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上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 1 目目 录录 摘 要.3 ABSTRACT.4 0 引言.5 0.1 课题的来源、目的、意义以及理论价值.5 0.2 课题涉及学科的前沿展望及目前状况.6 0.2.1 科学前沿与展望.6 0.2.2 目前状况.8 1 压缩空气泡沫系统基本机理及特点.9 1.1 系统的基本组成.9 1.2 系统的工作原理及应用.10 1.3 CAFS 特点 .10 2 压缩空气泡沫消防车产品性能.11 3 取力器的结构设计.15 3.1 取力器概述.15 3.1.1 概述.15 3.1.2 取力器的应用范围.17 3.1.3 取力器的选型.17 3.2 取力器的设计思路.19 3.2.1 问题的提出.19 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 2 3.2.2 根据发动机的总功率确定配套消防水泵的型号.19 3.2.3 取力点的选择：根据发动机曲线图进行选择.20 3.2.4 取力器传动比的优选法.21 3.2.5 齿轮参数的确定.24 3.2.6 校核.25 3.3 取力器的结构设计.25 3.3.1 发动机及水泵参数的确定.25 3.3.2 取力器总传动比及各级传动比的确定.26 3.3.3 齿轮传动设计计算.28 3.3.4 各轴尺寸设计.42 3.3.5 传动轴强度计算.46 3.3.6 轴承的选择及寿命计算.49 3.3.7 润滑与密封.51 3.3.8 箱体结构.54 4 干涉校合及齿轮啮合度的模拟.55 5 全文总结.63 参考文献.65 附 录.66 译 文.67 原文说明.80 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 3 摘摘 要要 本课题以压缩空气泡沫系统的基本原理和特点为基础，通过对原取 力传动装置的速比及整车动力性能的计算分析，以研发具有自主知识产 权的压缩空气泡沫系统为目的，对压缩空气泡沫系统的取力传动装置进 行设计。通过对国内外关于本课题研究进展的调查、文献检索和方案论 证，深入理解压缩空气泡沫系统的工作原理，在此基础上，对原有结构 进行改进设计，并完成改进后的取力器传动装置相关零件的二维图纸。 主要工作为对各零件的结构尺寸设计及强度校核。其中，重点是对 齿轮的强度、啮合度的计算及检验；对传动轴的结构及强度进行计算和 分析；对轴承进行使用寿命的计算；各轴端密封件及箱体的结构设计。 最后以 UGS 公司的 Unigraphics NX 4.0 作为软件平台，对该取力传动装 置的传动系进行运动仿真，检验该装置传动系的运动干涉情况及各齿轮 的啮合度是否达到设计要求。 关键词关键词：压缩空气泡沫系统，取力器，实体模型，运动仿真。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 4 The Design of Power Takeoff for Compressed Air Foam System ABSTRACT Based on the fundamental principles and features of compressed air foam system(CAFS), this thesis devises a correspondent design of its power takeoff setting after careful analyses of the original design and calculations of its dynamic functions, which aims at a CAFS with a Self-dominated Intellectual Property Right. The new design begins with an in-depth research of international resources related to this subject. Then, an improved draft of the spare parts of the power takeoff setting is made, as a result of a thorough understanding of the CAFS functions. The major work is the structural of the partss designing and strengh checking. Among them, the key point is to testing the gearss strengh and meshing degrees, checking the axis and bearings strengh. At last, a modeling is built with UG as the auxiliary designing software, in order to simulate the working process of the setting. KEY WORDS: Compressed Air Foam System, Power Takeoff, Modeling, Working Process 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 5 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 陈佳杰陈佳杰 02610970261097 0 0 引言引言 0.10.1 课题的来源、目的、意义以及理论价值课题的来源、目的、意义以及理论价值 随着石油化学工业的发展石油化工类产品的火灾频频发生，传统灭 火剂-水对其无能为力。所以从19世纪末以来人们就致力于开发并研制 扑救可燃液体火灾的方法和灭火剂，1890年劳兰特首先研制成功了通过 化学反应。产生化学泡沫的灭火方法并在工业上得到了应用。1937年萨 莫发明了用天然蛋白质水解制取蛋白泡沫灭火剂，此后蛋白泡沫灭火剂 作为一种重要的泡沫灭火剂，一直使用至今。1964年美国科学家图夫等 人研制成功了水成膜泡沫灭火剂AFFF，20世纪70年代以后美英等国又研 制出多用型水成膜泡沫灭火剂/抗溶水成膜泡沫灭火剂AFFF/AR、氟蛋白 泡沫灭火剂FP、成膜氟蛋白泡沫灭火剂FFFP及抗溶成膜氟蛋白泡沫灭火 剂FFFP/AR等多种泡沫灭火剂。我国在20世纪60年代出现了蛋白泡沫，到 20世纪70年代中期以后也逐渐出现了氟蛋白泡沫水成膜泡沫抗溶水成膜 泡沫等。 泡沫灭火系统的基本组成为：水源、消防泵或消防车、泡沫比例混 合装置、泡沫产生设备或泡沫喷射设备、阀门、管路及控制设备等。系 统通过泡沫比例混合装置将泡沫灭火剂与消防泵打出的消防压力水按规 定比例自动混合形成泡沫混合液，通过管网将其送至泡沫产生设备或泡 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 6 沫喷射设备，从而实施喷射泡沫灭火。泡沫灭火系统的构成如图0.1 所 示： 图0.1 泡沫灭火系统构成图 压缩空气泡沫灭火系统（以下简称 CAFS）是当今世界消防领域最有 前景的灭火系统，目前，在欧美国家 CAFS 已广泛应用于城市、乡村、高 层建筑、野外消防和森林防火等各方面。而该系统在我国使用还处于发 展阶段。 0.20.2 课题涉及学科的前沿展望及目前状况课题涉及学科的前沿展望及目前状况 0.2.10.2.1 科学前沿与展望科学前沿与展望 在国外工业发达国家泵入平衡压力式泡沫比例混合装置和贮罐压力 式泡沫比例混合装置同样得到了广泛生产和应用。在国外，全球著名的 消防企业包括：Viking公司、Chemguard公司、Angus公司、Ansul公司等 都生产有规格齐全的该类产品。比如，Viking公司生产有FOAMPAK系列泵 入平衡压力式泡沫比例混合装置产品；Chemguard公司生产有BPP系列和 ILBP系列产品；Angus公司生产有HELIJECTOR系列产品这些公司都无一例 外的将该产品作为泡沫比例混合装备的主要产品，加以重点推广应用。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 7 如图0.2所示为国外生产的泵入平衡压力式泡沫比例混合装置；图0.3所 示为国外采用泵入平衡压力式泡沫灭火系统保护着巨大的易燃液体罐区。 图0.2 国外生产的泵入平衡压力式泡沫比例混合装置 图0.3 国外采用泵入平衡压力式泡沫灭火系统保护大型油罐区 (1)取得的主要成果： ()根据上海市科委下达的开发研究项目项目编号(02JG05017)“石油化 工高效环保型灭火技术与设备的研究”，成功地研制开发出泵入平衡 压力式泡沫比例混合装置产品，填补了国内空白，其性能指标接近国 外同类产品先进水平。 ()根据理论上的分析，证明了采用自动调压供液装置向射流式泡沫比 例混合器供泡沫液时，只要保证供液压力P2与混合器喷嘴前消防水压 力P1一致，即能得到定比例的泡沫混合液，即混合比R与消防水流量 和压力参数无关，仅取决于泡沫比例混合器的结构参数。混合比R计 算公式为式： 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 8 (0.1) 44 2 2244 12 4(1) 4(1) ADdq R qq D dADd ()以现有供水系统中所采用的新型双室隔膜控制阀为基础，创新性地 设计了调压阀的结构，使该阀的出口压力P2 近似等于控制压力P1 ， 从而保证式（0.1）的实现。 ()建立了自动调压供液装置的数学模型，并利用计算机软件MATLAB对 自动调压供液装置的启动特性进行了仿真试验，试验结果表明调压阀 开启快速、稳定，完全满足设计要求。 ()进行了大量的台架试验研究，试验结果证实了研制的样机完全满足 工程实际使用要求，同时证实了仿真试验结果的正确性。 ()本文提出的泵入平衡压力式泡沫比例混合装置产品系列的主要性能 参数、选型设计方法及配置方案将成为本企业开发、生产该系列新产 品的指南和技术依据。 (2)展望该技术今后的研究方向包括如下三个方面： ()系列化：泵入平衡压力式泡沫比例混合装置产品系列规格及性能参 数，产品系列化研究工作需进一步完成。 ()国产化：泵入平衡压力式泡沫比例混合装置采用的供液泵和驱动水 轮机为国外产品，为使本产品完全国产化，需要对这两个重要部件进 行研究设计。 ()推广应用：该技术由于其突出的优点将具有广阔的应用前景，研究 其工程应用技术、大力推广使用该项技术也是需要继续完成的重要工 作。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 9 0.2.20.2.2 目前状况目前状况 目前在我国，由于泵入平衡压力式泡沫比例混合装置技术难度较高， 设备关键部件性能要求高，其设计制造尚属空白，其使用也刚刚起步， 且仅限于进口国外产品。如宁波大榭岛油罐区、天津新港油码头等极少 数重大工程采用了国外生产的泵入平衡压力式泡沫灭火系统。但是，完 全依赖从国外进口一方面价格昂贵，另一方面无法深入掌握该项技术。 由此可见，对该项技术进行研究，尽快开发研制出国内自己的泵入平衡 压力式泡沫比例混合装置系列产品成为一项迫切的课题。公安部上海消 防研究所作为在消防装备研究方面走在国内最前沿的队伍，在2001年下 半年，将泵入平衡压力式泡沫比例混合装置的研究与开发列为重点新产 品开发项目。2002年，上海市科委批准立项“石油化工高效环保型灭火 技术与设备的研究“课题，本文所研究的内容将成为该课题研究的主要 内容。 随着我国国民经济的迅速发展，我国每年新建的大型石化项目、油 品码头、油库、机库不下几十项，此外每年还有若干旧工程改造项目， 该项技术将有着广泛的市场前景。随着该项技术的不断推广使用，必将 广泛地，牢固地保护国家和人民生命财产安全，从而产生巨大的社会效 益和经济效益。 1 1 压缩空气泡沫系统基本机理及特点压缩空气泡沫系统基本机理及特点 压缩空气泡沫系统以下简称 CAFS，CAFS 具有同时出 A、B 类泡沫的能 力。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 10 A 类泡沫适用于：含碳固体可燃物火灾。 B 类泡沫适用于：甲、乙、丙类液体火灾。 1.11.1 系统的基本组成系统的基本组成 压缩空气泡沫是通过机械方式将空气与泡沫液混合，从而形成高度 气泡化和高能量的泡沫。它由以下几个子系统组成： 动力系统 水泵 空压机 比例混合器 控制阀 1.21.2 系统的工作原理及应用系统的工作原理及应用 CAFS 系统的工作原理如图 1.1，在混合好的泡沫液中注入一定比例 的压缩空气，在一定长度的管路中经过搅拌、混合就形成了压缩空气泡 沫。由于泡沫在通过长的出口管路时与管壁产生摩擦，结果产生的是均 匀的、高稳定性的气泡。因而压缩空气泡沫比一般的空气泡沫具有更长 的泡沫稳定时间。 图 1.1 系统工作原理图 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 11 1.31.3 CAFSCAFS 特点特点 (1)高效能灭火 CAFS 是水灭火的速度的 10 倍以上，普通泡沫的 3-5 倍，且复燃性 小。由于压缩空气泡沫是高能量、高气泡化的泡沫，有较强的贯穿力和 渍湿力。泡沫中的水不仅可以降温而且更有效了。当泡沫喷洒在火焰中 或覆盖在燃烧物上时，气泡会释放水蒸汽并逐渐变小，最后被燃烧物吸 收。同时，泡沫还能覆盖在燃烧物上将燃烧物和氧气隔离而抑制燃烧， 并能有效的减少烟雾，降低烟雾污染，提高消防队员的能见度。 (2)减小水带重量，提高射程 由于混合液中注有压缩空气，水带的重量实际上减轻了 3-4 倍。水 带的载荷量小，机动性好，可以有效减少消防队员的体力消耗。且因压 缩空气泡沫可以在水带内压缩，不仅大大提高了射程，同时具有储能的 作用，在系统无法工作时，消防员仍能通过储能水带工作，从而赢得几 十秒或几分钟的宝贵时间（水带越长时间越长） 。 (3)水、泡沫液用量小 压缩空气泡沫大大延长了水的使用时间，在水资源缺乏或水非常有 限时，显得十分明显。CAFS 还有很多常规系统所没有的优势，如对环境 破坏小，节省资金，水携带的污物少，无水击现象，操作简单等等。 2 压缩空气泡沫消防车产品性能压缩空气泡沫消防车产品性能 根据美国 NFPA 有关标准及压缩空气 A 类系统标准暂行规定（06 年 由国家消防装备质量监督检验中心编制）中对 A 类泡沫系统主要技术要 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 12 求： a.泡沫比例在相应压力下整个流量范围内应保持其误差范围是 040%； b.系统应能调节泡沫干湿度； c.系统应能同时使用 2 支枪出干泡沫。 根据国内厂家生产的压缩空气泡沫车结合有关标准及 GB7956 标准， 压缩空气泡沫消防车产品主要性能： a.保持原有泡沫消防车各消防功能； b.CAFS 操作全自动控制； c.泡沫消防能力：可接 2 支 1.5”枪或 1 门 2.5”炮； d.混合液流量：20L/S，压缩空气泡沫出口流量：94L/S； e.工作压力：0.88Mpa，空压机供气能力：150CFM。 表 2.1 为与该 CAFS 相匹配的泡沫消防车产品性能参数表。 表 2.2 为与该 CAFS 相匹配的 CB20/20 中低压水泵工况性能试验数据 表。 本章提供了与取力器相匹配的部件的基本参数及实测数据，给出了 取力器结构及外形设计的原始条件。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 13 表 2.1 泡沫消防车性能参数 参 数 名 称性 能 参 数 底盘型号欧曼 BJ3138DHJHA 发动型号 YC6J190-20 额定功率（kw)kw) 140 轴距(m) 3800 总质量 8495 前桥 3880 整备质量(kg) 后桥 4615 总质量 13495 前桥 6495 满载质量(kg) 后桥 7000 整 车 基 本 参 数 容罐装载量(kg)水 3500 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 14 B 类泡沫 1500 泡沫容罐量(L)A 类泡沫 200 最高车速(km/h) 80 乘员数（人）：（包括驾驶员） 3 外形尺寸：长宽高(mm) 640023582700 行驶制动符合 GB7258 第 4.13 或 4.15 条规定 制动 性能 驻车制动符合 GB7258 第 4.18 条规定 最大真空度(kPa) 85 最大吸深(m) 7 引水装置密封性(kPa) (1 分钟内真空度降落值) 2.6 引水 性能 引水时间(s)：(7 米吸深时) 35 消防泵型号CB20/20 型中压泵 额定压力(MPa)1.0（低压），2.0（中压） 整 车 消 防 性 能 水力 性能 额定流量(L/S)40（低压），20（中压） 表 2.2 中压车用消防泵检验结果汇总表 序号流量(L/S)出口压力(Mpa)轴功率(kw)泵效率(%)备注 102.02444.260 23.892.03348.6416.27 37.012.03250.6828.13 泵 额 定 转 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 15 410.072.03153.8238.04 511.872.0356.2942.85 614.052.0358.7748.59 715.832.0360.8952.87 818.152.02963.4558.19 920.042.02466.5461.55 1022.272.00768.865.18 1124.091.97970.9667.48 1226.261.95972.2271.6 1327.951.93675.8371.79 速 为 2900 r/min 0 10 20 30 40 50 60 70 80 123456789 10 11 12 13 流量(L/S) 出口压力(Mpa) 轴功率(kw) 泵效率(%) 图 2.1 中低压车用消防泵工况性能图 3 3 取力器的结构设计取力器的结构设计 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 16 3.13.1 取力器概述取力器概述 3.1.13.1.1 概述概述 大多数专用汽车都利用其本身的发动机给它的专用装置提供动力。 对于从汽车发动机取力的各种辅助装置，可选用具有不同速比的各种规 格的取力器。 取力器的选择应考虑以下几个方面： a. 动力输出轴需要多大的驱动力（扭矩） b. 根据驱动附加装置所需扭矩的大小，决定采用何种取力型式 c. 根据驱动附加装置的位置和结构，确定取力器的位置和旋向 d. 传动系动力输出端的尺寸 e. 取力器的操纵型式 根据取力器使用的目的不同，取力器大致分为如下四类： a. 变速器式 b. 前驱动式 c. 分动器式 d. 飞轮式 e. 离合器式 f. 夹心式 在确定了选用何种型式的取力器后，应根据附加装置所要求的转速 来确定取力器的速比。取力器传递的最大扭矩(Nm)是以无附加重力，运 动无冲击、无振动为条件计算出来的。 设计或选择上装附加装置的传动系和驱动零部件时应选择较低的发 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 17 动机转速和较高的发动机负荷，此时发动机的燃油经济性较好。同时， 还要注意万向节凸缘的倾角相同（最大倾角 8+2） ，倾角过大，会导 致传动轴振动，产生噪音，严重时会损坏附加装置。 由于大多数附加装置都固定在车架上（或副车架） ，而取力器固定在 变速器或发动机上，因此连接取力器和附加装置的传动轴最好做成伸缩 式的。在受条件限制时，应做成至少有一端是可调整的。在传动轴装车 前必须做好动平衡试验。 还应注意，常用功率范围的选择应尽可能使发动机转速不要低于 1200r/min。 传动轴的布置型式见下图 1.取力器 2.上装动力附加装置 图 3.1 传动轴布置型式图 注意：a.取力器端与工作装置端万向节夹角的最大偏差值为 1； b.取力器传动轴能传递给附加装置的最高转速为 1000r/min 或最大功率为 160ps。 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 18 3.1.23.1.2 取力器的应用范围取力器的应用范围 取力器的选取主要取决于附加装置，要根据附加装置确定取力器的 位置、旋向、扭矩、速比等，下面介绍的仅为根据通常的设计进行的取 力器匹配 传动比： i=0.37-0.48 用于自卸汽车举升泵 i=0.48-0.88 用于液压起重机液压泵 i=0.88-1.54 用于液罐车液压泵 i=1.51-1.87 用于市政工程车高压泵 i=1.00（全功率取力） 用于混凝土搅拌车和液压传动车 注：取力器的传动比与取力器的总速比是不同的概念。一般地，取 力器的传动比仅指取力器本身，与取力器自己的结构有关。而取力器的 总速比是指取力器输出端的转速与发动机转速之比，它不但与取力器的 传动比有关，还与变速器或分动器有关。 3.1.33.1.3 取力器的选型取力器的选型 近几年，我国专用车迅猛发展，对汽车取力器的需求日益增大。但 是，由于很多改装厂家和用户对取力器的性能不是很了解，因取力器选 型与汽车使用工况不匹配而致使取力器使用寿命缩短，甚至造成质量事 故的情况时有发生，给改装厂家及用户带来了诸多不便并造成经济上的 损失。故在取力器选型时应注意如下几点： a. 确定所需取力器主要性能和参数 不同用途的专用车辆需配置不同性能、参数的取力器。取力器的性 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 19 能和参数主要根据车辆的用途而定，并且必须与所连接的变速器、发动 机、齿轮泵或空压机的性能参数匹配。取力器在设计和制造过程中是严 格按照行业标准制造，并已大致确定了其使用工况范围。如自卸车，由 于受其用途限制，单次连续工作时间不是很长，因而不必选择功率太大， 要求连续工作的取力器，以免造成不必要的资源浪费。而消防车、散装 水泥车、水泥搅拌运输车、起重车及油田专用车等，因需要连续工作较 长时间，就要选择功率较大、能连续运转的取力器。目前国内已成功开 发的发动机取力器使用及维护成本低，可靠性又较好，将逐渐替代离合 器取力器、变速器一轴取力器等，而成为这些车辆的首选。取力器性能 参数包括取力器相匹配变速器最大输出扭矩、取力器速比、操纵方式、 可持续工作时间、工作温度等等。各项性能参数的选择需根据要求而定。 b. 确定取力方式 取力器取力方式需有利于整车布置。取力器从汽车上取力的方式主 要有飞轮取力、离合器取力、一轴取力及变速器取力。其中变速器取力 又包括变速器前置取力、后置取力、侧置取力等。取力器输出方式也多 种多样，有单输出、双输出、带法兰输出、内外花键输出、直接连泵等 等。使用时需根据自己不同的需求来选择不同取力方式的取力器。 c. 确定取力器接口尺寸 取力器安装方式不同，接口尺寸也不尽相同。取力器接口尺寸与发 动机型号和变速器型号直接相关。发动机和变速器的生产厂家不同，连 接尺寸和所开的取力窗口也不相同，所以必须确知所选底盘的发动机型 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 20 号、变速器型号、使用工况和匹配的取力器参数。 3.23.2 取力器的设计思路取力器的设计思路 3.2.13.2.1 问题的提出问题的提出 1996 年第 3 期消防技术与产品信息中王学超先生浅谈消防车 取力器设计一文中，提出了消防车车用取力器的发展趋势，并针对应 用比较可靠、广泛的夹心式取力器的设计提出了具体的设计思路。 几年来，随着相关国家标准的颁布与实施，暴露出文中消防车夹心 取力器的设计思路不尽完善。根据 GA39.4-1992水罐消防车通用技术 条件及 GA39.5-1992泡沫消防车通用技术条件附录中要求的“功 率输出装置的增速比：推荐不小于消防泵额定转速与发动机额定转速之 比的 1.21 倍” ，这就说明，作为功率输出装置的夹心取力器来说，其速 比的确定首先应该满足上述要求，这里就涉及到对应发动机型号的消防 水泵的选择。在上述两标准的附录中，针对消防泵与发动机的功率匹配 中明确指出：“消防泵的轴功率与发动机总功率之比：推荐汽油机不大 于 60%，柴油机不大于 65%” 。显然，上述标准的要求，是取力器设计过 程中必须满足的基本条件。 3.2.23.2.2 根据发动机的总功率确定配套消防水泵的型号根据发动机的总功率确定配套消防水泵的型号 下面，以我厂拟进行的配备发动机型号为 RG8-11 型高速柴油机 CWB536PHZ 型日产底盘用取力器的设计为例。此例中，发动机的型号已 经确定，拟订配套消防水泵为 BD60 型车用消防水泵。发动机的总功率为 ，而配套BD 消防水泵的各项参数如下：250Nkw 发 水泵型号：BD60； 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 21 扬程(H)：110m； 流量(Q)：60L/s； 转速(n)：3000r/min； 效率()：63.8%； 水泵轴功率：=QH/75=60110/7563.8%=137.93kw；N泵 扭矩：=9550/=9550（137.93/1.36）M泵N泵n泵 /3000=322.85Nm。 显然，/=137.9/250=55.2%，依据上述两标准的要求“消防泵N泵N发 的轴功率与发动机总功率之比：柴油机不大于 65%” ，符合该标准要求； 同时，该发动机的额定转速为=2200r/min，而n发 /=3000/2200=1.36，依据上述标准的要求， “功率输出装置的增速n泵n发 比：推荐不小于消防泵额定转速与发动机额定转速之比的 1.21 倍” ，这 样，作为我们取力器设计中，其速比必须满足1.211.36=1.65 的要 求。从而引出我们取力器的设计中必须满足的基本要求：其速比1.65 的要求。 3.2.33.2.3 取力点的选择：根据发动机曲线图进行选择取力点的选择：根据发动机曲线图进行选择 选择的过程中必须结合该曲线图中发动机功率发动机转速曲线 图以及发动机输出扭矩发动机转速曲线图加以综合选择。在王学超 先生浅谈消防取力器的设计一文中，仅仅依据发动机功率发动 机转速曲线图进行取力点的选择，探讨了取力点过于靠前与取力点过于 靠后两种情况，其限制条件不太明确，往往导致取力点选择的不恰当。 而依据发动机的特性并结合发动机输出扭矩发动机转速曲线图，将 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 22 取力点的选择在发动机输出扭矩平稳阶段的中间部位，这样取力点的选 择将更加恰当。图 3.2 为该发动机的曲线图，依据上述思路，初选取力 点的位置为转速是 1800r/min 处。这样该取力器的速比为 3000/1800=1.67，满足速比1.65 的要求。 图 3.2 RG8-11 型高速柴油机发动机曲线图 3.2.43.2.4 取力器传动比的优选法取力器传动比的优选法 （1）概述 在许多专用汽车中，工作装置的动力都来源于汽车发动机，通常通 过取力器从汽车变速器或分动箱取力驱动，这是该类专用汽车的基本工 作模式。在专用汽车改装设计中，有些可直接选用由专用汽车配套厂家 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 23 生产的通用取力器，但当无法选用合适的现成取力器时，必须设计专用 取力器。传动比是取力器的基本设计参数中最重要的一个，是取力器其 他零部件结构参数选定的基础。确定取力器传动比是整个改装设计中的 一个重要环节。 （2）专用汽车发动机驱动工作装置的特点 专用汽车的发动机主要为汽车行驶提供动力，驱动工作装置的动力 只占发动机所提供动力的一部分。因此，采用取力驱动的工作装置作业 时，发动机只在部分特性上工作，储备功率较大。在装用汽车的改装设 计中，由于发动机已由所选汽车型号决定，其匹配关系不能改变，因此 只能按工作装置来确定发动机的合理运行状态。 现在的一些汽车改装厂设计取力器时，只把工作装置的作业功率和 转速作为取力器传动比选取的依据。但是，由于当发动机驱动工作装置 时具有较大的功率储备，在很多转速条件下，都可以满足工作装置的动 力需求，这就使得取力器的传动比具有多种选择值，从而使取力器的设 计具有一定的随意性，这显然是很不合理的。 为此，在采用专用取力器的改装设计中，首先需要讨论的问题是， 如何优先选定取力器的传动比，从而保证发动机在向工作装置提供足够 动力的前提下，具有最经济的运行状态。特别是对于需要工作装置长时 间工作的专用汽车，使发动机处于经济运行状态，对保证系统运行的经 济性是十分重要的，也是完全必要的。 （3）取力器传动比的优选 ()机驱动工作装置的最佳工作点 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 24 如前所述，从汽车发动机取力驱动工作装置时，发动机是处于部分 特性工作的，其储备功率较大，发动机在许多转速下都可以提供工作装 置所需功率。发动机外特性曲线只能反映发动机最大供油位置时、 e Mn 、和的关系，利用一般的外特性曲线根本无法解决发动机在部 e Nn e gn 分特性条件下工作的问题，必须利用发动机的万有特性来解决。 图 3.3 为一般汽车发动机的万有特性曲线示意图，图中横坐标为转 速 n，纵坐标为转矩，图中的一组双曲线代表等功率曲线族，另一组 e M 环形曲线代表等比油耗曲线族。 图 3.3 万有特性曲线 从万有特性曲线上，很容易看到发动机最经济的负荷与转速，代0 e g 表最低比油耗，这一点发动机的运行经济性最好。愈内层的等比油耗曲 线，愈靠近，其比油耗愈小，运行经济性也愈好。0 e g 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 25 为保证工作装置工作的动力性，发动机取力功率可按下式计算： (3.1) 1 2 3 Nw Nt 式中：发动机取力功率(kw)；Nt 工作装置所需功率(kw)；Nw 取力时变速器的传动效率； 1 取力时分动箱的传动效率，若从变速器取力，计算时取 1； 2 取力器的效率。 3 根据计算出的，可在图 3.3 上找到相应的功率相同的曲线。在曲Nt 线与点之间，可用插值逼近法找出一条在、之间与曲线 4 Ne 0 ge 1 X 2 X 相切的具有相同比油耗的曲线（虚线） ，切点为 X，该切点即是 4 Negein 发动机输出时最经济的运行点，该点对应的发动机工作转速为。Nt x N 取力器传动比的计算 根据已经确定的发动机和工作装置的工作转速，即可计算出取力器 的传动比： 3 1 2 x w n i ii n (3.2) 式中：取力时变速器的传动比； 1 i 取力时分动箱的传动比，若问从变速器取力，计算是取 1； 2 i 取力器的传动比； 3 i 发动机在最佳工作点运行时的转速； x n 取力器的输出转速。 w n 3.2.53.2.5 齿轮参数的确定齿轮参数的确定 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 26 取力器速比确定后，在保证强度与可靠性的前提下，按最小模数与 最小体积进行计算，确定齿轮参数，以保证取力器的体积小，重量轻。 3.2.63.2.6 校核校核 在确定具体的齿轮参数后，按照速比1.65 的要求进行重新校核， 以保证满足速比1.65 的要求。 3.33.3 取力器的结构设计取力器的结构设计 1. 齿轮；2. 轴；3.齿轮；4.轴；5. 轴；6. 齿轮；7. 箱体 图 3.4 取力器结构示意简图 3.3.13.3.1 发动机及水泵参数的确定发动机及水泵参数的确定 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 27 (1)发动机参数 型号：YC6J190-20 排量：6494(ml) 额定功率：140(kw) 额定转速：2700(r/min) (2)水泵参数 型号：CB20/20 流量：30(L/s) 扬程：150(m) 效率：71.8% 额定转速：2900(r/min) 3.3.23.3.2 取力器总传动比及各级传动比的确定取力器总传动比及各级传动比的确定 (1)取力器的理论传动比 根据 GA39.4-1992 及 GA39.5-1992 附录中要求的“功率输出装置的 增速比：推荐不小于消防泵额定转速与发动机额定转速之比的 1.21 倍得 出： 2900 1.211.3 2700 ii 取 (2)取力器各级传动比的分配 传动装置总传动比是各级传动比的连乘积，即： 12 . n ii ii 则， 12 1.3ii i 取 取 =1.13；=1.16；得： 1 i 2 i1.3161.3i 取 （令 为齿轮与齿轮的传动比，为齿轮与齿轮的传动比） 1 i 2 i 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 28 (3)各轴的转速、输出功率和转矩 a. 各轴的理论转速 (3.3) 2900 /minnnr 泵 (3.4) 1 2900 2566.37 /min 1.13 n nr i (3.5) 2 2566.37 2212.39 /min 1.16 n nnr i 发 b. 各轴的输入功率 传动装置总效率为： 012 式中：为联轴器传动效率 0.99-0.995； 0 为滚动轴承传动效率 0.98-0.995； 1 为圆柱齿轮传动效率 0.96-0.98; 2 则， 63 012 0.99 0.990.970.85 所以， 22 012 140 0.99 0.990.97131.77PPkw 发 22 12 131.770.990.97125.27PPkw 22 12 125.270.990.97119.09PPPkw 泵 （4）各轴的理论转矩 (3.6) 131.77 95509550568.8 2212.39 P TNm n (3.7) 125.27 95509550466.16 2566.37 P TNm n (3.8) 119.09 95509550392.18 2900 P TNm n 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 29 根据上述计算结果，列出各轴的运动和动力参数的汇总表，如下： 表 3.1 各轴的运动和动力参数 项目轴轴轴 转速(r/min) 2212.392566.372900 功率(kw) 131.77125.27119.09 转矩()N m 568.8466.16392.18 传动比 1.161.13 效率 0.950.95 3.3.33.3.3 齿轮传动设计计算齿轮传动设计计算 (1)圆柱齿轮的几何参数计算及载荷计算 cos tn mm 1( cos) tn tgtg 1( cos) bt tgtg 12 () 2 t am zz 11t dm z 22t dm z 11 cos bt dd 22 cos bt dd * cos atan hh * cos tn cc 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 30 11 cos tn xx 22 cos tn xx （运用黄金分割法求） 1212 2()() ttttt invxxtgzzinv t (cos) cos tt aa 12 ( ) tttt xxaam 1 1 (cos) tt tgtg * 111 2() aatttt ddhxm * 222 2() aatttt ddhxm * 111 2() fatttt ddhcxm * 222 2() fatttt ddhcxm 111 () 2 aa hdd 222 () 2 aa hdd 111 () 2 ff hdd 222 () 2 ff hdd 111af hhh 222af hhh 11 cos bt dd 22 cos bt dd 1 111 cos () atba dd 1 222 cos () atba dd 1122 ( )( ) 2 aattatt z tgtgz tgtg 上海工程技术大学毕业设计（论文） 压缩空气泡沫系统取力传动装置设计 31 1d bd sin n bm 11 () 60 1000 dn vm s 3 11 cos v zz 3 22 cos v zz cos btmtt p 11 t n inv zz inv 22 t n inv zz inv 11 1 11 cos arccos(