毕业设计（论文）-水电站卷扬式启闭机机构设计.doc

摘要本文在充分论证的基础上，对固定式卷扬式启闭机进行设计和分析，并运用solidworks软件对其进行三维造型和分析。首先，查询和翻阅资料，对固定卷扬式启闭机的零部件进行设计与计算，主要是对其运动机构进行选择和计算；其次，运用三维设计软件solidworks对其进行三维建模；再次，根据所学资料，给出该启闭机的安装和使用注意事项；最后，利用solidworks软件生成二维工程图。由于在进行设计时，采用solidworks对其进行三维建模，使得更有立体感。同时，由于采用了先进的三维技术生成工程图，使得生产和设计联系起来，利用solidworks软件的尺寸驱动功能，在发现有错误时能够及时改正，这样会极大地缩短设计周期，减轻设计者的负担，从而带来巨大的经济效益！关键字：启闭机、设计、三维建模、工程图AbstractAfter the fully demonstrated, this paper has a design and analysis for the fixed winding hoist, and using SolidWorks software for 3D modeling and analysis. First of all, through querying and browseing data, the fixed type hoist parts carries on the design and calculation, mainly carries on the selection and calculation of its motion mechanism;secondly,using solidworks to design three.dimensional modeling;thirdly, according to the data, give out the installation and use matter of the hoist; finally, using SolidWorks software to generate engineering drawing.Because of using SolidWorks 3D modeling to design the hoistmakes the hoist more three.dimensional.At the same time, duing to the adoption of the advanced three.dimensional technology to generate engineering drawing,makes production and design have a link.using SolidWorks software dimension driving function, can be corrected in a timely manner when the mistakes are found.it will greatly shorten the design cycle, reduce the burden of designers, which brings great economic benefits!Keywords: hoist, design, 3D modeling, engineeringI目录摘要IAbstractI1 绪论11.1 启闭机的研究与应用现状11.1.1 启闭机在我国工农业生产中的地位和作用11.1.2 国内外启闭机的研究与应用现状11.1.3 目前存在的主要问题及未来发展趋势51.2 关于本课题的研究内容及其意义51.2.1 本课题的研究内容与技术路线51.2.2 本课题的关键技术和方法61.2.3 本课题的主要成果及其意义71.3 本章小结72 固定式卷扬启闭机总体方案设计82.1 启闭机概述82.1.1 分类及特点82.1.2 卷扬式启闭机的构成及工作原理92.2 启闭机总体方案比较与确定92.2.1 卷扬式启闭机的整机布置92.2.2 卷扬式启闭机动力传动方式的确定112.3 启闭机总体参数的确定与计算122.3.1 给定的设计参数122.3.2 总体参数的确定与计算122.4 本章小结133 固定卷扬启闭机主要零部件的设计与计算133.1 钢丝绳及滑轮组的选型与计算143.1.1 钢丝绳、滑轮组及卷筒的选型143.1.2 钢丝绳、滑轮组及卷筒的设计与计算153.2 减速器的选型及主要参数的确定193.2.1 总传动比的确定及其分配203.2.2 开式齿轮参数的确定213.3 制动器的选型223.4 本章小结234 固定卷扬启闭机三维参数化造型设计与装配244.1 solidworks简介244.2 固定卷扬启闭机三维实体建模254.3固定卷扬式启闭机的零部件装配254.4 固定卷扬式启闭机整机装配284.5卷扬启闭机的整机干涉检查294.6 本章小结295 固定卷扬式启闭机安装和使用说明305.1 固定卷扬式启闭机的安装305.1.1 安装前的准备305.1.2 起升机构的安装305.1.3 润滑325.2 固定卷扬式启闭机的 使用、维修与保养326 固定卷扬式启闭机的二维工程图346.1 solidworks生成工程图346.2 本章小结347 结论与展望35谢辞36参考文献3721 绪论 1.1 启闭机的研究与应用现状1.1.1 启闭机在我国工农业生产中的地位和作用随着国民经济的飞速发展，国家各行各业及百姓生活对电力的需求量都大大增加。为了解决电力不足、缓解用电压力，国家充分利用水资源，大力发展水利电力事业，各种大大小小的水电站星罗密布、遍布全国。在工农业生产和日常生活中，水电站在水利发电、防洪排涝、农田灌溉及生产生活供水等方面都发挥着重要作用。而启闭机是水电站中用来调节闸门开度、起吊拦污栅，实现调节水流、拦泄洪峰、排沙冲沙等目的的重要的起重机械，也是完成其他金属结构与机电设备安装和检修的辅助机械。因此，启闭机的生产质量和工作性能的好坏，对水利水电工程的正常运行、充分发挥其效益，乃至对人民的生命财产安全都至关重要。1.1.2 国内外启闭机的研究与应用现状 1国内外启闭机的研究现状在国外的一些发达国家尤其是美、英国家，在工业革命后都对水电站启闭机进行了大量的分析和研究，采用先进的技术方法相继研制出了一批高质量、高性能的启闭机。由于他们研制工作开始较早，积累了很多的经验，已经有了设计和制造启闭机的一套完整的理论体系。他们已经摒弃了采用平面结构进行设计计算的方法，开始运用先进的相关软件，例如，solidworks、autoCAD、Pro/E、ANSYS等对启闭机进行三维建模或者是有限元分析。通过这些软件，他们设计和制造出来的启闭机性能好、工作安全可靠、事故率低、价格也相对便宜。这些水电站启闭机无论是在他们国内还是国外都有很好的竞争力！而在中国，由于工业起步较晚，远远落后于其他发达国家，现如今大部分设计和制造启闭机的方法均采用平面设计计算。采用二维设计计算不但耗时长而且安全可靠性低，很难在国内外有较高的竞争力。随着中国经济的日益发展，尤其是改革开放以来，国内设计人员已经意识到了手工绘图和计算的不足，已经有很多研究者运用高科技软件进行启闭机的设计与制造。例如：武汉水利电力大学的李纯教授面向方案的启闭机优化建模、优化方法、启闭机CAD；原电力部中南勘测设计院薛瑞宝教授等对启闭机的体系进行了研究确定；中国矿业大学孙幼兰教授研究了启闭机的优化结构设计1；国家电力公司郑州机械研究所采用变频器来控制启闭机，以免启闭机在制动时因受冲击而损坏。同时，在启闭机的动力学系统建模、分析及数字仿真等方面的研究也在不断地进步。例如：武汉水利电力大学的林武教授对固定式启闭机进行了数学建模和优化分析，并提出了新的优化设计方案2。随着CAD技术的发展，一些高性能、高技术的软件的开发应用，一些专家教授也开始利用CAD对其进行优化设计。例如：武汉大学袁策武教授CAD开发工具开发出了水工闸门启闭机智能CAD系统；太原重型机械学院的陶远芳开发了启闭机起升机构的CAD软件3。然而，国内的这些采用软件进行设计计算的方法大部分还是以二维平面结构进行设计计算的，他仍然有很大的局限性，因此采用solidworks进行启闭机的三维建模和有限元仿真分析是必要的。近年来，水利工程启闭机有了很大的发展，其工程规模不断地扩大，启闭机的安装工程量也越来越大，启闭力也不断地增加，启闭机的发展特点和发展趋势有以下几点：1、 向大型化和专用启闭机发展；2、广泛采用液压技术；3、新材料被广泛应用；4、结构组成形式也越来越先进；5、设计计算方法需要采用仿真分析；6、大力推广标准化工作4。综上所述，根据国内外的启闭机的发展现状，国内设计者需要一套完整的三维建模体系和有限元仿真分析方法。 2国内外启闭机的应用现状随着大大小小的水电站不断兴建，各种类型的启闭机得到了广泛的应用，如：卷扬式启闭机、链式启闭机、螺杆启闭机及连杆启闭机，还有液压式启闭机等15。螺杆式启闭机在小型平面闸门和弧形闸门上得到较广泛的应用，如图1.1 所示。通用的螺杆式启闭机启闭力大都在200KN 以下，已经实行系列标准（QL 系列），由各地方厂家进行定型生产。 图1.1 螺杆式启闭机 Fig.1.1 The screw hoist 葛州坝二号船闸人字闸门采用的是连杆式启闭机，启闭机的设计能力(连杆上最大力矩）为2500kNm，是目前世界上最大的连杆式启闭机，如图1.2 所示。链式启闭机采用片式关节链，国内上个世纪50 年代建成的佛子岭水库溢洪道的双扉门使用这种启闭机，但至今未能广泛应用。 1.双速鼠笼式电动机2.制动器及带制动轮的联轴器3.减速器4.齿轮联轴器5.立轴圆锥圆柱齿轮联轴器6.小齿轮7.扇形齿轮8.曲柄9.推拉杆10.门体图1.2 人字闸门连杆式启闭机Fig.1.2 The linked.bar hoist在国外，苏联伏尔加河水闸上的固定卷扬式启闭机启闭力为2x9000KN。在我国，东江水电站高扬程启闭机的启闭力为2x4000KN；浙江珊溪水利枢纽水库工程泄洪洞事故检修闸门的启闭设备是一台启闭能力为8000kN 的固定卷扬式启闭机，于2000 年4 月底投入使用，是目前国内启闭能力最大的高扬程固定卷扬式启闭机。而位于湖北清江上游的水布垭水利枢纽工程中的防空洞事故闸门的最大扬程达159m，在国内同类机型中扬程最高5 6 7 8。液压式启闭机是利用液体压力来传递动力，来驱动液压缸对闸门进行操作的一种启闭设备，如图1.4 所示，液压启闭机的组成部分有液压缸、液压阀组和管道、液压泵站及控制装置等。一些中小型液压启闭机已经实行系列化，并有专业化制造厂定型生产，大型液压启闭机的系列标准正在拟定之中。近年来，液压式启闭机在国内外得到了越来越广泛的应用，我国龙羊峡水电厂采用的液压启闭机，其最大启闭力是8000KN/3000KN，扬程为11m。还有举世瞩目的三峡工程就共用了120 多台液压启闭机，其中最大的启门力矩53100kNm,最大闭门力矩7800kNm，相应的启门力为4500kN，闭门力为500 kN，最大工作行程为16m，最大液压缸内径为4800mm，活塞杆直径为400mm。目前，国内液压启闭机最大启闭力可达10000kN，行程超过16m，油缸直径大于1m，活塞杆直径大于0.5m。液压式启闭机是今后启闭机发展的一个方向5 6 7 9。 图1.4 液压式启闭机Fig.1.4 The hydraulic hoist 1.启闭机2.闸门 图1.5固定卷扬式启闭机1.1.3 目前存在的主要问题及未来发展趋势 1目前存在的主要问题由于众多历史原因和技术条件的限制，迄今为止在各式启闭机的设计方面仍大量采用类比法和经验法。由于这些方法存在着很大的主观性，缺乏细致的理论分析与足够的试验数据，对启闭机在工作时出现的动载荷和疲劳现象考虑不足或重视不够，导致启闭机机座变形、钢丝绳断裂等现象时有发生，严重影响了启闭机的工作性能和产品质量。另一方面，传统的启闭机设计均为非参数化的二维设计，往往需要反复修改设计方案、调整设计参数，存在着设计任务繁重、设计效率低、设计成本高等问题，给企业造成巨大的经济损失和人力资源浪费5 6 10。 2未来发展趋势液压式启闭机将得到越来越广泛的应用。由于液压启闭机与其他启闭设备相比具有结构简单紧凑，体积小重量轻但承载能力大，传动平稳且传动效率高，易于防止过载、安全可靠等优点，能很好地满足水电工程规模不断发展的需要，所以液压启闭机在水利水电工程中的应用会越来越普遍11。许多跨学科的现代设计方法和技术将得到更加广泛的应用。由于二维设计已不能满足现代设计的需要，人们越来越热衷于三维实体化、形体参数化、产品形象化；作为能提高产品设计效率的三维CAD设计，也将成为产品设计的主流，并正在向着设计、分析、优化、装配、仿真、制造等集成化的方向发展12。而模糊优化反映了中介过渡普遍存在的模糊性，反映了定量研究从物理领域进入到事理领域必然遇到的大量的模糊概念，反映了启闭机系统所涉及的种种模糊因素，反映了定量值的模糊属性13，因此启闭机的模糊优化设计必将推动启闭机设计进入一个崭新的阶段。另外还有其他一些设计方法，如：可靠性设计、有限元法、动态仿真设计等。而这些现代设计方法也必将给启闭机设计注入新的生机和活力。 1.2 关于本课题的研究内容及其意义1.2.1 本课题的研究内容与技术路线鉴于以上分析，本课题选择2X630 固定式卷扬启闭机为研究对象，采用了先进的技术和方法进行产品开发，其具体的研究内容是：确定方案在广泛调研和方案论证的基础上，确定整机参数；首先，查询和翻阅资料，并利用所学的机械设计理论完成对双吊点固定式卷扬式启闭机的零部件进行设计与计算，主要是对其运动机构进行选择和计算；其次，运用三维设计软件solidworks对其进行三维建模，得到其三维实体模型；再次，利用利用solidworks软件对初步设计好的模型进行力和运动仿真分析，根据结果对初选参数进行校核；最后，利用solidworks软件生成二维工程图。其技术路线如图1.6所示：主要部件进行初步选择和计算 三维设计 装配干涉检查 安装、使用、维修、保养生成二维工程图结束1.2.2 本课题的关键技术和方法1、 采用solidworks三维建模的方法，将滑轮组、卷筒组、驱动装置（包括开式齿轮副、减速器、制动器、电动机等）的三维实体模型建立出来；2、 采用solidworks三维建模的方法，将所建立的三维实体装配在一起；3、 采用solidworks生成工程图的方法，将所得到的装配体生成二维平面图；4、 利用solidworks的功能，将其中一个零件的参数改变的同时，其他所有与之有关的参数均自动改变；1.2.3 本课题的主要成果及其意义 1.本课题的主要成果1 完成了固定式卷扬启闭机零部件的设计计算；2 建立了固定式卷扬启闭机的三维模型；3 生成固定式卷扬机的二维工程图；4 完成毕业论文一份。 2.本课题的研究意义本课题采用了先进的三维建模技术和有限元分析方法，应用于传统的固定式卷扬启闭机当中，实现了产品模型的参数化、数字化，不仅提高了产品的设计质量，而且缩短了产品的研发周期，降低了设计成本，能为企业带来可观的经济效益和社会效益。本课题所采用的研究技术和方法对其他机械产品的设计和研发也有一定的参考价值。1.3 本章小结本章较全面概述了国内外启闭机的研究应用现状、存在问题及未来发展趋势，阐述了本课题的主要研究内容、技术路线、关键技术及创新点、主要成果及本课题的研究意义等。2 固定式卷扬启闭机总体方案设计2.1 启闭机概述2.1.1 分类及特点按传动方式来分，启闭机有机械式和液压式两种类型；从启闭机的布置方式来分，启闭机有固定式和移动式两种。其中：固定式的启闭机有螺杆式、连杆式、链式、卷扬式等，这类启闭机专机专用，即一台启闭机只用来操作一扇闸门或拦污栅；而移动式启闭机又有桥式、门式、半门式等类型，这类启闭机往往一机多用，即一台启闭机用以轮流操作一组闸门或拦污栅。螺杆式启闭机：如图1.1 所示，由于它采用人力驱动或小电机驱动，其启闭力小、起升速度慢、结构简单，具有自锁功能，故广泛应用于小型水电站。卷扬式启闭机：如图2.1 所示，卷扬式启闭机用于各种水利水电工程中，用来启闭各种闸门，由于卷扬式启闭机通过了减速器和开式齿轮的减速，速比可以很大，其实际扬程也可以不受限制，因此，卷扬式启闭机结构紧凑，承载能力大，运行平稳可靠，安装维修方便，同等承载能力条件下其所需费用较少。在电站厂房内用于起吊闸门或拦污栅的启闭机多为固定式卷扬启闭机4。1.电动机2.定滑轮组3.卷筒组4.机架5.减速器6.开式齿轮7.负荷限制器8.动滑轮组（启闭机下部）图2.1 固定式卷扬启闭机Fig.2.1 The stationary winding hoist液压式启闭机：如图1.4 所示，由于液压启闭机与其他启闭设备相比具有结构简单紧凑，量轻但承载能力大，传动平稳且传动效率高，易于防止过载、安全可靠等优点，是未来发展的趋势。但是，由于液压式启闭机要求加工精度高，对起升高度有一定的限制，因此在某种程度上限制了它的广泛应用。通过以上几种启闭机的比较，本课题的研究对象选择优点突出、适用广泛的固定式卷扬启闭机。2.1.2 卷扬式启闭机的构成及工作原理固定式卷扬启闭机一般由起升机构、卷扬机构、金属机架、动力传动部分和其他辅助设备等五部分组成。其中，起升机构包括动滑轮组、定滑轮组、钢丝绳等；卷扬机构包括卷筒、开式齿轮、排绳装置等；动力传动部分包括电动机、联轴器、制动器、减速器等部件；其他辅助设备包括负荷限制器、开度指示器、移轴装置等，如图2.1 所示4。当需要起吊闸门时，电机接通电源，动力由电机经联轴器、制动器、减速器、开式齿轮驱动卷筒卷动，由缠绕在卷筒上的钢丝绳经过动、定滑轮组的倍率放大作用，使动滑轮上升，从而吊起闸门。当闸门提升到一定高度时，开度指示器发出信号，使制动器制动，关闭电机，完成启闭闸门的过程。2.2 启闭机总体方案比较与确定2.2.1 卷扬式启闭机的整机布置固定式卷扬启闭机的整机布置对整台设备的结构、性能、工作方式等都有重大影响，因此，确定整机的总体布置是启闭机设计的一项重要内容。确定启闭机整机布置时应考虑水电站厂房的具体结构和实际使用要求，以及产品的结构型式、制造成本、工作可靠性等因素。双吊点固定式卷扬启闭机适用于闸门跨度大或一机双门的情况，在实际当中多采用双机架或三机的架型式，图2.2和图2.3 为双吊点启闭机机构布置示意图。由于这种启闭机需采用专门的机构保持双吊点同步，而且动力传递路线一般都比较长，致使其整机尺寸庞大、自身重量大、需要解决机架刚度或各部件之间安装精度的问题；其驱动方式多采用单电机集中驱动，也有采用多台同步电机分别驱动的情况，如图2.4 所示。对于集中驱动的双吊点启闭机，可通过机械同步轴保证吊点的同步。故本课题选择双机架分别驱动双吊点式卷扬式启闭机进行设计和分析。图2.2 双机架单边集中驱动的双吊点卷扬式启闭机Fig.2.2 Double brackets central.driven winding hoist with twin.lifting图2.3 三机架集中驱动双吊点卷扬式启闭机Fig.2.3 Three brackets central.driven winding hoist with twin.lifting图2.4 双机架分别驱动双吊点式卷扬式启闭机Fig.2.4 Double brackets separate.driven winding hoist with twin.lifting2.2.2 卷扬式启闭机动力传动方式的确定对于固定卷扬式启闭机所采用的动力传递方式一般为：方式一：电机联轴器制动器齿轮减速器卷筒，如图2.5 所示。方式二：电机联轴器制动器齿轮减速器开式齿轮卷筒，如图2.6所示。一般情况下，当启闭机不需要很大的传动比时可采用第一种传动方式，即不采用开式齿轮，而是将卷筒的中心轴直接连接在减速器的输出轴上。这种形式结构紧凑、效率较高，但减速器输出轴的受力状况不好；当启闭机需要较大的传动比时，为了获得比较大的传动比往往采用第二种传动方式，即在减速器与卷筒之间增加一级开式齿轮。这种形式不仅改善了减速器的受力状况、便于安装和维修，而且也便于整机布置。因此，本次设计采用了第二种动力传递方式。 图2.5 单吊点无开式齿轮的卷扬式启闭机图 2.6 单吊点有开式齿轮的卷扬式启闭机Fig.2.5 Single.lifting winding hoist Fig.2.6 Single.lifting winding hoistwithout open gear with open gear 2.3 启闭机总体参数的确定与计算2.3.1 给定的设计参数 表一 给定的设计参数项目名称枢纽进水口工作门启闭机额定启门力(KN)2630起升速度（m/min）1.5启闭机工作级别Q3中 起升机构工作级别Q3中扬程（m）12吊距范围（m）78启闭机数量（台）12.3.2 总体参数的确定与计算 1机构总效率根据前面确定的动力传递路线可知，启闭机动力传动机构的总效率为：0=卷滑开减=0.980.9250.930.95=0.8其中：卷=0.98 卷筒传动效率 滑=0.925滑轮组的传动效率 开=0.93 开式齿轮传动效率减=0.95 减速机传动效率 2.电动机的选择计算电机静功率计算： Q=63000 kg 起升力 V=1.5m/min 起升速度0=0.823 传动效率于是 kW则选：YZR180L-6电动机，按工作方式S3-JC25%，由查得：电机的功率为：N=17kW；电机的额定转速为：n=955 r/min。 3.滑轮组倍率的确定滑轮组的倍率m是滑轮组在不考虑摩擦的影响下省力的倍数或减速的倍数。滑轮组的倍率相当于它的传动比，即钢丝绳的卷绕速度与被起升物的起升速度之比，滑轮组的倍率可以由下式计算：M=起升载荷Q/理论提升力S0=钢丝绳的卷速V绳/重物提升速度V物=钢丝绳卷绕长度L/重物移动 距离S单联滑轮组的倍率，在忽略摩擦力的条件下，根据平衡条件知 S0=Q/m双联滑轮组相当于两个单联滑轮组平衡滑轮或者平衡杠杆并联而成的滑轮组，它有两个绕出端，因此它的倍率是单联滑轮组的一半。故其钢丝绳端的理论拉力为：S0=Q/2m 在起升机构设计中，恰当地确定滑轮组倍率是非常重要的。选用较大的倍率可使单根钢丝绳的拉力减小，从而使丝绳的直径、卷筒和滑轮的直径减小。减小卷筒的直径可使卷筒的扭矩减小，也就是使减速器输出轴的扭矩减小，使它的速比减小，这就可以选用较小的减速器，从而使整个启闭机尺寸紧凑重量轻的效果。但是，滑轮组倍率过大，又使滑轮组本身复杂笨重，效率降低，钢丝绳磨损严重。一般来说，大起重量应选取较大的倍率；双联滑轮组可取较小倍率，因为它的承重分支数比单式滑轮组多一倍；按启闭机的扬程而言，高扬程宜选择较小的倍率，以免卷筒过长，回避了采用多层卷绕的必要。由此，本课题选用双联滑轮组，滑轮组倍率为a=4。2.4 本章小结本章首先对各种类型的启闭机如：螺杆式启闭机和卷扬式启闭机等进行了分析比较，阐述了卷扬式启闭机的优点和工作原理，并对卷扬式启闭机进行选型和整机布置，最后确定了总体设计的参数。3 固定卷扬启闭机主要零部件的设计与计算固定卷扬式启闭机零部件的设计与计算主要包括：钢丝绳的选型与计算，滑轮组的设计与计算，卷筒的设计计算与强度校核，减速器的选择与计算，开式齿轮的设计计算与强度校核，电动机的发热校核等。3.1 钢丝绳及滑轮组的选型与计算3.1.1 钢丝绳、滑轮组及卷筒的选型 1.钢丝绳的选型钢丝绳是启闭机上最常用的挠性元件，它是有很细强度很高的钢丝，按照一定的螺距绕成股，再有股绕成绳的。钢丝绳与别的挠性元件相比素具有的优点：1、强度高，承载能力大过载能力强，弹性好，耐冲击，自重轻；2、挠性较好，运行平稳，即使速度高也没有噪音，可以高速工作；3、工作可靠，不会突然断裂。钢丝绳的型式，不仅决定于它的断面形状，而且还要决定于它的绳芯、绕拧方向等等因素。由于考虑到启闭机的重要性，不但要求钢丝绳绕性要好、制造方便，而且还要结构紧凑、使用寿命长、不能自行松散等。所以在此选用双绕绳、圆形截面、线接触型、右旋交绕钢丝绳；在室外、水下及潮湿或接触腐蚀介质的环境宜用镀锌钢丝绳。 图3.1钢丝绳4 2.滑轮组的选型滑轮组主要用于缠绕钢丝绳、改变提升倍率的机构，由若干动滑轮与定滑轮组成。滑轮组又有单式滑轮组与双联滑轮组之分。固定卷扬式启闭机一般都采用双联滑轮组，相当于两个单式滑轮组通过一个平衡滑轮组合在一起，卷筒上两个分支移动方向是相反的，起吊装置垂直升降。在这种滑轮组中往往有一个平衡滑轮（也有采用平衡杠杆的），通过平衡滑轮的转动，自动调节两个单式滑轮组绳索的长度，保持滑轮组的平衡，使滑轮组保持水平。由于双联滑轮组倍率值都取偶数，所以平衡滑轮必定落在机架上。当滑轮组倍率a4 时，由于动滑轮组最外边的两个滑轮间距太大，使卷筒中间光滑部分的长度增加，这时宜将从卷筒引出的两支钢丝绳引到动滑轮组中央两个滑轮。同时，为了避免从卷筒引出的钢丝绳在工作过程中与其他分支相碰，中央两个滑轮的直径应该大一些。 3卷筒类型的确定卷筒是起升机构中用来卷绕钢丝绳的部件。对于固定式启闭机上使用的卷筒，为了获得较大传动比，一般采用一级开式齿轮传动；起升高度较大时，为了缩小卷筒尺寸，可采用多层卷绕。对于单层与双层卷绕，采用带螺旋槽的卷筒；对于多层卷绕，则多采用光卷筒。多层卷绕的卷筒，端部需带侧边，侧边高度在卷筒绕满钢丝绳后还要有11.5 倍钢丝绳直径的余量。多层卷绕时，钢丝绳磨损较快，所以，卷筒的转速不易太高。卷筒材料一般采用不低于HT20.40 的铸铁，特殊需要时也可用ZG25、ZG35铸钢。由于本机的卷筒直径较大，要求强度和刚度较高，所以卷筒的材料选用Q235 钢，其屈服强度S= 235MPa。3.1.2 钢丝绳、滑轮组及卷筒的设计与计算 1.钢丝绳最大工作拉力：根据以上参数得到单根钢丝绳的拉力：式中：Q=630 kN 起升力Z=2 双联卷筒滑=0.925 滑轮组效率m=4 滑轮组倍率于是： kN钢丝绳的强度应满足：Fns式中：F所选用的钢丝绳的破断拉力，N； n钢丝绳的最小安全系数，由于参数中选取钢丝绳的工作 级别 为Q3，故安全系数取5.5； S钢丝绳的最大工作静拉力，N；故S=85.1355.5=468kN所以选钢丝绳：28ZA636SW+FC-1870-ZS钢丝绳的直径对滑轮直径、卷筒直径乃至整机的结构尺寸都有重要影响。因此综合考虑，初选钢丝绳直径 d28mm。 2滑轮尺寸的确定滑轮的材料最常用的是灰铸铁，它价格低廉，易于切削加工，并且由于它的弹性模数较低，使挤压应力减小，因而对钢丝绳寿命有利；其缺点是容易碰碎轮缘，寿命较短。对于尺寸较大的滑轮，为了减轻滑轮重量，一般常用焊接性能好的型钢制作滑轮25。因此，这里选用Q235 钢，采用焊接式滑轮。滑轮和卷筒的直径决定了钢丝绳绕过它们时的弯曲变形程度，对钢丝绳的使用寿命有很大影响，钢丝绳中心计算的滑轮最小名义直径按下式计算：D0=h2xd式中： h2 与机构工作级别有关的系数，选取h2 23.2；d钢丝绳的直径，d28mm。将数值代入(3.2)式中，得滑轮的直径：D023.2x28650mm。对于固定卷扬式启闭机，将平衡滑轮的直径取与D0 相同。 3.卷筒的设计与计算（2） 卷筒转速。由卷筒转速的计算公式：n卷=av/D式中：n卷卷筒转速(r/min)a 滑轮组倍率，a=4；v 提升速度，v =1.5m/min；D卷筒名义直径，D=700mm。将相关各值代入求得，n卷=4*1.5/3.14*0.7=2.730r/min（2）卷筒直径。在初步估算卷筒的直径时，一般取卷筒的直径为钢丝绳直径的25 倍以上，由此计算出卷筒名义直径为D=650mm。从有利于传动机构方面来看，卷筒直径越小越好，因为卷筒直径小可以降低减速机构的速比，可选用较小的减速器，使机构紧凑。但在起升高度很大时，为了不使卷筒太长，应选用较大的卷筒直径。所以，这里选取卷筒直径为D=700mm。总圈数圈3圈压绳圈, 3圈安全圈,2圈空余圈（3） 卷筒长度。考虑钢丝绳在卷筒上排列可能不均匀，应将卷绕长度增加10%，即卷筒的卷绕长度L0=1.1Zt=1.12930=957mm。对于双联卷筒，卷筒的长度：L筒=2（L0+L1+L2）+L光式中：L 筒卷筒的长度（mm）；L1根据构造需要确定，取L1=50mm；L2固定钢丝绳所需要的长度（mm），L23t；L光根据钢丝绳允许偏斜角（3）确定，L 光=100mm；t卷筒上绳槽的节距，对于标准绳槽，t=30mm。将数据代入(3.5)式，得：L筒=2（957+50+90）+176=2370mm。上极限尺寸: 420+620+2300.650=2690mm上极限角满足要求.下极限角满足要求. 图3.2卷筒尺寸图 （2）卷筒强度计算：根据机械设计36可知：式中：A2=11层卷绕系数 Smax=82895 N 钢丝绳最大拉力 卷筒壁厚（取28mm） t=30 mm 绳槽节距 材料为HT250 压=y/4.25=750/4.25=176.5 N/mm2于是： N/mm2满足要求，壁厚选28mm。（3） 钢丝绳在卷筒上的固定钢丝绳在卷筒上的固定必须十分可靠，便于检查和装拆，避免在固定处使钢丝绳受到过分的弯曲。目前采用的固定方法有以下几种：1 用压板固定，如图3.3（a）所示。利用压板和螺栓固定绳尾的方法构造简单，装卸方便，便于检查，是目前最常用的方法。其缺点在于所占空间位置大，而且不能用于超过两层的多层缠绕。2 用长板条固定，如图3.3（b）所示。在铸造卷筒的筒体上留下固定钢丝绳绳尾用的穿孔，然后在这个穿孔内装上凸头板条，板条下面有纵向绳槽，板条用螺钉压紧。这种方法可使卷筒缩短，但是卷筒构造复杂。图3.3 钢丝绳在卷筒上的固定方法43 用楔子固定，如图3.3（c）所示。钢丝绳绕在楔子上，并与楔子一起装入卷筒的歇孔内，在钢丝绳的拉力下被楔紧。楔子的斜度一般是1:41:5，以满足自锁条件。这种方法卷筒构造复杂，更换钢丝绳比较麻烦，但是可用于多层缠绕。根据该课题的实际情况，此处选择第一种方法压紧。（4） 、钢丝绳进出卷筒或滑轮的允许偏角当钢丝绳在卷筒上卷绕时，其中心线与卷筒的径向剖面存在着偏角，随着卷绕的进程，偏角从正到零，再从零到负。好的卷筒配置是使最大的正负角相等。钢丝绳进出滑轮也有类似情况。为了防止钢丝绳脱槽，或过度磨损，必须限制最大偏角。按照SL412011要求如下：1 钢丝绳绕入或绕出滑轮绳槽时的偏角不宜大于50。2 钢丝绳绕入或绕出卷筒时，钢丝绳偏离螺旋槽的角度不宜大于3.50。3 双层自由缠绕的折线螺旋槽卷筒，钢丝绳返回处的返回角不宜大于20，也不宜小于0.50。4 多层自由缠绕的折线绳槽卷筒，钢丝绳返回处返回角不宜大于1.50，也不宜小于0.50。（5） 卷筒组卷筒组由卷筒、连接盘、卷筒轴以及轴承支架等组成。在起重机上应用最多的卷筒组是带有齿轮连接盘的卷筒组、带大齿轮的卷筒组及短轴式的卷筒组。启闭机械由于起升速度很小，减速器的传动比不够，故卷筒组都带有大齿轮，通过开式齿轮传动卷轴，如图3.4所示。同时由于启闭机工作级别较低，通常采用定轴式滑动轴承。图3.4卷筒组装配图43.2 减速器的选型及主要参数的确定启闭机使用的减速器，其特点是短时断续工作，直接满载启动（起升机构通常是带载启动）。根据经验，这种工作方式，容易使得齿轮齿面干接触工作而引起严重的磨损和胶合。因此可以根据使用特点提出另设专用油泵，在机器启动前短时进行工作，对各对啮合齿轮进行喷射润滑，以改善工作状态。起重机用减速器除了ZQ型在使用外，当使用能满足要求时，应尽量选择圆柱齿轮减速器（JB/T88532001）系列的标准型减速器。除了卧式减速器以外，在运行机构上常采用ZSC型立式减速器，便于机构布置。选用标准减速器时，其总设计寿命应与它所在机构的工作级别相适应。用额定载荷或电动机的功率以及所需要工况来选择减速器，必要时还要对减速器输出轴端的最大径向载荷进行校核验算。3.2.1 总传动比的确定及其分配1. 总传动比式中：n电机=955r/min 电动机的转速 v0=1.5m/min 起升速度 m=4 钢丝绳倍率 D0=0.728m卷筒直径于是：2.减速器传动比的确定 由于启闭机工作速度较低，除采用标准减速器传动外，外加一级开式齿轮传动。开式大齿轮和卷筒直接连接，故开式齿轮以结构设计为主，齿轮的弯曲强度校核作为验算。 （1） 模数m的初定。为了使大齿轮的直径能满足与带法兰的卷筒连接的最小尺寸，大齿轮分度圆直径宜大于1.5倍的卷筒直径D0，即：m1.5m0/Z1式中Z1为大齿轮齿数。当小齿轮轴直径d已知时，为了满足小齿轮轴孔键槽应力集中处的强度要求，故从结构设计的角度，模数还应满足：m1.6d/Z2.3式中为Z2小齿轮齿数。（2）齿宽B。对于开式大齿轮齿宽，取B1=10m；对于开式小齿轮齿宽，取B2=10m+（515）；其中，m为模数。所以：开式齿轮尺寸初定：模数： m=16mm齿数 ： z1=17 z2=87中心距： a=832mm故开式齿轮的传动比为： i开=87/17=5.1176于是：所以选：DQJSD-280-71减速机速比：71中心距：620mm中心高：280mm减速机实际速比为67.667M5时许用输入功率: 17.3KWQ3.中时许用输入功率: 17.31.121.12=21.7kW实际起升速度: m/min实际电机功率： kW减速机Q3.中时许用输入功率，减速机满足使用要求。实际起升时间为12m/1.58 m/min=7.6min电动机实际工作制为S3-JC15%已足够YZR180-6电机在S3-JC15%工作制时额定输出功率：N=20kW实际电机工作功率 kW，电动机可以满足使用要求。额定输出转速：n=946 r/min实际起升速度: m/min3.2.2 开式齿轮参数的确定开式齿轮计算 ： 根据机械设计及理论36可知，齿轮的校核主要是其弯曲强度的校核，根据机械设计知识可知 ： 由于大齿轮弯曲强度较弱,仅计算大齿轮 式中：C=1+0.35v=1+0.35=1.07m=16模数 cmZ=87大齿轮齿数B=14齿宽 cm=0.446齿形系数=1摩损系数将上面的数据代入式子 可以求得大齿轮的弯曲强度为： 根据机械设计可知：许用应力式中：.1弯=0.43b=0.436500=2795 kg/cm2 K=1.4 =0.2 n=1.8于是: kg/cm2故齿轮弯曲强度足够，满足需求。3.3 制动器的选型在起重机械的各个机构中，可靠地制动装置能确保机械安全准确的工作。制动器的作用是使机构运动速度从最大值减小到零（停止式制动器）；在快速下落闸门的卷扬式启闭机上，制动器的作用则是限制机构运动速度在一定的范围内（调制式制动器）。起重机械所用的制动器按机构特征分为块式、盘式和带式。块式制动器应用最多，可分为常开式和常闭式。常闭式制动器常处于闸门紧闭状态，需施加外力方可解除制动；而常开式常处于松闸状态，需施加外力方可制动。从工作安全出发，起重机的起升机构和变幅机构必须安装常闭式制动器。制动系统的一般工作原理是，利用与机架相连的非旋转元件和与轴（或车轮）相连的旋转元件之间的相互摩擦来阻止轴（或车轮）的转动或转动的趋势。制动一般安装在传动系统的高速轴上。制动器驱动元件必须按照电源电压、频率、环境条件及其对应的机构的工况来选定。对于交流传动系统，走行机构一般采用液压推杆，也可采用短行程制动电磁铁。对于直流传动系统，起升机构应尽量采用串联电磁铁；走行机构采用并联电磁铁。直流串联电磁铁应校验启动第一档电磁铁起始拉力，和最小负载时的电磁铁的吸持力。根据机械设计知识可知：制动静力矩 式中：Q=2630000N 吊重 D3=0.728m 卷绕直径将数据带入可知：Nm其中制动力矩M制=K制M制静 式中：K制=1.25 制动安全系数于是：M制=1.25272.5=341Nm查机械设计手册可知选择YWZ型制动器，即电动液压松闸的块式制动器，型号为：YWZ5-315/E30 制动器查得其制动力矩：250.400Nm3.4 本章小结本章在所给参数的基础上，根据资料和启闭机的选择标准，确定了钢丝绳和卷筒的型号，同时，根据标准还确定了钢丝绳在卷筒上的固定方法。此外，根据机械设计所提供的方法，对卷筒进行了设计计算和校核。另外，根据所提供参数，本章对减速器和制动器以及滑轮的倍率都进行了确定，得到了整个启闭机的基本参数。4 固定卷扬启闭机三维参数化造型设计与装配4.1 solidworks简介随着科技的发展，仅靠二维CAD 技术进行产品设计与开发已不能满足现代设计的需求，人们越来越热衷于产品形象化、实体参数化、设计数字化。三维参数化设计，就是在不同的几何元素或特征之间建立各种尺寸关联或几何约束关系，生成参数化实体模型。具体来说，它可以允许设计者在创立特征时灵活方便地定义特征尺寸，并在特征尺寸之间通过建立数学方程式来建立零件结构之间的相互关联性。尺寸之间的关联可以是模型内部尺寸或设计者自行定义的各种外观参数间的关系，设计者可以通过修改尺寸和模型，由系统自动求解其他尺寸的值，这种方法称为尺寸驱动。参数化设计的最大特点是：它能够更准确地表达设计者的设计意图，便于对模型进行修改。当尺寸被修改时，系统可以保证设计者的设计意图不变，并保持图形的准确与完整；三维实体模型能够更形象直观地表达产品的结构形状、装配关系、工作原理，为后续的设计和分析提供可视化模型。因此，三维参数化设计，不仅可以提高产品的设计效率、缩短产品开发周期、而且可提高产品的设计质量、降低产品开发成本，为企业创造巨大的经济效益和社会效益。 1.软件特点Solidworks软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks 的三大特点，使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。 2.装配设计 在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技