自由落钩卷扬机设计(CAD+论文).doc

摘 要本设计主要介绍了液压卷扬机的结构、总体设计及工作情况。其中对液压卷扬机传动系统的设计做了分析和理论推导，为开发同类产品提供了设计方法。卷扬机是钻探施工中升降钻具、套管及处理孔内事故的主要设备之一。液压卷扬机结构紧凑，传动平稳，调整范围大，操纵简单，易于安装。它即可与钻机配套，又可独立使用，是一个很值得开发的产品。随着我国各项事业的迅猛发展，对相关设备的安全性、方便灵活性和工作效率提出了更高的要求。为满足现在施工升降机的需要及冶金、矿山、轻工等行业起重设备更新之需，设计制造自由落钩卷扬机是事在必行的。本卷扬机采用三级行星齿轮传动，行星齿轮传动体积小，能够满足卷扬机的结构要求，同时行星齿轮传动效率高，承载能力大，工作平稳，用三级行星齿轮传动增大了转动比，从而达到了设计要求。关键词：自由落钩卷扬机；卷筒；传动比；行星齿轮；效率ABSTRACTThe paper introduces the structure， design and working condition of a hydraulic hoister. Make analysis and theoretical guide for the hydraulic hoister which provides design methods for the development of similar products. Hoister is one of the main equipment in drilling construction tripping， casing and handling accidents in the hole. Hydraulic hoister has the compact structure， smooth transmission， large adjustment range， manipulating simple and easy to install. It can be used independently， and is a very worthwhile product to development. With the rapid development of many kinds of enterprise in our country， many requests are set for the security， the convenience flexibility and the working efficiency of the correlation equipment. To meet the needs of modern construction and the updating of metallurgy， mining， light industry and other sectors lifting equipment， design the freedom hook-dropping hoister is going necessarily. The hoister used three planetary gear for driving， the driving volume of planetary gear is small， which can meet the structural requirements of hoister. Meanwhile planetary gear has high driving efficiency， bearing capability is great， smooth， three level planetary gear is used to increase the transmission ratio， so as to achieve the design requirements. Key words: The Freedom Hook-dropping Hoister; Drum; Velocity Ratio; Planet Gear; EfficiencyII目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题的背景和目的11.2国内外研究状况和相关领域中已有的研究成果11.3对选题的研究设想及研究方法21.4预期结果和意义3第2章 自由落钩卷扬机主要技术参数42.1基本参数42.1.1钢丝绳的额定拉力42.1.2钢丝绳的平均速度42.1.3钢丝绳的卷绕长度42.2工作级别和载荷状态42.3本章小结6第3章 卷扬机的总体方案设计73.1 结构设计73.2 自由落钩卷扬机的结构设计93.3传动系统的设计93.3.1 马达的选取93.3.2 传动系统方案的种类103.3.3传动系统的确定153.3.4 传动系统各级齿轮参数选择计算163.3.5 传动系统的运动学，动力学及效率计算223.4本章小结24第4章 卷筒及主轴部分的设计254.1 卷筒装置组成254.2 卷筒结构设计254.2.1 材料的选择264.2.2 强度计算274.3 卷筒的计算274.3.1 强度计算274.3.2 稳定性计算274.3.3 钢丝绳在卷筒上的固定及其计算284.4 轴的设计284.5 本章小结32第5章 离合器和制动器的选择335.1离合器的选择335.2 制动器的选择365.3 本章小结37结论38参考文献39致谢40第1章 绪 论1.1 选题的背景和目的众所周知卷扬机在工程领域是广泛应用的一种机械设备，国内外均对发展其相关技术很重视。目前国内卷扬机的减速传动机构大都使用传统的定轴轮系减速器，驱动方式主要是机械式，制动装置大都采用电磁块式制动，控制方式则为单一的手动或电动控制。而国外的卷扬机减速传动机构普遍使用了蜗轮减速器或行星减速器。行星减速器因为体积小，易于应用于各种规格，故用得最多，驱动方式有机械和液力驱动两种，制动装置则采用制动效能更高的多片摩擦片制动，控制方式采用了更安全可靠的遥控控制，并且由于使用了微处理器，能对卷扬机使用中的复杂工况进行全工况的自动控制并提供安全保护措施。在传动方面，从国外的发展情况看，行星减速器的推广使用成了国内卷扬机技术发展的重要方向。各种竞争机制的引入，科技是第一生产力的概念逐渐被人们所认识，所接受。改革开放之后是我国卷扬机设计制造技术发展最快的时期。国家也制定了有关卷扬机的配套标准、规范。新产品种数近十个，其中最具有代表性的产品有福建省机械厂的行星传动卷扬机、昆明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sebum公司采用立式齿轮传动的电控卷扬机，广州市一建公司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，其综合性能优于代表国际先进水平的Seibu一字型卷扬机，使我国的卷扬机技术跨入世界先进行列。1991年10月通过的省科委组织的专家鉴定意见:该产品整机组合合理、结构紧凑、重量轻、过载能力强、工作安全可靠，与同类产品相比，居国内先进水平，其中传动方式部分的设计构思独特、新颖，受力均匀、合理，属国内外首创。 本设计的最终目的就是在总结前人已有成果的基础上再进行合理的设计和布局，对不合理的结构进行优化，对相关的部件的材料进行更新使其更能适应高强度的工作。并且在内部构造和外部结构的设计方面能够体现出新颖的一方面，达到即能适合多方面工作又降低成本的目的。1.2国内外研究状况和相关领域中已有的研究成果目前国内外广泛使用的卷扬机，一般均有电机、制动器、独立的减速箱、钢绳卷筒、底架等组成。它们的减速箱通常采用笨重的齿轮减速箱或蜗轮蜗杆减速箱，电机与减速箱、钢绳卷筒的安装形式一般有“几”型、J型、等。普遍存在的不足是:体积大、过载能力差、噪音大、效率低、使用寿命短、工作不够安全可靠等，有些产品还已列入国家淘汰产品。国内外的卷扬机设计都在致力于缩小体积、减轻重量，提高承载能力，节省能源，工作安全可靠，但都没有理想的可供选择的卷筒内藏减速传动装置，而使设计、试制工作遇到困难。卷扬机的类别按工作级别和用途分为四种类别：不经常使用，轻或中等载荷状态的快速和满素卷扬机。如用于工程安装，设备搬运等。经常中等使用，中等载荷状态和快速卷扬机。如垂直吊运、倾斜拖运、水平拽引和牵引等。经常较繁忙使用，中等载荷状态的快速卷扬机。如与井字架、人字架和桅杆等配套使用垂直吊运。经常或繁忙使用，重级载荷状态的快速和慢速卷扬机。如斜坡拽引、牵引、冷拉钢筋、打桩等。1.3对选题的研究设想及研究方法 作为卷扬机的设计、研究，目前国内外公认的“一”字型结构是最合理的结构形式，它具有外型简洁、体积小、重量轻、便于运输，安装方便，把传动装置置钢绳卷筒内又是“一”字型结构的卷扬机中最理想结构。国内外的其它形式的卷扬机由于未能解决传动机构内藏卷筒的难题，即使将少齿差传动装置勉强设置在卷筒内，但卷筒直径变大，安装维修不方便，成本又高，得不偿失，因此未能推广应用，使设计生产无法有突破性的进展;而内藏减速器的卷筒的关键是未能找到合适的传动机构。采用多排顶杆蠕动减速机构内藏钢绳卷筒的结构是目前国内“一”字型结构中最合理的一种形式，它将卷扬机结构化成简单的二体组成:电机及钢绳卷筒。这在国内外的卷扬机设计中还无先例报道。卷扬机是属于工程机械的范畴，又是全国工程机械的基础设施。目前国内生产的轻型卷扬机1.5T，2T，3T等系列产品在市场上销量最大，主要用于建筑、港口、船舶等行业。从使用情况看，光面卷筒在实际作业时，钢丝绳卷绕凌乱，互相交叉挤压;钢丝绳寿命降低;在起重或牵引时，操作者往往要超负荷运行，因不能缓冲，无过载保护作用，容易拉坏机件，发生事故;在传动系统中，一般都采用2级齿轮传动减速器，电动机与减速器输入轴采用弹性柱销联轴器，传动系统占产品总成本3040%左右。1.4预期结果和意义通过查阅相关资料，搜集国内外卷扬机设计样本。把有关的的现代设计理念应用到设计中去。可以实现卷扬机的自由落钩的功能，并且在应用性能、安全性、实用性等方面会达到所要求的效果。本设计根据设计说明书的要求，主要完成卷扬机的总体方案设计，包括结构设计、传动系统的设计，完成卷筒及主轴部分的设计，完成离合器和制动器的设计等。从大的方面来看，国内外的卷扬机设计都在致力于缩小体积、减轻重量，提高承载能力，节省能源，工作安全可靠，但都没有理想的可供选择的卷筒内藏减速传动装置，而使设计、试制工作遇到困难。卷扬机在当今国家建设中所占的地位，由材料可以看出卷扬机在当今社会里的地位是举足轻重的。另外还根据设计要求列出了卷扬机的类型，更加了解了卷扬机这个概念，为后面的设计过程提供了重要的理论依据。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。它的结构是:由减速装置内藏于钢绳卷筒内的钢绳卷筒、左右支架、底架及锥形制动电呈一字型设置，便于安装运输，力求最佳外型结构形式。由于制造安装方面的误差，使传动性能及传动效率也受到一定影响。鉴于这些原因，有必要对老产品进行改进设计，以提高产品性能，降低成本，满足使用要求及适应市场竞争的需要。卷扬机作为建筑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。由此可见设计制造性能可靠，结构合理的自由落钩卷扬机是很有必要的。第2章 自由落钩卷扬机主要技术参数2.1基本参数2.1.1钢丝绳的额定拉力额定拉力是指钢丝绳绕入卷筒的截面处所允许的最大正常拉力。因此额定拉力应是被吊物体的重量和吊具等自重的总和。本课题单绳拉力为（30吨）294KN。2.1.2钢丝绳的平均速度钢丝绳的速度是指钢丝绳的直线移动速度。由于建筑卷扬机均为多层卷绕，故取其最里层卷绕和最外层卷绕时的平均值作为钢丝绳的平均速度。钢丝绳的平均速度vk=48m/min2.1.3钢丝绳的卷绕长度在额定拉力的作用下，允许卷筒卷绕钢丝绳的最大长度。卷筒的直径为1000mm，钢丝绳的直径为40 mm，经计算可得为1240 mm。2.2工作级别和载荷状态工作级别是按利用等级和载荷状态的不同，根据JG/T5031-93的规定，将卷扬机分为A1A2八个工作级别，见表2.1表2.1 卷扬机工作级别使用时间（h）总使用时间（h）利 用 等 级载荷状态（轻）（中）（重）（特重）根据表2.1可选工作级别为Q3（重）利用等级是按卷扬机在设计寿命期限内的总工作循环次数N，分为五挡八个等级，见表2.2选择卷扬机利用等级为U5。表2.2 利用等级利用等级N说明U0不经常使用U1U2U3U4经常清闲使用U5经常中等使用U6有时繁忙使用U7繁忙使用正确选定卷扬机的工作级别和利用等级是设计计算和确保使用寿命的重要条件。一般说来，对机械零件的寿命T产生最大影响的是钢丝绳拉力的大小，即载荷大小，可用下式表示。 (2.1)式中Fe钢丝绳的额定拉力(N)n由材料等因素决定的指数，对于卷扬机可近似取n=3卷扬机很少在相同载荷下工作，其载荷状态是千差万别的，所以要采用平均有效载荷，用立方根平均值来计算。理论上用当量拉力系数Kd值表示载荷与时间的关系，用下式表示: (2.2) 式中Fi钢丝绳承受