 k 轴伸尺 寸 de 装键部位 尺寸 fgd 1325153453152161781238801041 3 减速器的选择 3.1 减速器的作用 1）降速同时提高输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但要注意不能超出 减速器额定扭矩。 2）速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。大家可以看一下一般电机 都有一个惯量数值。 3.2 减速器的种类 一般的减速器有斜齿轮减速器(包括平行轴斜齿轮减速器、蜗轮减速器、锥齿轮减速 器等等)、行星齿轮减速器、摆线针轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、行星摩擦式机械无级变 速机等等。 3.3 常见减速器的种类 1） 蜗轮蜗杆减速器的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减比，输入轴和 输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不 高。 2） 谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动相比较 差。输入转速不能太高。 3） 行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长， 额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。 3.4 减速器的选择 在选择行星减速机时，首先要明确减速比。确定减速比后，请将您选用的伺服电机 额定扭矩乘上减速比，得到的数值原则上要小于产品样本提供的相近减速机的额定输出 扭矩，同时还要考虑其驱动电机的过载能力及实际中所需最大工作扭矩。所需最大工作 扭矩要小于额定输出扭矩的 2 倍。 满足上面条件后请选择体积最小的减速机，体积小的减速机成本相对低一些。 如果您的空间不够电机减速机直线连接，您还可以选择拐角型减速机，它可以使扭矩转 90 度。 一、ngw 型行星减速器有单级(ngw11-ngw121)，两级ngw42-ngw122)和三级 (ngw73-ngw123)三个系列组成。 1.结构特点 (1)体积小、重量轻、结构紧凑、传递功率大、承载能力高 (2)传动效率高，工作高 (3)传动比大 2.行星减速机介绍 行星减速机包括单级、双级和三级传动，计有 12 个机座，27 个型号，58 种速 比，可组成 498 台不同规格的减速机。 本减速机主要用于冶金、矿山、起重运输、石油化工、煤炭能源、水泥建材、 工程建材、工程建筑等行业。亦可用于轻工纺织、水利水电等部门作减速或增速传动。 适用条件： 减速机齿轮传动圆周速度不超过 10 米/秒。 输入轴转速不高于 1500 转/分。 减速机工作环境温度-40-+45。 减速机可用于正、反两向运转。 表 3-1 主要参数 型号规格速比范围输入轴转 速(rpm) 输入功率 （kw） 输出扭矩 (n.m) 两 级ngw42-ngw12214-160750-15000.7-517902-47305 图 3-1 减速器示意图 4 卷筒的设计 4.1 设计卷筒 4.1.1 卷筒的材料 由于考虑到卷筒材料具有良好的铸造性和焊接工艺性，且货源广泛，在本设计中 选取材料 zg230-450 极限应力mpa b 3 . 449=、mpa s 5 . 267= 4.1.2 卷筒容绳尺寸计算 卷筒容绳尺寸参数意义及表示方法应符合国家标准规定。 a)卷筒节径d 卷筒节径d应满足下式 dkd e 式中 e k筒绳直径比，由建筑卷扬机设计查表得15= e k d钢丝绳直径（mm） 则2251515=d取mmd269= mmddd25019269 0 = b)卷筒容绳宽度 t b 卷筒容绳宽度 t b，一般可以由下式确定 0 3dbt 式中 0 d卷筒直径（mm） 则2503 t b取mmbt600= c) 卷筒边缘直径 k d 卷筒边缘直径即卷筒端侧板直径端侧板直径用下式计算 ddd sk 4+ 式中 s d最外层钢丝绳直径，由下式确定()dsdds12 0 += s钢丝绳缠绕层数 则325155250=+ k dmm取mmdk450= c)缠绕层数s 缠绕层数s按下式计算 d mdd s kk 2 2 0 式 （4.1） 式中 k m为保证钢丝绳不越出端侧板外圆的的安全高度（mm） 计算得mmdmk302152= 则79 . 4 152 302250450 s取4=s d)卷筒容绳量l 卷筒容绳量是指钢丝绳在卷筒上顺序紧密排练时， 达到规定的缠绕层数所能 容纳的钢丝绳工作长度的最大值 卷筒容绳量按下式计算 第i层钢丝绳绳芯直径为 ()dsdd ii 12 0 +=式（4.2） 式中的 i s第i层，si, 3 , 2 , 1=。 则()mmd2651512250 1 =+= ()mmd29515142502=+= ()mmd3251516250 3 =+= ()mmd3551518250 4 =+= 第i层钢丝绳长度为 () 3 0 1012) 1( +=dsddbl iti 式（4.3） ()ml6614.35101512250) 115600( 3 1 =+= ()ml6985.39101514250) 115600( 3 2 =+= ()ml7357.43101516250) 115600( 3 3 =+= ()ml7729.47101518250) 115600( 3 4 =+= 卷筒容绳量为 i llll+= 21 7729.477357.436985.396614.35+=l ml8685.166= 4.1.3 卷筒筒壁的厚度计算和卷筒壁的强度计算 a)多层缠绕系数 s a的确定 多层缠绕系数 s a的理论计算 () () () + + + + =1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 s s s s a 式（4.4） 式中s钢丝绳的缠绕层数 et fe = 18 0 = d d e 2 0 ed fe = 式中t钢丝绳的缠绕节距mmdt19.1901. 1= 卷筒壁厚)(mm 0 d卷筒直径)(mmmmd250 0 = d钢丝绳直径)(mmmmd15= e钢丝绳纵向弹性模量)(mpagpae100 = e钢丝绳横向弹性模量)(mpampae600 = e卷筒材料的弹性模量)(mpagpae120= f钢丝绳的断面积)( 2 mm 则55 . 1 = s a b)卷筒的厚度设计 卷筒厚度为 c e s t f a 式中 e f钢丝绳的额定拉力)(n c 建筑卷扬机设计查得mpa c 183= 则 1830024 . 0 10000 55 . 1 mm14= c) 卷筒壁的强度计算 c e sc t f a = mpa c 13.46 1424 . 0 10000 55 . 1 = = 经强度计算较合适无需调整。 4.2卷筒强度分析 4.2.1 分析卷筒强度 卷筒在工作中受到钢丝绳的作用,一是钢丝绳拉力使卷筒受弯和受扭,二是钢丝绳拉 力对卷筒产生的径向压力。卷筒上的扭转应力比较小,可忽略不计。在较短的卷筒中,弯曲 应力也可以不予考虑1。因此,卷筒壁厚主要与钢丝绳在卷筒上卷绕时对卷筒的紧箍作用 有关,紧箍作用引起的应力使卷筒受到压缩和弯曲。如图 1 所示,卷筒在具有一定拉力的单 圈绳索的作用下将产生局部弯曲变形,而卷筒在实际工作中,并不是仅仅受到一个卷绕绳 圈作用的载荷,而是受到了紧密排列的许多绳圈作用的载荷。如果在卷筒上所有的绳圈都 保持着钢丝绳原来卷绕卷筒时的拉力,则当卷筒上布满了卷绕上的绳圈时,由弯曲应力引 起的变形消失。 图 4-1 单绳圈与多绳圈作用引起卷筒的变形 对于外压作用下要求强度的结构,由于加劲肋有效地参加整体结构的受力,所以在计 算时也应将加劲肋考虑在内2。计算环向加筋圆筒壳就象计算具有相应当量厚度的假想 光壳一样进行。假定把环筋均匀“铺平”在壳的表面,即可求出当量厚度 ha 为 a f hh t =+式（4.5） 式中 h-卷筒壁厚 f-环筋的横截面积 t-卷筒槽距 -当量系数 为了研究方便,把卷筒作为一个圆筒,只是在计算外压时将绳槽的高度简化成等效 厚度加到卷筒壁厚上。则可推导出卷筒的应力状态3: 22 222 1 r pba bar = 式（4.6） 22 222 1 pba bar = + 式（4.7） 2 22 2 () zr pb ba =+= 式（4.8） 此时,应力分量r 和都是压应力,处于三向受压应力状态。3 个主应力分别为 1=r,2=z,3=。最大压应力发生在卷筒内表面。 式中 r -卷筒径向应力； p-卷筒的外压； b-卷筒外表面半径； r-卷筒半径； a-卷筒内表面直径； -卷筒周向应力； z -卷筒轴向应力； -泊松比。 2 _ max 22 2 |r a pb ba = = 在塑性理论中,两种常见的屈服条件是米泽斯(mises)屈服条件和特雷斯卡(tresca) 屈服条件,本文采取后一种屈服条件,其表达式为 122331 max(|,|,|) s =式（4.9） 22 13 222 2 r pba ba r = 式（4.10） 由式(6)可以看出,在内侧 r=a 首先开始屈服,此时(r-)r=a=s,可以求得弹性 极限压力 pe 为 22 2 () 2 ssa e bah p bb =式（4.11） 4.2.2稳定性计算原理 由于减薄的卷筒属于焊接薄壁结构,可应用薄壳理论方面的知识。能量法是研究 弹性体稳定性问题的常用方法之一,尤其对于比较复杂的问题,用能量法求解往往比较简 便4。本文采用能量法中的一种常用方法李兹法来推导卷筒的稳定性计算公式。 首先要选择能确定该物体偏离其初始平衡位置的位移,并能满足边界上运动条件的基 函数。还要建立壳中面应变以及壳任意点应变和其位移分量的几何关系式,再推导壳的应 变能 v 和外力功 u 与 壳应变的关系式。通过这些关系式可以求得偏离后壳的总位能=v-u 的表达式,再利 用最小位能原理推导壳的稳定性方程。 在研究薄壳的变形时,采用曲线坐标系最为适宜,取原点在左端中心轴上。壳中面任一 点的位置,可以用两个坐标和来表示。其中为所研究的点与过原点垂直于圆柱中心 轴的平面之间的距离;为经过所研究点作直径面,与给定直径面之间的夹角。 令符号 u,分别代表所研究点沿母线方向,圆周切线方向以及中面法线方向 上的位移。当圆筒壳丧失总体稳定性时,壳的两端可以认为是简支,因此位移和在两端 应该等于零。壳失稳后的变形是连续的,位移的 3 个分量都应该是坐标的周期函数。则 屈曲挠度函数可设为 sin()cos(max) cos()(max) sin()cos(max) uan vbnsin wcn = = = 式（4.12） 式中 l =； l卷筒长度; m卷筒壳失稳时沿壳的长度方向形成的半波数; n卷筒壳失稳时沿壳的圆周方向形成的半波数; a,b,c未知常数。 在径向外压力作用下,可求得环筋圆筒壳总体 稳定性的理论临界压力 e p 22444 2222 0 2222222 0 (1) (1) (1) 12 (1) e il nehlhmr pmrn rl nrmrnr hlt =+ + 式（4.13） 式中e-弹性模量； r-卷筒名义半径； l0-卷筒切有绳槽部分的长度； i-卷筒绳槽惯性矩。 m, n 由相应上式最小值的条件确定。 计算表明,当 m=1,由上式所确定的理论临界压力为最小。 令 m=1,可将上式简化为: 2432 222 2222223 0 (1) (1) (1) 12 (1)() e ehlhrei n prn l nrrnr t =+ + 式（4.14） 从式(10)可以看出,惯性矩越大,屈曲压力就越高。 对于一般的圆筒壳,r=rl 约为 1,而 n3,所以2r2 与 n2 相比可以忽略不计,这样 式(10)简化为 432 3263 0 12(1) e ehlehr lein p rl nr t =+ 式（4.15） 将对 n 求导,并令其为零,得 7 6 20 e p n d h kn dn = 式中 3 323 0 12(1) eh lei k l rr t =+ ； 43 0 ehr l h l =式（4.16） 从而求得 8 3h n k =。 将求得 n(圆整)代入式(9),即可求得圆筒壳在径向外压作用下的总体稳定性的最小理 论临界压力。 4.2.3 卷筒深槽惯性矩的计算 绳槽半径 r10575d,绳槽节距 t13d,绳 槽深度 c06d。 00 5.9994 2 hhtf iiy htf =+= + 10 2 d 4 +0.195+h/2 htf htf+ 式（4.17） 5 轴的设计 5.1 轴的概述 5.1.1 轴的用途 轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件，都必须安装在轴上才能 进行运动及动力的传递。因此轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。 5.1.2 轴设计的主要内容 轴的设计包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。 轴的结构设计是根据轴上零件 的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的结 构设计不合理， 会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会冲加轴的制造成本和 轴上零件装配的困难等。 轴的工作能力计算指的是轴的强度、 刚度和振动稳定性等到方面的计算。 多数情况下， 轴的工作能力主要取决于轴的强度。 这时只需对轴进行强度计算， 以防止断裂或塑性变形。 而对刚度要求高的轴和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹 性变形。对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。 5.1.3 轴的材料 轴的材料主要是碳钢和合金钢。 由于碳钢比合金钢价廉， 对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处 理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造轴尤为广泛，其中最长用的是 45 钢。 5.1.4 轴的结构设计 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。 1）拟定轴上零件的装配方案 拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。 所谓 装配方案，就是预定出轴上方根零件的装配方向，顺序和相互关系。 2）轴上零件的定位 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动， 轴上零件除了有游动或空转 的要求者外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。 零件的轴向定位 轴上零件的轴向定位是以轴肩、套筒、轴端挡圈和圆螺母等来保证的。 轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类。利用轴肩定位是最方便可靠的方法，但采用轴 肩就必然会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。因此，轴肩位多 用于轴向力较大的场合。定位轴肩的高度 h 一般取为 h=（0.070.1）d, d 为与零件相 配处的轴的直径，单位为 mm。流动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度， 以便拆卸轴承。非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的，其高度一般取为 12mm。 零件的径向定位 径向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的径向定位零件键、花键、 销、紧定螺钉以及过盈配合等。 5.2 设计轴 5.2.1 确定轴的尺寸 由减速器的型号 ngw52-11 得传动比为 1：45 nz：nd=1：45nd=960r/min nz=21 r/min 先初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 号钢，调质处理。取a0=112，于是得： 33 min0 4 11264 21 p damm n =式（5.1） 根据卷筒的大小初步定轴与卷筒的连接部分为110mm,由于和dtz1410的轴承座相连 接的两边的轴径设为 100mm。和减速器连接部分用 zl6 联轴器。所以外围轴径为 90mm。按 照轴承，卷筒，联轴器和轴之间配合的要求可设计轴的基本尺寸如图： 图 5-1 轴的基本尺寸 5.2.2 对轴的受力分析 水平面反力： 因为水平面上没有受到力，则 fa=0 垂直面反力： 因为在垂直面上受到绳上拉力和两个轴承反力 受力图为： 图 5-2 轴垂直面的受力图 由已知条件为 fc=10000n 又由方程 12 2 272.75718.75 cbb cb fff ff =+ = 解方程得 1b f=3794 2b f=6206 画出垂直弯矩图 图 5-3 轴垂直面弯矩图 轴所受的扭矩图 图 5-4 轴所受的扭矩图 t=fcl=10000125=1250000n.mm 转矩图 图 5-5 轴受的转矩图 5.2.3 校核轴径 许用应力：用插入法由表查的 0b =102.5 mpa 1b =60 mpa 应力校正系数：= 0b / 1b =60/102.5=0.59 当量转矩：t=0.591250000=737500 n.mm 当量弯矩：m= 2222 ()27275007375002825449mt+=+=n.mm式（5.2） 轴径：d= 3 2825449 77.8110 0.1 6 = mm 所以所设计的轴可用。 6 制动器的选择 6.1 制动器的介绍 制动器就是刹车。是使机械中的运动件停止或减速的机械零件。俗称刹车、闸。 制动器主要由制动架、制动件和操纵装置等组成。有些制动器还装有制动件间隙的自动 调整装置。为了减小制动力矩和结构尺寸，制动器通常装在设备的高速轴上，但对安全 性要求较高的大型设备(如矿井提升机、 电梯等)则应装在靠近设备工作部分的低速轴上。 有些制动器已标准化和系列化，并由专业工厂制造以供选用。 6.2 制动器的分类 制动系可分为如下几类： 制动器可以分为摩擦式和非摩擦式两大类。 摩擦式制动器。靠制动件与运动件之间的摩擦力制动。 非摩擦式制动器。制动器的结构形式主要有磁粉制动器（利用磁粉磁化所产生的 剪力来制动）、磁涡流制动器（通过调节励磁电流来调节制动力矩的大小）以及水涡流 制动器等。 按制动件的结构形式又可分为外抱块式制动器、内张蹄式制动器、带式制动器、 盘式制动器等； 按制动件所处工作状态还可分为常闭式制动器（常处于紧闸状态，需施加外力 方可解除制动）和常开式制动器（常处于松闸状态，需施加外力方可制动）； 按操纵方式也可分为人力、液压、气压和电磁力操纵的制动器。 按制动系统的作用 制动系统可分为行车制动系统、驻车制动系统、应急制动系 统及辅助制动系统等。 6.3 制动器原理与结构 6.3.1 结构特征 制动器主要由底座 、制动臂、制动瓦、弹簧、杠杆、推动器等部分组成。推动 器主要由两部分组成，驱动电机及器身(离心泵)，器身部分由盖、缸、活塞、叶轮及转达 轴组成。 6.3.2 工作原理