牵引绞车及其控制系统【9张CAD图纸和说明书】
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牵引
绞车
及其
控制系统
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图纸
以及
说明书
仿单
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摘 要
绞车,是用卷筒缠绕钢丝绳以提升或牵引重物的轻小型起重设备。本设计以零件疲劳理论和线性累积损伤假说为理论基础,运用静力学的普遍原理,分析和解决了绞车运动过程中的一些受力和运动问题,力求最优化和最可靠设计绞车减速器和卷筒。在最普遍绞车传动方式和结构的基础上,运用位置传感和水位传感技术,采用PLC控制,实现了牵引绞车根据水位提升和下放泵房的自动控制和手动控制。
本文主要介绍了绞车的发展历史,用途,组成及工作原理;牵引绞车的工作特点;设计的一般步骤;使用中存在的问题及改进措施。在本次牵引绞车的设计过程中,着重对减速器、卷筒进行了分析和设计。对重要的部件进行了受力分析、强度的校核,根据其常见失效形式、影响因素及基本设计要求,给出了重要部件的受力分析、强度和刚度的设计方法。
关键词:牵引绞车; 减速器; PLC; 自动控制
ABSTRACT
The winch, is promotes or the hauling heavy item light small hoisting equipment with the reel winding steel wire. This design take the components fatigue theory and the linearity cumulative damage hypothesis as the rationale, the utilization statics general principle, analyzed and has solved in winch rate process some stress and the movement question, made every effort the optimization and the most reliable design winch reduction gear and the reel. In the most universal winch type of drive and in the structure foundation, utilizes the position sensing and the water level sensing technology, uses the PLC control, realized the traction winch to promote and to release the pump house according to the water level the automatic control and the hand control.
This article mainly introduced winch's historical development, the use, the composition and the principle of work; Traction winch's operating feature; Design general step; In the use exists question and corrective measure. In this traction winch's design process, to the reduction gear, the reel has carried on the analysis and the design emphatically. Has carried on the stress analysis, the intensity examination to the important part, according to its common failure mode, the influencing factor and the basic design request, has given the important part's stress analysis, the intensity and the rigidity design method.
Keywords:Traction winch;Reduction gear; PLC;Automatic control
目 录
1 概述..........................................................1
1.1绞车的应用............................................... 1
1.2绞车的发展概况...........................................1
1.3国外绞车概况.............................................2
1.4绞车发展趋势.............................................4
2 绞车的计算基础................................................5
2.1绞车工作级别划分的理论基础...............................5
2.2绞车的工作级别与类别.....................................6
2.2.1利用等级...............................................6
2.2.2载荷状态...............................................7
2.2.3绞车工作级别的划分.....................................8
2.3绞车计算载荷.............................................9
2.3.1额定拉力...............................................9
2.3.2当量拉力...............................................9
2.3.3静强度计算拉力.........................................9
2.3.4动载系数..............................................10
2.3.5试验拉力..............................................10
2.3.6许用应力和安全系数....................................10
2.3.7零件强度的可靠性计算安全系数和许用应力................13
3 钢丝绳的选择.................................................17
3.1概述....................................................17
3.1.1安全系数法............................................17
3.1.2选择系数法............................................18
3.2钢丝绳选择..............................................18
3.3钢丝绳在卷筒上的固定....................................19
3.3.1钢丝绳在卷筒上的固定方式..............................19
3.3.2钢丝绳固定端承载能力验算..............................19
3.3.3钢丝绳的出绳方向及其偏角..............................20
4 卷筒设计计算.................................................21
4.1卷筒结构................................................21
4.2卷筒容绳尺寸参数计算....................................22
4.2.1卷筒节径..............................................22
4.2.2卷筒边缘直径..........................................22
4.2.3卷筒容绳宽度..........................................22
4.2.4卷筒筒壳厚度..........................................23
4.2.5卷筒端侧板厚度........................................23
4.3卷筒的受力分析..........................................23
4.3.1钢丝绳拉力与卷筒支撑处反力............................24
4.3.2由钢丝绳拉力产生在筒壁上的转矩........................24
4.3.3卷筒筒壁的径向压力....................................24
4.3.4钢丝绳对端侧板产生的轴向推力..........................25
5 减速器的设计计算.............................................26
5.1传动方式的拟定..........................................26
5.2电动机的选型设计........................................27
5.3总传动比及传动比分配....................................28
5.3.1总传动比..............................................28
5.3.2传动比分配............................................28
5.4传动装置运动参数计算....................................29
5.4.1各轴转速计算..........................................29
5.4.2各轴功率计算..........................................29
5.4.3各轴扭矩计算..........................................30
5.5齿轮参数计算............................................31
5.5.1开式齿轮齿面接触疲劳强度设计计算......................31
5.5.2开式齿轮齿根弯曲疲劳强度校核计算......................33
5.5.3齿轮其他主要参数......................................34
5.6轴的设计计算............................................35
5.6.1轴的材料选择..........................................35
5.6.2轴的设计计算..........................................35
5.7滚动轴承的选择及校核计算................................45
5.7.1轴承的类型选择........................................45
5.7.2滚动轴承常见的失效形式及计算准则......................45
5.7.3滚动轴承的校核计算....................................46
5.8键连接的校核计算........................................48
5.9联接螺栓的校核计算......................................50
5.9.2螺栓剪切强度校核......................................50
5.10减速器的润滑和密封.....................................50
5.10.1减速器的润滑.........................................50
5.10.2减速器的密封.........................................51
5.11减速器箱体及附件的选型设计.............................51
5.11.1减速器箱体的设计.....................................51
5.11.2减速器附件的选型设计.................................51
6 联轴器与制动器的选型设计.....................................54
6.1联轴器的选型设计........................................54
6.2制动器的选型设计........................................55
6.2.1制动器的选型计算......................................56
7 牵引绞车控制系统的设计 .......................................57
7.1牵引绞车降压起动........................................57
7.2绝对式旋转编码器........................................57
7.2.1绝对式旋转编码器的工作原理............................57
7.2.2绝对式旋转编码器的特点与应用..........................58
7.2.3绝对式旋转编码器的选型................................59
7.2.4绝对式旋转编码器的机械安装使用........................60
7.2.5编码器脉冲转换........................................61
7.3水位传感器的选型........................................61
7.4可编程控制器控制系统....................................62
7.4.1PLC的主要功能.........................................62
7.4.2PLC的特点.............................................62
7.4.3被控绞车的工作情况....................................63
7.4.4PLC选型...............................................64
7.4.5PLC控制系统图.........................................65
7.4.6I/O接线及I/O分配.....................................65
7.4.7PLC自动控制程序设计...................................66
7.5提高PLC控制系统可靠性的措施............................70
7.5.1PLC安装的环境条件.....................................70
7.5.2PLC的抗干扰措施.......................................70
设计总结.......................................................73
参考文献.......................................................74
翻译部分.......................................................75
英文原文....................................................75
中文译文....................................................80
致 谢.........................................................85
1 概述
1.1绞车的应用
绞车,用卷筒缠绕钢丝绳或链条以提升或牵引重物的轻小型起重设备,也可称为卷扬机。绞车可以单独使用,也可作为起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件,因具有结构简单、操作方便、搬运安装灵活,维护保养简单、绕绳量大、价格低廉和可靠性高的有点而广泛应用于物料提升、水平或倾斜拽引重物、打桩、集材、冷拉钢筋、设备安装等工作中。
绞车除在建筑工地、设备安装等方面被广泛应用外,在冶金、矿山、水电、农业、军事、化工及交通运输等行业中亦广泛应用,如高炉料钟和物料的提升,矿井的物料提升,水平、倾斜牵引运输,矿车调度、回柱,船舶上锚链的提升等。
1.2绞车的发展概况
现在矿山所用绞车都是由建筑卷扬机发展而来的,所以我们有必要先谈谈建筑卷扬机的发展,从而了解整个矿用绞车的发展历程。
我国在很久以前的古代,就知道采用辘轳等来提升重物,以减轻体力劳动的强度和提高工作效率。但由于旧中国的工业落后,劳动力便宜,所以在物料的提升和搬运过程中大都是靠工人的肩挑背扛,而绞车只有在一些大型企业中才被使用,应用很少,而且所适用的绞车也均为国外生产,国内基本没有生产绞车的厂家。
我国的绞车生产是解放后才开始的,已有近60年的历史。50年代为满足恢复经济的需要和第一个五年计划的需要,绞车的生产被提到了日程上。原沈阳国泰机器厂(阜新矿山机械厂前身)等成批仿制了两种绞车,一种为日本的JIS8001型动力绞车,它是一种原动机为电动机,传动形式是开式圆柱齿轮传动,双锥体摩擦离合器,操作为手扳脚踩的快速绞车;另一种是按苏联图纸制造的1011型和1012型普通蜗杆传动、电控慢速绞车。
随着生产的发展,到了60年代,绞车的生产和使用越来越多。为了协调生产,主要绞车生产厂家(阜新矿山机械厂、天津卷扬机厂、山西机器厂、宝鸡起重运输机厂等)组成了卷扬机行业组织,隶属于第一机械工业部矿山机械行业下。为了发展绞车的生产,行业组织了相关厂家的人员对全国绞车的生产和应用情况进行了调查。在调查的基础上,开始自行设计和制造新的卷扬机,先后试制了0.5t、1t、3t电动卷扬机,但由于对当时各厂家的生产能力估计不足,无法推广。
从70年代起,我国绞车的生产进入了技术提高、品种增多、定性生产的新阶段。在各厂自行设计和生产的基础上,1973年,由卷扬机行业组织了有关厂家和院校联合进行了绞车基型设计,并充分考虑到了当时中小厂家的生产能力。快速绞车的基型采用半开半闭式齿轮传动,离合器采用单锥面石棉橡胶摩擦带结构,操纵用手扳刹车带制动。慢速绞车的基型为闭式传动(圆柱齿轮传动或蜗杆传动减速器)、电磁铁制动结构。这两种基型一直到今天还在生产。为了适应生产发展的需要,当时第一机械工业部发布了JB926-74《建筑卷扬机形式与基本参数》和JB1803-76《建筑卷扬机技术条件》两个部标准,并把卷扬机行业划归常德建筑机械研究所(长沙建筑机械研究院前身)领导。随着部标准的颁布,使绞车有了大发展的基础。为了满足经济发展的需要,各厂家相继生产了20t和32t绞车。
从70年代末开始,我国实行了改革开放政策,国民经济大发展,作为国民经济的动力,煤炭产业现代化和机械化的要求日益强烈,许多产品逗进行了防爆改造,从而进入到煤矿井下,其中绞车是最成功的一种产品,JD系列的调度绞车和JH系列的回柱绞车至今还在大量的生产,是矿山井下,运输调度不可替代的机械设备。但这种设备的自动化的程度不高,无法实现无人值守的自动操作,往往由于绞车操作工的操作失误或精神不集中造成安全生产事故。
矿山绞车的发展是伴随着煤炭产业发展,九十年代中后期,是我国煤炭生产的一个低潮,矿用绞车的发展十分缓慢,没有什么新的结构,产品出现。但是,2000年以后,国际油价居高不下,煤炭再一次被人们所重视,煤炭价格一路上涨,绞车等一系列的矿山机电产品需求量剧增,促进了绞车的发展,这一时期绞车品种增加,自动化水平增加,新结构、新功能不断出现,但是仍然具有一定的技术瓶颈,即自动控制设备的防爆问题。现在,变频调速技术和PLC控制技术十分的成熟,但是,也只是在矿井的主井和副井的提升系统中得到了最广泛的最成熟的应用。然而,自动化和数字化是矿井发展的必然趋势,为了实现这一目的,矿山设备的自动化和数字化是实现这一目的的基础。
本设计也力求用最成熟的PLC控制技术,实现矿井水仓的无人值守,达到牵引绞车能够根据水位自动提升和下降泵房的目的,探索一条能够实现绞车自动化控制的路径。
1.3国外绞车概况
在国外,绞车的品种繁多,应用也很广泛。在西方技术先进的国家中,钻机制造商德国Wirth公司、Bentec公司以及美国Varco公司拥有先进的绞车控制技术、电动机四象限传动技术以及电子(自动) 司钻控制技术。这些绞车控制系统能根据钻压、机械钻速、转盘转速和扭矩等参数控制钻井钢丝绳的连续递送以保持稳定的钻井状态, 进而大大提高钻井效率。下面简单介绍三款国外绞车及其控制。
一、德国Wirth公司齿轮传动绞车
德国Wirth公司新一代齿轮传动绞车采用四象限控制技术,配有2台或3台直流或交流电动机,能平稳地减速和停止下降或上升的载荷,在不超过设备使用限制的情况下,直流和交流电动机都能运用再生制动技术,制动能量大部分回馈给电网。绞车控制系统通过控制电动机四象限传动,使能量在一个起下钻作业中按4个不同传动阶段分配。
绞车的控制系统是通过一个30~60kW的交流电动机来实现其它的辅助驱动。在钻井过程中,自动化司钻控制电动机实现恒钻压自动送钻,保持设定的参数,使钻井工具的寿命得以大大增长。另外,在主电动机失效时,还可做为应急装置,将井中钻具提起。










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中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 1 页 - 1 - 1 -* 9/10/2017 - 1 概述 车 的应用 绞车, 用卷筒缠绕钢丝绳或链条以提升或牵引重物的轻小型起重设备 ,也可称为卷扬机 。 绞车 可以单独使用,也可作为起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件,因 具有结构简单、 操作 方便 、 搬运安装灵活,维护保养简单、 绕绳量大、 价格低廉和可靠性高的有点 而广泛应用 于物料提升、水平或倾斜拽引重物、打桩、集材、冷拉钢筋、设备安装等工作中 。 绞车 除在建筑工地、设备安装等方面被广泛应用外,在冶金、矿山、水电、农业、军事、化工及 交通运输 等行业中亦广泛应用,如高炉料钟和物料的提升,矿井的物料提升,水平、倾斜牵引 运输,矿车调度、回柱,船舶上锚链的提升等。 车的发展概况 现在矿山所用绞车都是由建筑卷扬机发展而来的,所以我们有必要先谈谈建筑卷扬机的发展,从而了解整个矿用绞车的发展历程。 我国在很久以前的古代,就知道采用辘轳等来提升重物,以减轻体力劳动的强度和提高工作效率。但由于旧中国的工业落后,劳动力便宜 ,所以在物料的提升和搬运过程中大都是靠工人的肩挑背扛,而绞车只有在一些大型企业中才被使用,应用很少,而且所适用的绞车也均为国外生产,国内基本没有生产绞车的厂家。 我国的绞车生产是解放后才开始的,已有近 60 年 的历史。 50 年代为满足恢复经济的需要和第一个五年计划的需要,绞车的生产被提到了日程上。原沈阳国泰机器厂(阜新矿山机械厂前身)等成批仿制了两种绞车,一种为日本的 动力 绞车 ,它是一种原动机为电动机,传动形式是开式圆柱齿轮传动,双锥体摩擦离合器,操作为手扳脚踩的快速 绞车 ;另一种是按苏联图纸制造的 1011型和 1012型普通蜗杆传动、电控慢速 绞车。 随着生产的发展,到了 60年代,绞车的生产和使用越来越多。为了协调生产,主要绞车生产厂家(阜新矿山机械厂、天津卷扬机厂、山西机器厂、宝鸡起重运输机厂等)组成 了卷扬机行业组织,隶属于第一机械工业部矿山机械行业下。为了发展绞车的生产,行业组织了相关厂家的人员对全国绞车的生产和应用情况进行了调查。在调查的基础上,开始自行设计和 制造 新的卷扬机,先后试制了 1t、 3t 电动卷扬机,但由于对当时各厂家的生产能力估计不足,无法推广。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 2 页 - 2 - 2 -* 9/10/2017 - 2 70年代起,我国绞车的生产进入了技术提高、品种增多、定性生产的新阶段 。在各厂自行设计和生产的基础上, 1973年,由卷扬机行业组织了有关厂家和院校联合进行了绞车 基 型设计,并充分考虑到了当时中小厂家的生产能力。 快速绞车的基型采用半开半闭式 齿轮传动,离合器采用单锥面石棉橡胶摩擦带结构,操纵用手扳刹车带制动。慢速绞车的基型为闭式传动(圆柱齿轮传动或蜗杆传动减速器)、电磁铁制动结构。这两种基型一直到今天还在生产。 为了适应生产发展的需要,当时第一机械工业部发布了 筑卷扬机形式与基本参数和 筑卷扬机技术条件两个部标准,并把卷扬机行业划归常德建筑机械研究所(长沙建筑机械研究院前身)领导。随着部标准的颁布,使绞车有了大发展的基础。为了满足经济发展的需要,各厂家相继生产了 202 从 70年代末开始,我 国实行了改革开放政策, 国民经济大发展, 作为国民经济的动力,煤炭产业现代化和机械化的要求日益强烈, 许多产品逗进行了防爆改造,从而进入到煤矿井下,其中绞车是最成功的一种产品, H 系列的回柱绞车至今还在大量的生产,是矿山井下,运输调度不可替代的机械设备。但这种设备的自动化的程度不高,无法实现无人值守的自动操作,往往由于绞车操作工的操作失误或精神不集中造成安全生产事故 。 矿山绞车的发展是伴随着煤炭产业发展,九十年代中后期,是我国煤炭生产的一个低潮,矿用绞车的发展十分缓慢,没有什么新的结构,产品 出现。但是, 2000年以后,国际油价居高不下,煤炭再一次被人们所重视,煤炭价格一路上涨,绞车等一系列的矿山机电产品需求量剧增,促进了绞车的发展,这一时期绞车品种增加,自动化水平增加,新结构、新功能不断出现,但是仍然具有一定的技术瓶颈,即自动控制设备的防爆问题。 现在, 变频调速技术和 制技术 十分的成熟,但是, 也只是在矿井的主井和副井的提升系统中得到了最广泛的最成熟的应用。然而,自动化和数字化是矿井发展的必然趋势,为了实现这一目的,矿山设备的自动化和数字化是实现这一目的的基础。 本设计也力求用最成熟的 制技术,实现矿井水仓的无人值守, 达到 牵引绞车能够根据水位自动提升和下降泵房的目的,探索一条能够实现绞车自动化控制的路径。 外绞车 概况 在国外, 绞车 的品种繁多,应用也很广泛。在西方技术先进的国家中,钻机制造商德国 司以及美国 司拥有先进的绞 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 3 页 - 3 - 3 -* 9/10/2017 - 3 控制技术、电动机四象限传动技术以及电子 (自动 ) 司钻控制技术。这些绞车控制系统能根据钻压、机械钻速、转盘转速和扭矩等参数控制钻井钢丝绳的连续递送以保持稳定的钻井状态, 进而大大提高钻井效率。 下面简单介绍三款国外绞车及其控制 。 一、 德国 德国 有 2台或 3台直流或交流电动机,能平稳地减速和停止下降或上升的载荷,在不超过设备使用限制的情况下,直流和交流电动机都能运用再生制动技术,制动能量大部分回馈给电网。绞车控制系统通过控制电动机四象限传动,使能量在一个起下钻作业中按 4个不同传动阶段分配。 绞车的控制系统是通过一个 30 60钻井过程中,自动化司钻控制电动机实现恒钻压自动送钻,保持设定的参数,使钻井工具的寿命得以大大 增长。另外,在主电动机失效时,还可做为应急装置,将井中钻具提起。 绞车控制系统还包括一套智能防碰系统 (用来优化游车上下运行过程中的安全和效率,它监控绞车独立的 3个刹车系统。系统提供了整个提升系统动能的参数分析,并考虑了包括系统制动能力、钩载、游车的速度和位置等参数,在位于司钻控制室的 限位。 两个 度和制动距离。根据控制系统的运算法则,并考虑到系统的动能和绞车的刹车系统能力,两个 流刹车或盘式刹车。大钩位置、载荷和所 需要的制动距离等参数持续地由两个微处理器检测和比较,任何差异都认为是 动机再生制动、涡流刹车和盘刹紧急制动将被激活,使载荷制动停止。 二、 德国 将电动机用于刹车,并将能量回馈。盘式刹车只用于驻车或紧急制动。绞车遥控操作,游车可以准确定位。自动送钻速度从 10 m/ 50 m/ h 。 三、 美国 美国 10绞车,充分利用了交流变频 的 控制技术, 可不使用摩擦离合器 而使用电动机再生制动来保持负荷。高性能可精确控制的空气冷却和水冷却伊顿 ( 组合盘式刹车可实现自动送钻,并且使该绞车唯一的刹车 空气冷却模块用于紧急制动和负载的静态控制, 而水冷却模块用于钻井钢丝绳的均匀递送、游车运行、钻压以及其它钻井参数的动态控制。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 4 页 - 4 - 4 -* 9/10/2017 - 4 车发展趋势 由于基础工业大发展,大型设备和建筑构件要求整体安装,促进了大型 绞车的发展。 为了实现绞车的自动控制和遥控,广泛采用先进的电子技术,传感器技术,可编程控制技术。 为了提高机械化程度,减轻工人的劳动强度,大力发展小型手提式绞车,如以汽车蓄电池为动力的直流电动小型绞车。 此种绞车借助汽车和拖拉机动力,结构简单,有一个卷筒和一个减速器即可。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 5 页 - 5 - 5 -* 9/10/2017 - 5 绞车的计算 基础 车工作级别划分的理论基础 绞车工作级别的理论基础是零件疲劳理论和迈内尔的线性累积损伤假说。我们知道,金属材料或零部件在变应力作用下,近似应力 曲线) ,如图 由图 2.1 N 0(按迈内尔理论,零件损伤可按下式计算 0(当 1 时,零件损坏。 设 1 , 2 , r 中的最大值,则公式 a a (令应力循环系数 a (则 m a 0 31010 1ib零件 0 图 力 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 6 页 - 6 - 6 -* 9/10/2017 - 6 果保持以 1 , 2 r 代替 1 , 2 r ,以及以代替同时公式 r 均保持不变,则上式载荷具有相同的应力循环系数此公式 改写为 m a 如果 足够大,则 可达到 1 ,零件随即损坏。 称 1 时的为临界应力,并以示,则有 10 (公式中的材料、零件特性、应力类型及等因素有关,这些因素决定了 r 和 ,此外还和总循环次数0 公式 是划分工作级别的基础表达式。 车的工作级别 与类别 绞车根据载荷状态和利用等级分为 目的就是为了合理地设计,制造和使用 绞车,提高零部件的三化水平,取得满意的技术经济效果。 利用等级是表示绞车使用的频繁程度,以其在设计寿命期内应完成的总工作循环次数 而一个工作循环是指从一个载荷准备提拉时开始到下一个载荷准备提拉时为止的全过程。 绞 车的寿命一般不少于 5 年,在这个期间内依据工作频繁程度的不同,总工作循环数个利用等级,见表 利用等级 总的工作循环次数1 3 不经常使用 经常轻闲使用 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 7 页 - 7 - 7 -* 9/10/2017 - 7 载荷状态 载荷状态表示绞车钢丝绳受拉力作用的轻重与频繁程度,它与整个使用寿命期限内钢丝绳每次承受的拉力F)和钢丝绳每次承受拉力n)有关。 表达这种关系的图形称为载荷谱,见图 载荷谱系数 (式中 载荷谱系数; 钢丝绳承受的第 i 个拉力,1, 2F , N ); 钢丝绳承受的额定拉力( N ); 105 经常中等使用 101 有时繁忙使用 102 繁忙使用 n0 n0 b) 1 n0 1 重 n0 图 型载荷谱 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 8 页 - 8 - 8 -* 9/10/2017 - 8 - 在钢丝绳拉力, 2n n; 总的工作循环次数, 21; m 由应力换算成载荷的耐久曲线指数,此处取 3m 。 绞车的载荷状态可根据钢丝绳承受的 拉力(载荷)大小和频繁程度,按名义载荷谱系数表 表 荷状态 在表 如果钢丝绳的在拉力以得出当量拉力系数 以下公式计算 32133232131 (式中 当量拉力系数; 1, 2t , 按利用等级和载荷状态的不同,可将绞车分为 个工作级别,见表 表 载荷状态 名义载荷谱系 数说明 ) .0通常承受 1/3的额定拉力,很少承受额定拉力时使用 ) 通常承受( 1/3 2/3)的额定拉力,有时承受额定拉力时 使用 ) 通常承受 2/3以上额定拉力时使用,较多承受额定拉力时使用 重 ) 频繁地承受额定拉力或者鱼额定拉力相近时使用 每日平均 使用时间 h 1 1 2 2 4 4 8 8 16 16 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 9 页 - 9 - 9 -* 9/10/2017 - 9 车按工作级别和用途可分为四种类型,见表 表 类别 工作级 别 说明 举例 不经常使用,轻或中等载荷状态的快速和慢速绞车 工程安装 经常中 等使用,中等载荷状态的快速绞车 垂直或倾斜吊运,水平拽引,牵引 有时经常频繁使用,中等载荷状态的快速绞车 与井字架、人字架和桅杆等配合使用垂直吊运 经常频繁使用,重级载荷状态的快速和慢速绞车 斜坡拽引、牵引、冷拉钢筋、冲抓、拉桩 车计算载荷 绞车钢丝绳的额定拉力规定为作用在基准层(在规定的拉力下,钢丝绳在卷筒上顺序紧密排列时,恰为 1/2 容绳量处所在的缠绕层),方向为沿钢丝绳出绳方向的拉力。钢丝绳出绳方向偏角 :对于自然排绳, ;对于排绳器排绳, 2 。 这是用来计算绞车零件疲劳、磨损和发热的一种拉力,也称寿命计算拉力,它所考虑的工况是绞车在正常工作情况下钢丝绳的拉力,可按公式 (当绞车的实际载荷状态为已知时,应按公式 无 法确定实际载荷状态时,可根据用途或与用户协商按表 取合适值。 强度计算拉力 使用寿命期限内的总使用时间 h 400 400 800 800 1600 1600 3200 3200 6400 6400 12500 12500 25000 25000 利用等级 1 3 5 7 载荷 ) 2 4 6 2(中 ) 2 4 6 8 状态 ) 3 5 7 重 ) 4 6 8 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 10 页 - 10 - 10 -* 0 9/10/2017 - 10 强度计算拉力是考虑绞车正常工作时可能出现的最大拉力,此时零件的强度不得超过材料的许用应力。 F 式中 动载系数。 载系数 当绞车启动或制动时,载荷将对绞车承载结构和传动结构产生附加动载作用 ,钢丝绳速度越大,启动或制动时间越短,冲击也就越大, 值也就越大, 值可按表 表 载系数 )/( 2.0n 5.0n n 5.0n n :n 电动机启动完成时或制动开始时载荷的速度,即钢丝绳的速度 当n较大,以至按表中公式计算出的 值大于 ,应在控制方面采取措施,使载荷的加速度不致太大,且去 验拉力 当绞车的强度用试验拉力计算时,取下面两种情况的最大值: (一) 静载试验拉力 静载试验拉力为钢丝绳额定拉力的 F (二)动载试验拉力 动载试验拉力为钢丝绳额定拉力的 F 若用动载拉力进行强度校核 时,应考虑动载系数。 用应力和安全系数 绞车的寿命计算可保证绞车在规定的使用期限内,零件不失效或者有局部失效(如齿轮传动的齿面有部分点蚀)但不影响使用。 绞车的静强度计算可保证绞车零件在最大拉力作用下不失效,即零件最大应力应小于材料的屈服极限,并有足够的安全裕量。 在具体的零件强度计算中没有给出许用应力和安全系数时,应按本节介绍的许用应力和安全系数选取。 (一) 静强度计算的许用应力与安全系数 静强度计算公式为 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 11 页 - 11 - 11 -* 1 9/10/2017 - 11 ( 式中 塑性材料的许用应力( ; s 塑性材料的屈服极限( ; 零件危险断面的最大计算应力或复合应力( ; K 安全系数。 对于塑性较好的材料,用材料的屈服极限作为零件的屈服点。当材料的屈服极限s与抗拉强度b之比大雨 ,为了减小偶人超过材料屈服极限而引起的脆性断裂的危险,我们规定按下面公式计算的屈服点作为零件的假想抗拉屈服极限。 2 7.0 ( 3 ( 式中 零件假想抗拉 屈服强度( ; b 塑性材料的抗拉强度( ; 零件假想抗剪屈服强度( 。 安全系数 K ,见表 表 的规定值 条件 疲劳强度和寿命计算 拉力 静强度计算 静强度 计算拉力 试验拉力 K 二)疲劳强度计算的许用应力与安全系数 在任一给定的循环特性 r 的条件下,以应力 为纵坐标,以应力循环数 N 为横坐标,可绘出图 曲线。 对数坐标上的 N 曲线由两段直线组成,一段是斜直线,另一段是水平直线。两直线的交点 的横坐标为0N,称0一般结构钢,硬度 350, 70 10N;硬度 350,70 1025 N 。水平直线段的纵坐标 r ,称为疲劳极限。 当 1r 时,疲劳极限用 1 表示;当 0r 时,疲劳极限用0表示。常用的疲劳极限见表 rN B C r 图 劳曲线 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 12 页 - 12 - 12 -* 2 9/10/2017 - 12 示。 表 用材料疲劳极限 材料 变形形式 对称循环疲劳强度 脉动循环疲劳强度 结 构 钢 弯曲 拉伸 0 扭转 铸 铁 弯曲 b 10 拉伸 0 扭转 b 10 青铜 弯曲 b 注:s 屈服强度; b 抗拉强度; t 拉伸注脚。 由疲劳试验得知,疲劳曲线 ( 式中 m 材料常数; C 材料常数。 当0, 可得 0( 由公式 得 0 ( 式中 寿命系数; m 材料常数,此处取 9m ; 材料有限期内疲劳强度( ; r 材料长期的疲劳强度 ( ; 0N 与 r 相对应的基本循环次数; N 零件在有限使用期内盈利循环次数。 N 可按下式计算 ( 式中 零件在使用期内,应力循环的总次数,可按公式 系数,零件在使用期限内,等于 的应力循环次数与循环总次数之比; 1 , 的数值应根据所计算零件的 载荷特性和材料特性来决定,如果缺乏有关数 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 13 页 - 13 - 13 -* 3 9/10/2017 - 13 ,可近似地取 1 。 算公式如下 60( 式中 电动机额定转数( r ); 零件妹一转经受的应力循环次数; 电动机到计算零件间的传动比; 绞车的设计寿命( h )。 材料的疲劳极限 r 由试验或计算来决定,在这个应力下有 90%零件不失效,其值大小取决于盈利循环特性 料质量、零件形状、零件尺寸和零件的表面质量等。 疲劳强度计算公式为 ( 式中 零件危险截面的疲劳计算应力或复合应力( ; 材料在有限期内的疲劳许用应力( ; K 安全系数,见表 件强度的可靠性计算安全系数和许用应力 常规的疲劳强度计算,咩有将载荷、材 料的疲劳性能、零件的尺寸等数据作为有分散性随即统计量来处理,而是用安全系数来考虑数据的分散性和其他不确定性因素,并且此安全系数主要凭设计者的经验来确定,所以使机械零件有可能偏于危险,也有可能偏于保守。因此可以说,不同的设计人员答案可能很多,不易确定哪些设计是最佳的。而疲劳强度的可靠性设计,由于考虑了工作应力和强度数据的分散性,就能将零件在规定寿命运行过程中破坏概率,限制在某一给定的很小值下,使零件的质量做到恰到好处的减小。对于承受载荷变化不大的零件,可以用静强度可靠性设计来处理。 (一)静强度的可靠性设计 在静强度的可靠性设计中,假设载荷、零件的尺寸和材料的力学性能等参数都是统计量并且呈正态分布。当可靠度已经给定,载荷及材料强度的分布一直,就可以计算出所需的尺寸。 当应力 强度密度函数分别为 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 14 页 - 14 - 14 -* 4 9/10/2017 - 14 2221 ( 2221 (式中 由于可靠度是指强度超过应力(即X )的概率。令X ,则可靠度为 0 的概率。以 f 表示X 之差的概率密度函数,因为 是正态分布,即 2 2221 (式中 X ; 22 为正值的概率,给出了可靠度 R 为 0 2 2221 (令 则 当 0 时, ; 当 时, t 。 公式 2221(由于标准正态分布函数的对称性,上式可写成 z t 2221(式中的积分极限 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 15 页 - 15 - 15 -* 5 9/10/2017 - 15 2 (公式 式中 强度均值; 应力 均值; 强 度 标准离差; 应力标准离差。 当可靠度系数 z 给出时,可求出可靠度 R ;当可靠度 R 给定时,可求出可靠度系数 z 。 如果以强度极限b作为强度判据的基准,假设强度极限也是正态分布的随机变量 (b,工作应力也是正态分布的随机变量(t,22 (公式 (二)疲劳强度的可靠性设计 当 r 为常数时的疲劳强度可靠性设计与静强度 可靠性设计原理一样,所不同的是,首先要 得出危险点及该点在 r 为给定值下的疲劳极限分布。 零件的疲劳极限是从材料的疲劳极限考虑诸影响因素而求得的,即用下面公式 , (式中 S, 尺寸系数分布; S, 表面加工系数分布; 有效应力集中系数分 布; 材料极限分布。 (三)可靠性计算安全系数与许用应力 引入变异系数概念,设零件应力的变异系数,根据变异系数定义,,由公式 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 16 页 - 16 - 16 -* 6 9/10/2017 - 16 22222211 (许用应力公式为 h S, ( 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 17 页 - 17 - 17 -* 7 9/10/2017 - 17 钢丝绳 的 选择 述 绞车通过钢丝绳升降、拽引重物。工作时钢丝绳 多层缠绕 所受应力十分复杂,加之对外界影响因素比较敏感,一旦失效,后果十分严重。因此应特别重视钢丝绳的合理选择和实用。 钢丝绳 钢丝绳直径 ( 以下简称绳径 ) 的选取,是 绞车 设计的第一步。直径的选择直接影响卷筒的直径及相关尺寸的确定,还关系到 绞车 能否正常的运行。在以往起重类, 绞车 书目及 绞车 设计规范中, 绳径 的选择 有两种方 法 ,这两种方法是: 安全系数法 ( 选择系数法 式中 整条钢丝绳的破断拉力( N ); n 绞车工作级别规定的最小安全系数 ; 选定钢丝绳的安全系数; 钢丝绳的额定拉力( N ); 钢丝绳最小直径( ; c 钢丝绳选择系数,它由机构的工作级别、钢丝绳是否旋转以及吊运物品的性质等因素有关 ; S 钢丝绳最大工作拉力( N )。由起升载荷(额定起重量,钢丝绳悬挂部分的重量,滑轮组及其他吊具的重量)并考虑滑轮组效率和倍率还确定。 全系数法 该方法是一种静力计算方法,间接选择绳径。设计时,钢丝绳的额定拉力为已知,将额定拉力 乘以规定的最小安全系数 n ,然后从产品目录中选择一种破断拉力不小于 n 的 绳径 。 该方法是沿用多年的传统方法,它具有简化计算、资料系统 、齐全、完整的特点,基本上能满足现有国产 绳径 的选择,是一种比较成熟的选择方法。它的不足之处就是选择过程比较繁琐,必须经过多次的试算才能选出,而且 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 18 页 - 18 - 18 -* 8 9/10/2017 - 18 计分析图 是间接选择的。 择系数法 目前在工业化国家,对绳径的选择普遍采用这种方法。国际标准 丝绳的选择)也推荐采用此方法。 这种方法能直接计算出绳径,比间接选择要方便的多,简单明了而且直观,一旦查到了选择系数 c 就能很容易的把绳径计算出来。但目前两个规范( 3811 提供的选择系数都有很大的局限性,远远不能满足选择钢丝绳的需要。因为它们没有把现有的国产钢丝绳的各种规格型号,不同绳芯,不同的钢丝抗拉强度的选择系数统统列出来 。 丝绳选择 经过综合比较并查阅资料,本设计采用第 一种方法即 安全系数法。 由图 定 拉力(s in e ( 式中 f 泵房动阻力系数 ,取 15.0f 倾斜角度, 20 参数 0000 , NF e 3 4 0 9 1)0s i 0 0 0 5 0 1 0 9 3 3 4 0 9 选型 结果: 28T 7+770 21 16269 型号的钢丝绳具有如下的特点: 是一种镀锌钢丝绳,提高了钢丝绳的耐腐蚀性,适用于室外,潮湿的环境中; 是一种面接触钢丝绳,这种钢丝绳的 接触应力小,进一步改善了钢丝绳的性能; 绳芯采用天然纤维芯,具有较高的挠性和弹性,缠绕时弯曲应力较小; 采用右同向捻,钢丝绳的挠性好,磨损小, 使用寿命长,因 泵房采用刚 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 19 页 - 19 - 19 -* 9 9/10/2017 - 19 导轨,克服了松散性和扭转性。 丝绳 在卷筒上的固定 钢丝绳 在卷筒上固定应 保证工作时安全可靠 , 便于检查、 装拆及调整,且固定处不应使钢丝绳过分弯折。钢丝绳常用的固定方式有:楔块固定和压板固定两类。 钢丝绳通过楔块固定在卷筒上。楔块的斜度通常取 1: 4 1: 5,以满足自锁条件。这种绳端的固定方式比较简单,但钢丝绳允许的直径不能太大。 钢丝绳端从端侧板预留斜孔中引出至板外,通过压板和螺钉把绳端固定。为安全起见,压板数目至少为两个。这种绳端的固定方式,卷筒结构简单,对铸造卷筒及钢板焊接卷筒都适用。本设计中就采用此种固定方式。斜孔角度 为 45,斜孔的 边缘倒圆角,这样可保证钢丝绳平缓的缠绕在卷筒上,避免了钢丝绳的损伤。 国家标准规定,钢丝绳在卷筒上的安全圈数不得小于 3 圈。在保留两圈的情况下,应能承受 当钢丝绳安全圈数不少于 3圈时,固定端处的拉力可按欧拉公式计算 jg 式中 钢丝绳端处拉力( N ); 最大静强度计算拉力, F 为动载系数,可按表 取 。N ) ,NF e ; e 自然对数底数, 718.2e ; 钢丝绳与滚筒表面的摩擦系数,计算时取 ; 钢丝绳安全圈在卷筒上的包角,安全圈数不少于 3 圈。若取 3圈,则 6 。 结果 由计算可知,钢丝绳固定端处的连接强度不容忽视。根据计算结果可计算绳端紧固件。 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 20 页 - 20 - 20 -* 0 9/10/2017 - 20 丝绳卷放偏角 定滑轮 卷筒 绳器 定滑轮 卷筒 钢丝绳的出绳方向及其偏角 钢丝绳的出绳方向一般为水平方向 ,并从卷筒下方出绳,这样可以得到比较小的侧翻力矩。但也可以从其他方向出绳,此时,钢丝绳倾斜,必然要产生向上的分力,使地脚螺栓的受力状态发生变化。 为了确保钢丝绳在卷筒上缠绕均匀、对称、排列整齐,避免堆积、松散和乱绳。钢丝绳水平 方向卷放偏角 值必须符合表 表 放偏角 的规定值 钢丝绳的偏斜角 可由导绳定滑轮旋转中心线到卷筒轴线或排绳器导绳轮轴线的距离 3102 tg t ( 如果偏角 过大,会造成各圈钢丝绳之间留有较大的缝隙,当新的一层钢丝绳向下面一层缠绕 时就会嵌压进入钢丝绳之间的缝隙,造成严重“锤击”,很容易引起乱绳并增加钢丝绳的磨损。如果偏角过小,则钢丝绳缠绕到卷筒边缘时,可能会产生从下向上的绳圈堆积现象,特别是当 导向定滑轮对卷筒不对中时,情况更为严重。当钢丝绳堆积上有两三层后又突然坠落,将产生很大的冲击 力。这种现象对钢丝绳寿命和卷筒强度都有很大影响。严重的堆积还会造成钢丝绳越出卷筒段侧板,引起事故。所以有必要规定一个最小的缠绕偏斜角,推荐采用 。 表 放偏角 排绳方式 允许偏角 自然排绳 2 排绳器排绳 4 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 21 页 - 21 - 21 -* 1 9/10/2017 - 21 卷筒设计计算 绞车卷筒系钢丝绳多层缠绕,所受应力非常复杂 。它作为绞车的重要零件,对绞车安全可靠的工作至关重要,应该合理地进行设计。 筒结构 卷筒结构形式多样, 可按下述方法分类: 按照制造方式不同可分为铸造卷筒和焊接卷筒。铸造卷筒应用广泛。绞车卷筒大多为铸造卷筒,成本低,工艺性好,但质量大,适用于中小型绞车。大吨位绞车一般采用铸钢卷筒。铸钢卷筒虽然承载能力较大,但成本较高,若工艺允许,可采用钢板焊接结构。 按照卷筒缠绕层数的不同可分为单层缠绕卷筒和多层缠绕卷筒。绞车主要使用多层缠绕卷筒。 图 筒容绳尺寸参数及结构示意图 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 22 页 - 22 - 22 -* 2 9/10/2017 - 22 照卷筒内部是否带有筋板,可分为带筋板卷筒和不带筋板卷筒 。无论是卷筒内的环向筋还是纵向筋,均增加了知道难度,同时在筋板和筒壁的连接处还会引起应力集中。本次设计中不采用带筋板卷筒。 按照结构的整体性,卷筒可分为整体式卷筒和分体式卷筒。绞车吨位比较小时,卷筒常采用整体结构。对较大吨位的卷筒,常做成分体装配形式,这样可以简化工艺,减轻重量。本次设计的绞车,吨位较小,故采用整体式卷筒,简化结构和安装工艺。 按照转矩的传递方式来分,常采用端侧板周边大齿轮外啮合式和筒端或筒内齿轮内啮合式 。这种卷筒的特点是卷筒 轴只承受弯矩,不承受转矩。 筒容绳尺寸参数计算 卷筒节径 D 对筒壁和 端侧板的设计具有重要意义。 D 值小,结构自然紧凑,但单位长度上的力较大,钢丝绳寿命低。 卷筒节径 D 应满足下式 式中 筒绳直径比,是绞车工作级别有关的系数。 19 d 钢丝绳直径( , 8 。 结果 3 22819 取整 40 卷筒边缘直径 即卷筒端侧板。对于多层缠绕,为了防止钢丝绳脱落,端侧板直径应大于钢丝绳最外层绳圈直径。端侧板直径常用下式计算: K 4 (式中 最外层钢丝绳绳芯直径,由下式确定: 12(0 (式中 S 钢丝绳缠绕层数 , 1S ; 0D 卷筒直径( , 120 , d 钢丝绳直径( , 8 。 结果 652 取整 660 卷筒容绳宽度般可按下述关系式确定 03(1)( D t (式中 L 设计钢丝绳长度( , 3000 ; 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计 第 23 页 - 23 - 23 -* 3 9/10/2017 - 23 L 钢丝绳安全圈的长度 ( , ; d 钢丝绳直径( , 8 ; D 卷筒节径( , 40 ; 0D 卷筒直径( , 120 。 结果 整 320绞车卷筒壁厚的设计计算中,通常卷筒长度都设计成小于其直径的 3倍,甚至小于其直径的 2倍。因为此时的钢丝绳拉力产生的扭剪应力和弯曲应力的合成应力较小,故计算卷筒强度时可忽略 不计,简化设计计算。 卷筒壁的强度按下式计算 (则筒壁厚度为 t (式中 钢丝绳的额定拉力( N ) , C 卷筒壁环向压缩应力( ; 多层缠绕系数, A; t 钢丝绳轴向卷绕节距( , ; C 卷筒材料的许用应力( , 132C。 结果 ,取整 考虑到结构尺寸、压力、载荷等影响因素,端侧板厚度计算公式为 /(式中 综合影响系数, B; 端侧板材料的许用应力, 69 。 结果 ,取整 0 。 卷筒直径大小对端侧板强度影响较大,且卷筒筒壁和端侧板过度处的圆角半径对端侧板强度有重要影响,所以不能取得太小。过渡圆角半径
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