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关键词：: 趸船多工位起重卷扬机设计以及分析优秀优良机械设备全套课程毕业设计 10 cad 图纸

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趸船多工位起重卷扬机的设计和分析【优秀机械设备全套课程毕业设计含10张CAD图纸】

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转动块传动板.dxf

齿轮箱上盖.dxf

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摘要

随着社会的发展，为了提高生产力，机械逐渐取代了人力。而在很久以前发明的卷扬机，更是沿用至今。卷扬机，用卷筒缠绕钢丝绳提升或牵引重物的轻小型起重设备。卷扬机可以垂直提升、水平牵引。

本次设计通过运用自己所学过的专业知识和三维软件使用能力，将趸船多工位起重卷扬机设计出来。主要设计了卷扬机的卷筒、传动轴、卷筒轴、链轮、驱动装置和制动装置。其中卷筒轴、转动块和止动轮的设计最为重要。通过使用 SolidWorks 建立出三维模型，装配。随后对重要部分的零件的受力情况与使用寿命进行分析和计算。其余部由其他同学设计制造。同时，通过这次的设计，巩固了自己 4 年来所学到的知识。

关键词：卷扬机；卷筒；卷筒轴；转动块；止动轮

Design and Simulation of Multi Station Lifting Windlass in Pump Vessel

Li Lang-hui

Abstract

Along with society's development, in order to increase productivity, the machine replaced the manpower generally. Windlass was invented for a long time continue continuously using the production to today. Windlass a series lifting equipment that used the steel wire to twine the reel to hoist or tow the weight.

We learned the design by using their professional knowledge and ability, with 3 d software to barge of multistage lifting hoist design. The main design of the hoist drum, transmission shaft, drum shaft, wheel, drive and brake device. The drum shaft, the design of the turning block and check pulley is most important. By using SolidWorks to create 3 d models, assembly. Then the force of the important parts of the parts and service life analysis and calculation. The rest of the department of design and manufacture by other students. At the same time, through this design, have strengthened their learned knowledge in four years.

Key works: Windlass; barrel arbor; turning block; Check wheel

1.绪论1

2.趸船多工位起重卷扬机的运动原理1

3.传动系统和结构2

4.发动机和变速箱的选择3

4.1 发动机的选择3

4.2 变速箱的选择3

5.传动装置的运动和动力参数3

6.箱体、外支架和底架的设计4

7.卷筒的设计5

8.转动块的设计与分析5

8.1 转动块的结构组成5

8.2 转动块的固定6

8.3 转动块的运动分析6

8.4 摩擦驱动力矩的计算7

9.止动轮的设计与分析8

9.1 转动块的结构组成8

9.2 止动轮的固定9

9.3 止动轮的运动分析9

9.4 止动轮摩擦力矩的计算10

10.卷筒轴的分析和计算11

10.1 选择轴的材料11

10.2 计算齿轮上作用力的大小11

10.3 计算轴承的支反力12

10.4 画弯矩图14

10.5 画扭矩图15

10.6 计算危险截面的计算弯矩15

10.7 校核轴的强度16

11.卷筒轴滚动轴承的选用16

12.卷筒轴上涨紧套连接的选用17

13.起吊重物自由下落时的分析和计算17

13.1 起吊重物从 5m 高度自由下放时的分析和计算18

12.2 起吊重物从 10m 高度自由下放时的分析和计算18

结论及尚存在问题19

参考文献20

致谢21

附录22

趸船多工位起重卷扬机的设计和分析

姓名：李朗辉学号：2010334118班级：10 机械 3 班本次毕业设计主题是通过查阅相关资料与文献卷扬机进行三维设计，利用自己在学校学习到的专业知识，和计算机绘图能力等因素所确立的。

1.绪论

卷扬机，用卷筒缠绕钢丝绳提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称绞车。可单独使用，也可作起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因操作简单、绕绳量大、运输方便且成本低而被广泛使用。主要应于建筑、水利工程、林业、矿山、码头等的物料升降或平拖。

我国的卷扬机生产是解放后才开始的，随着生产的发展，到 60 年代，卷扬机的生产和使用

越来越多。到 70 年代，我国卷扬机进入新的时代技术提高，品种增多，改革开放后，为使卷扬机的设计和生产规范化，国家颁布了各种标准。

在国外卷扬机趋向大型化、采用先进电子技术、发展手提式卷扬机、发展不带动力源装置的卷扬机。

而本设计的趸船多工位起重卷扬机，能够通过绳索控制趸船的吊架在同一时间进行左右和上下方向的运动。

趸船多工位起重卷扬机，包括卷筒、传动装置、转动块和制动装置，卷筒与止动装置的止动轮固定连接，转动块与止动轮间安装有离合装置，所述掣动装置包括包裹在止动轮上掣动张合钢环，掣动张合钢环的一端连接在机架上，另一端与常闭控制锁连接。在止动轮静止或不工作状态时，掣动装置的掣动张合钢环是紧紧包裹掣动轮，阻止卷筒转动的，防止物体从高处堕下，避免意外事故的发生。在止动轮工作状态是，转动块上的张合钢环撑开，压逼着止动轮，使卷筒随同转动块转动。因此具有操作方便，稳定可靠且安全的优点。 2.趸船多工位起重卷扬机的运动原理

卷扬机的基本组成如下图 2-1 所示。卷扬机通过发动机和变速箱，带动卷扬机的输入轴转动。

然后通过齿轮传动带动卷筒轴转动，随后使卷筒转动，拉动绳索，使吊架运动。卷扬机上装有四个卷筒，各个卷筒上装有制动装置和转动块。通过单独对制动装置和转动块的控制，从而实现卷筒的多工位运动。

卷扬机上再加装一对大小链轮，通过液压控制，使链轮运动或停止，从而控制卷筒反方向运动和重物的下降速度。

通过绳索的牵引，使趸船机架可以同时在左右和上下方向运动，从而提高工作的效率。

参考文献

[1] 高中庸，孙学强，汪建晓.机械原理[M].武汉：华中科技大学出版社，2011.

[2] 王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[4] 胡文绩.理论力学[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.

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[6] 唐增宝，常建娥.机械设计课程设计[M].武汉：华中科技大学出版社，2006.

[7] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2011.

[8] 王积伟，章宏甲，黄谊.液压与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2005.

[9] 大连理工大学工程图学教研室编.机械制图[M].北京：高等教育出版社，2007.

[10] 倪鸿启，谷耀新.现代机械设计方法[M].北京：化学工业出版社，2008.

[11] 朱也莉，封超.中文版 solidworks 2012 标准教程[M].北京：中国铁道出版社，2012. [12] 倪鸿启，谷耀新.现代机械设计方法[M].北京：化学工业出版社，2008.

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齿轮箱底座.gif

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内容简介：: Foshan University 本科生毕业设计（论文）趸船多工位起重卷扬机的设计和分析学院：专业：学号：学生姓名：指导教师：（职称）二一四年五月 nts 摘要随着社会的发展，为了提高生产力，机械逐渐取代了人力。而在很久以前发明的卷扬机，更是沿用至今。卷扬机，用卷筒缠绕钢丝绳提升或牵引重物的轻小型起重设备。卷扬机可以垂直提升、水平牵引。本次设计通过运用自己所学过的专业知识和三维软件使用能力，将趸船多工位起重卷扬机设计出来。主要设计了卷扬机的卷筒、传动轴、卷筒轴、链轮、驱动装置和制动装置。其中卷筒轴、转动块和止动轮的设计最为重要。通过使用 SolidWorks 建立出三维模型，装配。随后对重要部分的零件的受力情况与使用寿命进行分析和计算。其余部由其他同学设计制造。同时，通过这次的设计，巩固了自己 4 年来所学到的知识。关键词：卷扬机；卷筒；卷筒轴；转动块；止动轮 I ntsII Design and Simulation of Multi Station Lifting Windlass in Pump Vessel Li Lang-hui Abstract Along with societys development, in order to increase productivity, the machine replaced the manpower generally. Windlass was invented for a long time continue continuously using the production to today. Windlass a series lifting equipment that used the steel wire to twine the reel to hoist or tow the weight. We learned the design by using their professional knowledge and ability, with 3 d software to barge of multistage lifting hoist design. The main design of the hoist drum, transmission shaft, drum shaft, wheel, drive and brake device. The drum shaft, the design of the turning block and check pulley is most important. By using SolidWorks to create 3 d models, assembly. Then the force of the important parts of the parts and service life analysis and calculation. The rest of the department of design and manufacture by other students. At the same time, through this design, have strengthened their learned knowledge in four years. Key works: Windlass; barrel arbor; turning block; Check wheel ntsIII 目录 1.绪论 1 2.趸船多工位起重卷扬机的运动原理 1 3.传动系统和结构 2 4.发动机和变速箱的选择 3 4.1 发动机的选择 3 4.2 变速箱的选择 3 5.传动装置的运动和动力参数 3 6.箱体、外支架和底架的设计 4 7.卷筒的设计 5 8.转动块的设计与分析 5 8.1 转动块的结构组成 5 8.2 转动块的固定 6 8.3 转动块的运动分析 6 8.4 摩擦驱动力矩的计算 7 9.止动轮的设计与分析 8 9.1 转动块的结构组成 8 9.2 止动轮的固定 9 9.3 止动轮的运动分析 9 9.4 止动轮摩擦力矩的计算 10 10.卷筒轴的分析和计算 11 10.1 选择轴的材料 11 10.2 计算齿轮上作用力的大小 11 10.3 计算轴承的支反力 12 10.4 画弯矩图 14 10.5 画扭矩图 15 10.6 计算危险截面的计算弯矩 15 10.7 校核轴的强度 16 11.卷筒轴滚动轴承的选用 16 12.卷筒轴上涨紧套连接的选用 17 13.起吊重物自由下落时的分析和计算 17 13.1 起吊重物从 5m 高度自由下放时的分析和计算 18 12.2 起吊重物从 10m 高度自由下放时的分析和计算 18 结论及尚存在问题 19 ntsIV 参考文献 20 致谢 21 附录 22 nts1 趸船多工位起重卷扬机的设计和分析姓名：李朗辉学号： 2010334118 班级： 10 机械 3 班本次毕业设计主题是通过查阅相关资料与文献卷扬机进行三维设计，利用自己在学校学习到的专业知识，和计算机绘图能力等因素所确立的。 1.绪论卷扬机，用卷筒缠绕钢丝绳提升或牵引重物的轻小型起重设备，又称绞车。可单独使用，也可作起重、筑路和矿井提升等机械中的组成部件，因操作简单、绕绳量大、运输方便且成本低而被广泛使用。主要应于建筑、水利工程、林业、矿山、码头等的物料升降或平拖。我国的卷扬机生产是解放后才开始的，随着生产的发展，到 60 年代，卷扬机的生产和使用越来越多。到 70 年代，我国卷扬机进入新的时代技术提高，品种增多，改革开放后，为使卷扬机的设计和生产规范化，国家颁布了各种标准。在国外卷扬机趋向大型化、采用先进电子技术、发展手提式卷扬机、发展不带动力源装置的卷扬机。而本设计的趸船多工位起重卷扬机，能够通过绳索控制趸船的吊架在同一时间进行左右和上下方向的运动。趸船多工位起重卷扬机，包括卷筒、传动装置、转动块和制动装置，卷筒与止动装置的止动轮固定连接，转动块与止动轮间安装有离合装置，所述掣动装置包括包裹在止动轮上掣动张合钢环，掣动张合钢环的一端连接在机架上，另一端与常闭控制锁连接。在止动轮静止或不工作状态时，掣动装置的掣动张合钢环是紧紧包裹掣动轮，阻止卷筒转动的，防止物体从高处堕下，避免意外事故的发生。在止动轮工作状态是，转动块上的张合钢环撑开，压逼着止动轮，使卷筒随同转动块转动。因此具有操作方便，稳定可靠且安全的优点。 2.趸船多工位起重卷扬机的运动原理卷扬机的基本组成如下图 2-1 所示。卷扬机通过发动机和变速箱，带动卷扬机的输入轴转动。然后通过齿轮传动带动卷筒轴转动，随后使卷筒转动，拉动绳索，使吊架运动。卷扬机上装有四个卷筒，各个卷筒上装有制动装置和转动块。通过单独对制动装置和转动块的控制，从而实现卷筒的多工位运动。卷扬机上再加装一对大小链轮，通过液压控制，使链轮运动或停止，从而控制卷筒反方向运动和重物的下降速度。通过绳索的牵引，使趸船机架可以同时在左右和上下方向运动，从而提高工作的效率。 nts2 Z5 i2 V Z6 i3 V i3 Z5 i3 Z4 Z2 III A II i1 Z1 I Z6 i2 A Z4 V Z2 IV III Z3 II 3.传动系统和结构图 2-1 卷扬机的基本组成机械传动装置位于原动机和工作机之间，用以传递运动和动力或改变运动方式。所以，传动装置方案设计是否合理，对整个机械的工作性能、尺寸、重量和成本等影响很大，因此传动方案设计是整个机械设计中最关键的环节。齿轮传动具有承载能力大、效率高、允许速度高、尺寸紧凑、寿命长等特点，因此在传动装置中采用齿轮传动。在设计多级传动的传动装置时，分配传动比是设计中的一个重要问题。传动比分配得不合理，会造成结构尺寸大、相关尺寸不协调、成本高、制造和安装不方便等问题。因此，卷扬机中各齿轮的齿数、模数和传动比如表 3-1 所示。趸船多工位起重卷扬机的传动方案如图 3-1 所示。表 3-1 各齿轮的齿数和模数齿轮 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 齿数 7 37 29 66 30 51 模数外购（日野） m=12 m=16 传动比 i1 = 5.286 i2 = 2.276 i3 =1.700 VI VI 图 3-1 传动系统机构运动简图发动机变速箱nts3 4.发动机和变速箱的选择 4.1 发动机的选择发动机选用玉柴 YC6M280 型号柴油机，主要技术参数为：（ 1）标定功率 /转速（ kW/ r/min）： 206/2100；（ 2）最大扭矩 /转速（ Nm/ r/min）： 1180/1600；（经计算，当转速为 1600r/min，输出最大扭矩 1180 Nm 时，输出功率为 197.8kW）（ 3）净质量（ kg）： 880；（ 4）排放：国 /国。图 4-1 YC6M280 型号发动机转速扭矩（功率）特性曲线参考图 4.2 变速箱的选择发动机选用东风汽车变速箱有限公司的 DF8S1200 系列产品中型号为 17ND-00030 的变速箱，其主要技术参数为：（ 1）额定输入扭距（ Nm）： 1200；（ 2）外形总长（ mm）： 824-842；（ 3）总成质量（ kg）： 260-275；速比：变速箱各档位速比见表 4-1。表 4-1 东风 17ND-00030 型变速箱各档位速比档位八档七档六档五档四档三档二档一档倒档速比 1 1.338 1.911 2.996 3.913 5.235 7.477 11.702 9.927 5.传动装置的运动和动力参数各轴的运动和动力参数汇总于表 5-1。表 5-1 各轴的运动和动力参数轴号转速 n/(r/min) 功率 P/（ kW）转矩 T/(Nm) 最高最低最小最大 I 2100 179.5 206 936.8 10959.9 II 397.3 34 187.8 4517.6 52749.7 III 397.3 34 184 4422.9 51682.4 nts4 IV 397.3 34 180.4 4336.3 50671.2 V 174.57 14.9 169.7 9293.6 108767.4 VI 102.69 8.8 156.5 14516.07 169838.1 卷筒卷筒所需驱动转矩 T dgM （ 5-1）当起吊重物重心距卷筒中心最大（ 450mm），起吊重物的质量为 12 吨时，由式（ 5-1）得卷筒所需要的驱动转矩为 T卷筒 0.459.812000 52920N m 。卷筒轴输出转矩最小为 14516.07Nm，最大为 169838.1Nm，故选用的发动机和变速箱合适。起吊重物的速度 v d nd 2 (5-2) 当卷筒轴转速最高，且钢丝绳距卷筒中心最大（ 450mm）时，起吊重物速度 v 最大，则由式（ 5-2）得 v最大 102.69 900 290 349mm/min 4.84m/s 。当卷筒轴转速最低，且钢丝绳距卷筒中心最小（ 230mm）时，起吊重物速度 v 最小，则由式（ 5-2）得 v最小 8.8460 12 717mm/min 0.212m/s 。结论：选用的发动机和变速箱合适。 6.箱体、外支架和底架的设计图 6-1 箱体外支架和底架结构箱体、外支架和底架的结构如上图 6-1。箱体包括齿轮箱底座、齿轮箱上盖和外置齿轮箱。箱体是减速器中所有零件的基座，是支承和固定轴系部件、保证传动零件的正确相对位置并承受作用在减速器上载荷的重要零件。箱体底座还兼作润滑油的油箱，具有充分润滑和很好密封箱内零件的作用。为了保证传动零件的正确对位，底座与箱盖合箱后，边缘应平齐，相互错位每边不得大于 1mm，轴承孔中心线与剖分面的不重合度应小于 0.15mm。为了便于轴系部件的安装和拆卸，箱体做成剖分式，由箱体和箱盖组成，取轴的中心所在平面为剖分面。箱座和箱盖采用普通螺栓连接，用圆锥销定位。箱体采用钢板焊接而成，箱体上的轴承支座也采用焊接的方式与箱体连接在一齐。 nts5 底架用于箱体和卷筒的固定，因此采用槽钢焊接而成。为了保证箱体强度，焊缝均为坡口是 5mm 的连续焊缝，焊缝不允许有影响强度的裂纹、夹渣、虚焊等缺陷。而且箱体的密封度必须保证箱体内部灌装润滑油后不出现渗漏。底座与箱盖和外置齿轮箱结合后，先打上定位销，并用螺栓紧固，再进行镗孔和孔端面的加工。卷筒轴外支架是支撑卷筒的重要零件之一，因此使用高强度的钢板焊接在一齐。为了满足卷筒轴的运动，支架上焊有轴承支座。它与底架采用螺栓与螺母的方式连接。 7.卷筒的设计图 7-1 卷筒的剖面图图 7-2 卷筒的三维设计卷筒的三维图如上图 7-1 和图 7-2 所示。在卷筒的制造上，因为尺寸精度要求不会太高，因此我们选用铸造的方法来制造，但为了保证卷筒的强度，铸件不能有冷隔、裂纹、缩孔和疏松等缺陷。为了满足卷筒的容绳量，卷筒的外直径为 1080mm,内筒直径为 460mm。 8.转动块的设计与分析 8.1 转动块的结构组成转动块的组成如下图 8-1，膨紧箍液压缸的组成如下图 8-2 所示。 1-驱动传动板； 2-膨紧箍液压缸； 3-小压缩弹簧； 4-大压缩弹簧 5-压簧杆座； 6-膨紧箍驱动臂； 7-卷筒； 8-膨紧箍； 9-摩擦片图 8-1 转动块的组成 nts6 8.2 转动块的固定 1-液压缸缸体； 2-活塞； 3-油缸顶杆； 4-固定螺母 5-顶杆连接轴； 6-驱动传动板图 8-2 膨紧箍液压缸图 8-3 转动块的固定转动块通过膨紧套固定在卷筒轴上。 8.3 转动块的运动分析图 8-4 转动块的三维图转动块的三维图如上图 8-4 所示。转动块通过胀紧套使传动板与卷筒轴连接，让转动块随着 nts7 Y F q X O 145 F Y dFN d X 72.5d 卷筒轴的转动而转动。当卷筒需要进行运动的时候，通过液压缸的增压，由油缸顶杆通过顶杆连接轴，推动驱动臂，使膨紧箍向外弯曲变形，压紧在卷筒上，同时止动轮上的油缸降压，使刹车膨紧箍与卷筒分离，从而带动卷筒的转动。当卷筒静止时，控制液压缸降压，压缩状态的的大压缩弹簧还原变形，使驱动臂往回收，膨紧箍向里弯曲变形，压缩状态的的小压缩弹簧还原变形，使压簧杆座回收，使摩擦片与与卷筒分离，转动块空转，卷筒通过制动装置的控制，停止运动。 8.4 摩擦驱动力矩的计算卷筒通过转动块驱动，转动块上装有英国 Ferodo 摩擦片，摩擦片通过油缸压紧在卷筒止车轮毂的内圆柱面上，使卷筒随转动块转动。摩擦片与轮毂的摩擦系数为 0.46，温度范围在 0C 到 800C。转动块驱动摩擦片（一半）的计算简图如图 8-4 所示。油缸压力油的压力 F P d 4 （ 8-1）设油缸压力油的压力为常用的 100kgf，即 10MPa，则由式（ 8-1）得作用在摩擦片上的推力为 F 10 80 4 50265N 。 O （ a）受力分析图（ b）微段计算图图 8-5 转动块驱动摩擦片（一半）计算简图已知卷筒摩擦圆柱面直径为 840mm，设摩擦片与轮毂均匀接触，接触面上单位长度正压力为 q N/mm，则正压力水平分力的合力与油缸作用在摩擦片上的推力 F 相平衡。取摩擦片一微段带 dl 如图 3(b)，则有 dFN qdl （ 8-2）由式（ 8-2）得 2F qdlcos dq sin72.5sin(72.5)840q sin72.5sin(72.5)801q 。 72.5 2 2 则该段上的正压力 q 2 50265 125.5N/mm 。 801 摩擦片的摩擦力矩 T q f （ 8-3） 2 180 2 由式（ 8-3）得转动块的摩擦片能够产生的摩擦力矩为 T 0.63125.50.46 8402 25663N m 。 d 2 2 nts8 则转动块的驱动力矩 2T 为 51326Nm，即卷筒的驱动力矩为： T卷筒 2T 51326N m 。由式（ 5-1）得 M T dg （ 8-4）设当起吊重物重心距卷筒中心为最大（ 450mm）时，可起吊重物的质量为 M 最小，则由式（ 8-4） M 最小 51326 11639kg 。 0.459.8 设当起吊重物重心距卷筒中心为最小（ 230mm）时，可起吊重物的质量为 M 最大，则由式（ 8-4） M 最大 51326 22771kg 。 0.239.8 即大卷筒可起吊重物的重量至少为 11639kg。若欲使起吊重物的重量至少为 12000kg，则需提高液压缸压力油的压力，由式（ 5-1）得，此时卷筒所需转矩 T卷筒 0.459.812000 52920N m 。转动块的摩擦片能够产生的摩擦力矩（一半）为 T 52920 26460N m 。 2 由式（ 8-3）得，摩擦片与轮毂接触面上单位长度正压力 q 264601000 0.630.468402 129.4N/mm。由式（ 8-2）得，油缸作用在摩擦片上的推力 F 801q 51825N 。 2 由式（ 8-1）得，油缸压力油的压力 p 4F d 2 4 51825 10.3MPa 103kgf 。 802 由于油缸压力油的压力最高可达到 120kgf，故要使大卷筒起吊重物的重量达到 12 吨，仍然有一定的富裕量。 9.止动轮的设计与分析 9.1 转动块的结构组成止动轮装置的组成如下图 9-1 和图 9-2 所示。 1-卷筒刹车箍； 2-卷筒； 3-摩擦片； 4-刹车固定梁； 5-油缸； 6-固定梁支座图 9-1 止动轮的组成得得 nts9 9.2 止动轮的固定 1-油缸螺杆； 2-螺杆套筒； 3-油缸缸体； 4-油缸弹簧； 5-油缸活塞； 6-油缸导向套； 7-挡圈螺母图 9-2 刹车油缸的组成图 9-3 止动轮的固定如上图 9-1 和图 9-3 所示，止动轮的一端由螺栓和螺母通过固定梁和固定梁支座固定在底架上，另一端用常控锁连接在卷筒上。 9.3 止动轮的运动分析图 9-4 止动轮的三维图止动轮的三维图如上图 9-1 和图 9-4 所示。当卷筒运动时，控制液压缸增，通过油缸螺杆撑开刹车膨紧箍，使刹车膨紧箍向外弯曲变形，使摩擦片与与卷筒分离，同时，转动块上弹液压缸压力增大，使驱动膨紧箍压紧卷筒，从而使卷筒进入工作状态。当卷筒需要静止的时候，通过对刹车油缸的减压，压缩状态的油缸弹簧还原变形，拉紧刹车 nts10 Y q X O 25 F F Y dFN d X O 25 4 4 膨紧箍，使膨紧箍向内弯曲变形，使摩擦片压紧在卷筒上，同时，转动块上的液压缸压力降低，驱动膨紧箍与卷筒分离，从而使卷筒静止。 9.4 止动轮摩擦力矩的计算卷筒两侧装有止动轮，通过止动轮外包裹的张合钢环刹车，张合钢环上装有英国 Ferodo 摩擦片，摩擦片通过油缸压紧在止动轮的外圆柱面上。摩擦片与止动轮的摩擦系数为 0.46，温度范围在 0C 到 800C。一侧张合钢环上的刹车摩擦片的计算简图如图 9-5 所示。（ a）受力分析图（ b）微段计算图图 9-5 止动轮刹车摩擦片计算简图油缸产生的液压张力 D2 d 2 （ 9-1） F张力 p4 4 张合钢环油缸的缸径 D 为 100mm，活塞杆直径 d 为 60mm，设压力油的压力 p 为 50kgf，即 5MPa，由式（ 9-1）得，作用在张合钢环上的液压张力 F 张力为： F 5 100 60 2 25133N 张力作用在张合钢环上的弹簧合力 F 弹簧应小于液压张力 F 张力。已知卷筒止动轮摩擦圆柱面直径为 1080mm，设摩擦片与止动轮均匀接触，接触面上单位长度正压力为 q N/mm，则正压力竖直分力的合力与作用在张合钢环上的弹簧合力 F 弹簧的竖直合力平衡。取摩擦片一微段带 dl 如图 9-5(b)。由式（ 8-2）得 2F弹簧 Sin12.5234q 则摩擦片接触面上单位长度正压力 q 2F 弹簧 Sin12.51.85103 F 234 弹簧 N/mm 。（ 9-2）由式（ 8-3）得止动轮摩擦片能够产生的摩擦力矩为： T 1.449F弹簧 N m 。由于卷筒两侧均有止动轮，故止动轮的刹车力矩 2T 为 2.898F 弹簧 Nm，即卷筒的止动轮的刹车力矩为： T止动轮 2T 2 1.449F弹簧 N m 2.898F弹簧 N m 。设当起吊重物重心距卷筒中心为最大（ 450mm）时，可刹住起吊重物的质量为 M 最小，则由。 2 nts11 F 式（ 5-1）得 M T止动轮最小 0.45g 2.898F弹簧 0.459.8 0.657 F弹簧 kg 。即卷筒可刹住的起吊重物重量至少为 0.657F 弹簧 kg。若欲使起吊重物的重量至少为 12000kg，则此处压缩弹簧所产生的压力为弹簧 12000 18265N 。 0.657 即欲将 12 吨的起吊重物刹住，油缸处弹簧的预紧力要大于 18265N。 10.卷筒轴的分析和计算在这个卷扬机上，卷筒轴起着重要的作用，它是整个机器的输出轴，是直接带动卷筒和重物运动的物体，所以卷筒轴的设计尤为重要。卷筒轴的装配图如下图 10-1。 1-卷筒； 2-深沟球轴承 6230； 3-卷筒轴； 4-大链轮； 5-深沟球轴承 6232； 6-卷筒轴齿轮； 7-圆锥滚子轴承 32236 图 10-1 卷筒轴装配图 10.1 选择轴的材料卷筒轴选用调质处理的 45 钢，其抗拉强度极限 b=640MPa，对称循环的许用弯曲应力 -1b =60MPa。 10.2 计算齿轮上作用力的大小齿轮分度圆直径 d mz 则，由式（ 10-1）得卷筒轴上大齿轮的分度圆直径为 d 16 51 816mm 。（ 10-1）在起吊重量为 12 吨、钢丝绳距卷筒中心 450mm 时，齿轮传递的转矩最大，即 T最大 T卷筒轴 52920N m 。齿轮的圆周力 F 2T （ 10-2） t 则由式（ 10-2）得，卷筒上大齿轮的圆周力 d F 2 52920 1000 129706N 。齿轮的径向力 t 816 Fr Fttan （ 10-3） nts12 d 4 4 则由式（ 10-3）得，卷筒上大齿轮的径向力 Fr 129706 tan2047209N 。当一侧卷筒吊起 12 吨重物并刹停，另一端卷筒正在吊起 12 吨重物时，卷筒轴的受力最大，其所受载荷示意图如图 9-2 所示，图中 L1 150mm， L2 130mm， L3 828mm， L4 401mm， L5 150mm， L6 313mm。 10.3 计算轴承的支反力图 10-2 卷筒轴受力示意图设从左至右滚动轴承的支反力分别为 RA、 RB、 RC 和 RD，则卷筒轴计算简图如图 10-3 所示。由于卷筒轴所受径向力左右基本对称，因此可近似认为 RA=RD， RB=RC。图 10-3 卷筒轴计算简图由于该轴为静不定结构，不能由静力学平衡方程解出，须利用变形协调方程。现假设解除 B 处支承，以支反力 RB 来代替，以（ fB） I、（ fB） II、（ fB） III、（ fB） IV、（ fB） V、（ fB） B、（ fB） C 分别表示轴上 I、 II、 III、 IV、 V、 B、 C 处载荷各自单独作用时 B 处的挠度，由于 B 处实际为轴承支承，不应有垂直位移，则 fB (fB )I (fB )II (fB )III (fB )IV (fB )V (fB )B (fB )C 0 （ 10-4）轴的截面惯性矩 I （ 10-5） 64 查手册知 45 钢弹性模量 E 210GPa，轴径取平均值 160mm，由式（ 10-5）得卷筒轴的截面惯性矩 I 160 32169909mm4 。 64 则，刚度系数 EI 210 103 32169909 6.76 1012 N mm2 。轴上 I 处载荷单独作用时 B 处的挠度 Pb l 3 （ 10-6） fB I 6EIl b x al 2 b2 x x3 nts13 B 已知 P 60000N 、 x L1 L2 L3 L4 150 130 828 401 1509mm 、 l 3481mm 、 a L1 L2 150 130 280mm 、 b l a 3481280 3201mm 。由式（ 10-6 ）得，轴上 I 处载荷单独作用时 B 处的挠度为： f 60000 3201 3481 1509 2803 34812 32012 1509 15093 1.912mm 。 B I 6 6.76 1012 3481 3201 轴上 II 处载荷单独作用时 B 处的挠度 Pb l 3 （ 10-7） fB II 6EIl b x al 2 b2 x x3 已知 P 60000N 、 x L1 L2 L3 L4 150 130 828 401 1509mm 、 l 3481mm 、 a L1 L2 L3 150 130 828 1108mm 、 b l a 34811108 2373mm 。由式（ 10-7 ）得，轴上 II 处载荷单独作用时 B 处的挠度为： f 6000 2373 3481 1509 11083 34812 23732 1509 15093 6.501mm 。 B II 6 6.76 1012 3481 2373 轴上 B 处载荷单独作用时 B 处的挠度 fB B Pbx l 2 x2 b2 6EIl （ 10-8）已知 P RB 、 x L1 L2 L3 L4 150 130 828 401 1509mm 、 l 3481mm 、 a L1 L2 L3 L4 150 130 828 401 1509mm 、 b l a 34811509 1972mm 。由式（ 10-8 ）得，轴上 B 处载荷单独作用时 B 处的挠度为： fB B RB 1972 1509 6 6.76 1012 3481 34812 15092 19722 1.25104 R mm 。轴上 III 处载荷单独作用时 B 处的挠度 fB III Pbx l 2 x2 b2 6EIl （ 10-9）已知 P 47209N 、 x L1 L2 L3 L4 150 130 828 401 1509mm 、 l 3481mm 、 a L1 L2 L3 L4 L5 150 130 828 401150 1659mm 、 b l a 34811659 1822mm 。 f 由式（ 10-9 ）得，轴上 III 处载荷单独作用时 B 处的挠度为： 47209 1822 1509 34812 15092 18222 6.005mm 。 B III 6 6.76 1012 3481 轴上 C 处载荷单独作用时 B 处的挠度 fB C Pbx l 2 x2 b2 6EIl （ 10-10）已知 P RC 、 x L1 L2 L3 L4 150 130 828 401 1509mm 、 l 3481mm 、 nts14 C B C 4 a L1 L2 L3 L4 L5 L6 150 130 828 401150 313 1972mm 、 b l a 3481 1972 1509mm 。由式（ 10-10 ）得，轴上 III 处载荷单独作用时 B 处的挠度为： fB C RC 1509 1509 6 6.76 1012 3481 34812 15092 15092 1.22 104 R mm 。轴上 IV 处载荷单独作用时 B 处的挠度 fB IV Pbx l 2 x2 b2 6EIl （ 10-11）已知 P 60000N 、 x L1 L2 L3 L4 150 130 828 401 1509mm 、 l 3481mm 、 a L1 L2 L3 L4 L5 L6 L4 150 130 828 401150 313 401 2373mm 、 b l a 34812373 1108mm 。由式（ 10-11 ）得，轴上 IV 处载荷单独作用时 B 处的挠度为： fB IV 60000 1108 1509 34812 15092 11082 6.119mm 。 6 6.76 1012 3481 轴上 V 处载荷单独作用时 B 处的挠度 fB V Pbx l 2 x2 b2 6EIl （ 10-12）已知 P 60000N 、 x L1 L2 L3 L4 150 130 828 401 1509mm 、 l 3481mm 、 a l L1 L2 3481150 130 3201mm 、 b l a 34813201 280mm 。由式（ 10-12 ）得，轴上 V 处载荷单独作用时 B 处的挠度为： fB V 60000 280 1509 6 6.76 1012 3481 34812 15092 2802 1.753mm 。由式（ 10-4）得， 1.912 6.5016.005 6.119 1.753 1.25104 R 1.22 104 R 0 从 RB RC 得， RB RC 9.024 10 N 。列静力平衡方程，有 2RA 2RB 4 60000 47209 。即， RA RB 143604.5 。解得， RA RD 53364.5N 。 10.4 画弯矩图轴上截面 I 处的弯矩 MI RA L1 L2 由式（ 10-13）得， MI 53364.5150 13014 942N m 。轴上截面 II 处的弯矩（ 10-13） MII RA L1 L2 L3 6000L3 （ 10-14） nts15 B 由式（ 10-14）得， MII 53364.5(150 130 828) 60000 828 9 448N m 。轴上截面 B 处的弯矩 MB RA L1 L2 L3 L4 60000L3 L4 60000L4 （ 10-15）由式（ 10-14）得， M 53364.5150 130 828 40160000 828 40160000 401 17273N m 轴上截面 III 处的弯矩 M III RA L1 L2 L3 L4 L5 6000L3 L4 L5 6000L4 L5 RB L5 （ 10-16）由式（ 10-14）得， MIII 53364.5150 130 828 40115060000 828 40115060000 40115090240 150 13732N m 轴上截面 C 处的弯矩： MC MB 17273N m 。轴上截面 IV 处的弯矩： M IV M II 9448N m 。轴上截面 V 处的弯矩： MV MI 14942N m 。画出弯矩图如图 10-4 轴的强度计算所示。 10.5 画扭矩图图 10-4 轴的强度计算 T 52920N m 画出扭矩图如图 10-4 轴的强度计算所示。 10.6 计算危险截面的计算弯矩轴上危险截面的弯矩 nts16 M 2 T 2 149422 0.6 529202 172732 0.6 529202 I B B d I d I M （ 10-17）由图 10-4 轴的强度计算可知，轴的危险截面在 I 处和 B 处。由于起吊重物时卷筒轴单向回转，视扭矩为脉动循环， 1b 0.6 。 0b 由式（ 10-17）得，轴上危险截面 I 处的当量弯矩： MeI 35092N m 。轴上危险截面 B 处的当量弯矩： MeB 36146N m 。 10.7 校核轴的强度 45 调质静应力状态下的许用弯曲应力 1b 215MPa ，对称循环状态下的许用弯曲应力 1b 60MPa 。轴上危险截面 I 处的强度校核：轴上危险截面 I 处的轴径 dI=130mm，故 MeI WI MeI 0.1d 3 35092 10 0.11503104MPa 。则， 1b ,1b 。即截面 I 处静强度满足要求，但对称循环状态强度不满足要求。若使对称循环状态的强度满足要求，则 MeI MeI 。 3 1b WI 0.1dI 即 3 MeI 0.11b 3 35092 10 0.160 180.2mm 。轴上危险截面 B 处的强度校核：轴上危险截面 B 处的轴径 dB=180mm，故 MeB WB MeB 1.1 d 3 36146 10 0.1180362MPa 。则， 1b ,1b 。即截面 B 处静强度满足要求，但对称循环状态强度不满足要求。若使对称循环状态的强度满足要求，则 MeB MeB WB 0.1d 3 1b 即， 3 MeB 0.11b 3 36146 10 0.160 182mm 。结论：原设计卷筒轴静强度满足要求，但对称循环状态强度不满足要求。建议卷筒处轴承轴径设计为 185mm，齿轮箱处轴承轴径设计为 200mm。 11.卷筒轴滚动轴承的选用卷筒轴齿轮箱处支承轴承现选用的为圆锥滚子轴承，代号为 32236。 3 3 3 3 nts17 张力卷筒轴外支架处支承轴承现选用的为调心滚子轴承，代号为 23226。卷筒处支承轴承现选用的为深沟球轴承，代号为 6232 和 6230。现三处滚动轴承的静强度和预期寿命均满足要求，但两处使用深沟球轴承处轴承预期寿命偏短，可考虑使用圆锥滚子轴承。 12.卷筒轴上涨紧套连接的选用图 12-1 Z4 型膨紧套为了满足卷筒轴与卷筒和转动块的挤压强度，在这个卷扬机的设计上，我采用了膨紧套这种无键连接方式。如上图 12-1 所示，当拧紧螺母时，在轴向压力作用下，两个弹性钢环压紧，内环缩小而箍紧轴，外环胀大而撑紧殻，于是轴与内环、内环与外环、外环与殻在接触面间产生很大的正压力，利用此压力所引起的摩擦力矩来传递载荷。但由于要在轴和殻之间安装，轴轴和殻之间的尺寸影响，所以，我选择了以下两种尺寸的膨紧套：安装齿轮处卷筒轴直径为 200mm，现选用 200* 270 Z4 型膨紧套。安装转动块处卷筒轴直径为 150mm，现选用 200* 270 Z4 膨紧套。 13.起吊重物自由下落时的分析和计算设卷筒上钢丝绳最大外层直径 D=800mm，起吊重物质量 M=10000kg，卷筒止动轮上可以产生的最大摩擦力矩为 T 止动轮，其受力示意图如图 13-1 所示。图 13-1 卷筒运动受力示意图由前述止动轮摩擦力矩的计算可知， T止动轮 2.898F弹簧，而 F弹簧 F张力， F 张力为作用在张合钢环上的液压力。当张

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