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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