JX02-110@建筑卷扬机及其排绳机构的设计
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机械毕业设计全套
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JX02-110@建筑卷扬机及其排绳机构的设计,机械毕业设计全套
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1 1 绪 论 1.1 建筑卷扬机的简介 自从 1955年沈阳国泰矿山机械厂试制了 10马力 (约 7.5kw)单筒卷扬机，我国的建筑卷扬机生产已有近 50年的历史，而真正定型生产还是在 7O年代初的事。 80年代初我国的建筑卷扬机技术的研究才活跃起来，但和国外的建筑卷扬机技术相比落后至少 3O年。在 8O年代以前，我国还没有制定有关建筑卷扬机的国家标准，产品规格五花八门，结构与技术的维持基本上是根据日本 JIS8OOl等 40年代落后标准及按苏联图纸制造的 1Oll、 1012等落后机型，进展十分缓慢。 80年代以后，是我国建筑卷扬机 设计制造技术发展最快的时期。国家也制定了有关建筑卷扬机的配套标准、规范。 1985年底，由行业组织 9厂 1所 1校共同参加的卷扬机产品系列设计，使卷扬机的性能参数与经济效益结合指标达到了较为统一的水平，也给使用和维修带来了方便，促进了卷扬机的更新换代。然后新产品种数达到近十个，其中最具有代表性的产品有福建省建筑机械厂的行星传动卷扬机、昆明建筑机械厂的少齿差传动卷扬机、长沙建筑机械研究所与福州市建筑机械厂联合开发的仿日本 Seibu公司采用立式齿轮传动的电控卷扬机广州市一建公司机械厂的高速卷扬机适应高层建筑的多功能 需要，而江苏海门第三机械厂引进专利技术开发的系列多排顶杆蠕动传动的卷扬机分为三大系列：即电控、手控和微机程控三大类，其性能优于代表国际先进承平的 Seibu“一 ”字型卷扬机，使我国的建筑卷扬机技术跨入世界先进行列。 Stocky系列卷扬机采用多排顶杆蠕动减速装置，并将该减速装置直接设置于卷筒内，使设计的卷扬机达到体积小、重量轻、过载能力大、节省能源、工作安全可靠。根据用户使用反映卷扬机采用锥形制动电机后，由于一般建筑工地离变压器较远，电缆压降较大，时常出现制动器释放不开，使得卷扬机不能正常工作，因此又设计了一种 采用普通 Y系列的、带制动器的 “一 ”字型卷扬机，将多排顶杆蠕动传动应用在建筑卷扬机中，当时使我国的卷扬机技术一改几nts 2 十年一贯制的落后状态，一跃跨入世界先进行列，该产品的整机组合合理，结构紧凑，重量轻，过载能力强，工作安全可靠其中传动方式部分的设计构思独特、新颖、受力均匀、合理，当时属国内外首创。 Rotzler公 司， I 型卷扬机设计用于汽车装载机和船舶起重机，也可用于打井机和特种提升设备。重量轻尺寸紧凑的结构可提高起重机起重能力， I 卷扬机减速箱的扭矩不断受到检测，并借助一种新型电子检测控制装置 (MCD)将检 测结果转换为线性模拟信号。该信号可整合到任何起重机的电子控制系统中，使司机随时能够精确测定卷扬机的负荷。利用该线性信号，在卷扬机负荷超过 90 额定值时还可发出声音或图象警示。当卷扬机提升或放下重物时，或当制动使重物静止时测定减速箱扭矩。新型电子控制系统可用来确定最低吊钩位置，防止操作者误操作使钢绳缠绕圈数少于安全必需的 3圈。该卷扬机有 3种规格，提升力 7 KN、 10KN和 19 KN， 最小型号重 50Kg，长 320 rain，宽 280 rain，高 280 rain 。 Demag公司推出了一种能频繁、快速进行提升作 业的高速提升装置。一种能以 70m min的提升速度提升 80kg物体，另一种以 35m min的提升速度提升 1 60 kg物体。这种装置的速度是 Demag DS1卷扬机的 5倍。可用于发货中心的货物码。联合动力产品公司 (APPI)研制开发了一种带式葫芦和卷扬机系列产品，它用高强度编织带代替传统的钢丝绳或起重环链，能消除载荷回转、钢丝绳缠绕等问题，具有便于搬运、安装和检查等优点。该公司还可根据用户的要求，提供电动机、液压马达和气动马达作为传动部件，这种带式葫芦的最大起重量为 2.5 t， 带式卷扬机为 5.4t。 为了适 应我国建设任务具有量大、面广、分散等特点，以及劳力资源丰富，财力不足以及贯彻执行机械化、半机械化与改良工具相结合的方针，实行多层次的装备政策和 近期内以发展中、小型机械为主的方针要求，设计符合我国国情的新的卷扬机势在必行，也是迫在眉睫的事。 随着微机技术在世界的改变及在电路中的智能化， PLC 在电路中的运用得到了广泛的应用 ,而它可靠性高、能经受恶劣环境的 考验、使用极方便的巨大优越性，迅速占领工业自控领域，成为工业自 动控制的首选产品，与机动人、 CDM/CAM并称为工业生产自动化的三 大 支柱。 nts 3 1.2 设计方法或技术 路线： 1.2.1 设计要求 1）设计一台带排绳机构的卷扬机 2）要求能提升 5 吨的物体 1.2.2 各零部件的设计 1）电动机的功率计算及选用： 电动机的选取原则是在确保最大工作载荷转矩的前提下，尽量选取最小功率值的电动机。同时充分发挥电动机容许的最大启动转矩能力，以适应启动时所需转矩值的增大，为此应优先选用启动转矩和短时过载系数大的电动机。 2）减速箱的参数设计与选用： 减速箱的选择主要根据齿面性能，传动比等方面进行选择。本设计中选择硬齿面及合适的传动比减速器作为卷扬机的选型方案，其传动比需满足设计要求。 3）卷扬机滚筒及排绳机构的设计： 卷扬机滚筒的选择主要 包括结构设计和强度设计，强度设计主要是考虑弯曲校核、扭矩校核和寿命校核。 4）电动机控制线路的设计及卷扬机钢丝绳的选择： 卷扬机绳径的选择依据是 JG T503 193建筑卷扬机设计规范 4 1 1条，根据安全系数来确定的。控制线路的设计实现 三相异步电机的正、反转、快转和慢转的要求。 1.2.3 拟采用的方法或技术路线 1）动力及传动部分 采用合适的三相异步电机，通过减速箱驱动卷扬机转动 2）排绳机构 设计出排绳机构，以减速箱齿轮提 供的动力，驱动排绳机构往复直线运动，使得钢丝绳能在卷扬机卷筒上整齐排列 3）卷扬机 对卷扬机滚筒进行结构设计和强度、寿命校核 nts 4 4）采用继电器和手动按钮设计三相异步电机的正、反转、快转和慢转，完成控制面板的设计 1.3 本设计的意义 随着卷扬机在工业 的广泛应用， 新的卷扬机势在必行，也是迫在眉睫的事 所以本设计就是为了更好地改善已往卷扬机在工业中的缺点，如：钢丝绳在工作中由于受到挤压而使其使用寿命下降，而采用排绳机构进行均匀排绳从而提高了钢丝绳的使用寿命。同样在控制电路中，采用 plc来进行控制这样能减少电路中的繁 锁，跟据科学技术要从智能化和微型化进行发展。从而改善了采用继电器来控制电路。并增强了控制的实时性，更能保证精度要求的产品质量。这样也跟上了主流计算机发展的潮流、将生产控制与生产管理合二为一。也就是迎合了全集成自动化的概念，将数据处理、通信、控制程序统一起来了。这也就是本设计的意义。 nts 5 2 卷扬机部件的设计计算 2.1：电动机功率选择、总传动比设计计算与 校 验 正确选择电动机额定功率的原则是：在电动机能够满足机械负载要求的前提下，最经济、最合理地决定电动机功率。 根 据电动机的类别有直流 电动机 和交流电动机 。 而它又分为三相异步电动机和同步电动机。异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，而直流电动机也结构简单、维护方便，但由于长期以来交流电动的调速问题未能得到满意的解决。因此，交流电动机在工业中使用得最为广泛的一种电动机。 卷扬机属于非连续制工作机械，而且起动、制动频繁。因此，选择电动机应与其工作特点相适应。 卷扬机主要采用三相交流异步电动机。根据工作特点，电动机工作制应考虑选择短时重复工作制3S和短时工作制 2S ，并优先选用 YZR（绕线转子）、 YZ（笼型转子）系列起重专用电动机。多数情况下选用绕线转子电动机；根据本设计要求，综合以上分析，本设计主要选择绕线转子的短时重复工作制3S。 2.1.1电动机功率的初选： 卷扬机电动机功率的初选可按所需的静功率计算，然后根据电动机工作方式类别进一步确定电动机的功率，并进行必要的校验。 静功率（单位： KW）计算公式为： 60000 eeg vFP (1) 式中 eF 钢丝绳额定拉力 （ N）； ev 钢丝绳额定速度（ m/min）； 卷扬机整机传动效率。 这里的传动效率包括传动装置、轴承、联轴器、 离合器和卷筒缠绕等的效率。 nts 6 .21 235 6 7891041 - 电 动 机 2 - 弹 性 联 轴 器 3 - 二 级 圆 柱 齿 轮 减 速 器 ( 同 轴 式 ) 4 - 齿 轮 联 轴 器5 - 开 式 齿 轮 传 动 6 - 卷 筒 7 - 排 绳 器 导 辊 8 双 向 丝 杠 9 - 链 条 1 0 - 链 轮 1图 1 卷扬机工作原理图 根据建筑卷扬机的设计表 3 3选取各传动件的传动效率： 弹性联轴器 1 99 1i 1 两级圆柱齿轮减速器 (同轴式 ) 2 93 2i 齿式连轴器 3 99 3i 1 开式齿轮传动 4 98 4i 卷筒（滚动轴承） 5 96 5i链传动 6 94 6i丝杠 8 40 则总传动效率为： 54321 0.86 选取钢丝绳的速度ev 0.25m/s，则动载系数 1.13 nts 7 60000 eeg vFP 86.060000 6025.0109.44 14.24(KW) 卷筒转速： 310eee Dvn 式中 ev 钢丝绳额定速度 （ m/min） ； eD 卷筒基准层钢丝绳中心直径 （ mm） 。 310eee Dvn 3105.4466025.0 70.10 min)/(11 r (2) 总传动比 edenni式中 den 电动机额定转速 （ r/min）； en 卷筒转速（ r/min） 。 gdenni 11750 68.18 根据建筑卷扬机的设计表 3 7 可选取传动比 608 2 i 的两级圆柱齿轮减速器 (同轴式 )。 并取 2i 25，则开式齿轮传动比 4i 3214 iiiii 1251 18.68 =2.73 根据电气工程师手册表 7.6 4可选取： YR系列绕线转子三相异步电动机 ， 转速den 750 r/min；额定功率 P 15KW；额定电压 ： 380V。 nts 8 2.2：钢丝绳的 计算及确定 2.2.1 材料和种类的分 析 钢丝绳由许多高强度钢丝绳编绕而成，可单捻、双捻成形。绳芯常采用天然纤维芯（ NF） 、合成纤维芯（ SF）、金属丝绳芯（ IWR）和金属丝股芯（ IWS）。纤维芯钢丝绳具有较高的绕性和弹性，缠绕时弯曲应力较小，但不能承受横向压力。金属丝芯钢丝绳强度较高，能承受高温和横向压力，但绕性较差。本设计中卷扬机为多层缠绕，更适合选用双捻制天然纤维芯 （ NF）钢丝绳。 根据钢丝绕成股和股绕成绳的相互方向可分为：顺捻钢丝绳和交捻钢丝绳。顺捻的特点是钢丝绳绕性好，磨损小，使用寿命长，但容易松散和 扭转。它不允许在无导轨的情况下作单独提升，故在不松散的情况下或有刚性导轨时应用为佳。交捻的与顺捻的相比绕性和使用寿命相对要差，但由于绳与股的扭转趋势相反，克服了扭转和易松散的缺陷，故本设计优先选用交捻钢丝绳。 根据钢丝绳中钢丝与钢丝的接触状态不同又可分为：点接触钢丝绳、线接触钢丝绳、点线接触钢丝绳、面接触钢丝绳。点接触的特点是：接触应力高，表面粗糙，钢丝易折断，使用寿命低。但制造工艺简单，价格便宜。由于线接触钢丝绳比点接触钢丝绳的有效钢丝总面积打，因而承载能力高。如果在破断拉力相同的情况下选用线接触钢丝绳， 可以采用较小的滑轮和卷筒，从而使整个机构的尺寸减小。点线接触是一种混合结构的钢丝绳，里面是点接触，外面是线接触。面接触的接触应力比线接触要小，从而进一步改善了钢丝绳的性能，但钢丝绳的绕性较差。由以上分析可知，卷扬机宜选用不易松散和旋转向小的线接触钢丝绳。 综上，本设计选用交捻制天然纤维芯（ NF） 线接触钢丝绳。 2.2.2 钢丝绳的固定方法 ： 钢丝绳在卷筒上的固定方式 钢丝绳在卷筒上的固定应保证工作 安全可靠、便于检查、装拆及调整，且固定处不应使钢丝绳过份弯折。绳端常见的固定方式有：压板固定和楔块固定两类 。 a:压板和螺钉绳端固 定装置对多层缠绕，螺钉头不能露出卷 筒表面。这种绳nts 9 端的固定方式，工作台可靠，对钢丝绳的损伤小，安装 方便，出绳方向容易变换。 b:楔形块固定装置它是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 AA AA图 2 钢丝绳的固定方法 根 据这两种方法的优缺点所以应 a方式。 2.2.3. 钢丝绳直径的确定： 卷扬机系多层缠绕，钢丝绳受力比较复杂。为简化计算，钢丝绳的选择多采用安全系数法，这是一种静力计算方法。 钢丝绳的安全系数按下 公 式计算 nFSn epgs (3) 式中 pS 整条钢丝绳的破断拉力（ N）； n 卷扬机工作级别 规定的最小安全系数，见建筑卷扬机的设计表 3 95； eF 钢丝绳的额定拉力（ N） 。 根据设计要求，钢丝绳需要承载 10吨的拉力。即为额定拉力 eF eF =MG=5 310 9.8=4.9 410 （ N） nts 10 根据设计要求，该卷扬机属于重载荷工作状态，按利用等级和载荷状态的分类可将本设卷扬机定为6A工作级别。 根据建筑卷扬机的设计表 3 95可查得 n =6 ep FnS =4.9 410 6=2.94 510 (4) 根据建筑机械手册 GB 1101 74可选取 6 (19)系列钢丝绳： 钢丝绳公称抗拉强度： 170 fKg / 2mm 钢丝绳破断拉力总和： 38600 fKg 钢丝绳直径： 23.5mm 由公式：钢丝绳破断拉力换算系数 钢丝绳破断拉力总和 根据建筑机械手册 GB 1101 74 可查得 6 (19)系列钢丝绳换算系数为0.85。 pS =38600 0.85=32810 fKg 钢丝绳安全系数 gsn =epFS = 490032810 6.69n =6 (5) 故符合要求。 （注： 1 fKg 9.8N） 2.3：排绳机构传动方式的确定 链传动是属于带有中间挠性件的啮合传动。与属于磨擦传动的带传动相比，链传动无弹性滑动和打滑现象， 因而能保持准确的平均传动比，传动效 率高；又因链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上的径向压力较小；在同样使用的条件下，链传动结构较为紧凑。虽然齿轮传动的传动效率高、结构紧凑、工作可靠、寿命长、传动比稳定。但是齿轮传动的制造及安装精度高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。所以跟据各方面的原因选取链来作为传动方式。 1）卷扬机工作时，为保证绳索始终与卷筒垂直，则 排绳装置的链轮传动比 公式 应为： nts 11 12s ZZad pi (6) 上式中： P一螺 杆螺距 mm ds一 缆绳直径 mm Z1一大链轮齿数 Z2一小链轮齿数 a一绳索间的间隙 mm 卷筒所用绳索，当 ds小于 20mm时， a一 0.5mm 20 40mm时， a一 1.0mm 大于 40mm时， a一 2.0mm 本次设计中 a为 1.0 mm 2)卷筒工作部分长度 公式 : )1).( QadsL mm ds一 缆绳直径 mm a一绳索间的间隙 mm Q一卷筒每层能排列绳径的圈数 Q为卷筒每层能排列绳径的圈数，但实际上排绳时绳索是螺旋缠绕的，即只能绕 Q一 1圈数 ) 3)梯形螺 杆的有效长度 : NPI 5.0 (N为不为零的正整数 ) 4)根据排绳的工作要求：卷简工作部分长度应等于梯形螺杆的有效长度则有： NPIQadsL 5.0)1) . ( (7) nts 12 推出链轮传动比： 12s ZZ5.0 1ad pi NQ 在设计过程中因为开始未知数较多，先要估算 i(传动比取得越小越好，一般取 2左右 )， 然后根据前面的 Q，再调整 i，使 N为正整数，再确定 P，最后验算链轮强度。 卷扬机基本参数如下： 卷筒负载 (第一层 ) 49kN 额定速度： 25m min 钢丝绳直径： d=23.5mm 容绳量 (共二层 )Ls=128.53m 卷筒上每圈钢丝绳间的间隙 a取 lmm 1、卷筒直径： Dk =446.5mm 2、卷筒长度 L1 =800mm 3、每层缠绕圈数： 3315.23800ad s TLQ 4、卷筒工作部分长度： 784)133()15.23()1()( QadsL mm 5、初步取链轮传动比 i=2 由 ： NQ 5.0 1ad pi s nts 13 得 325.25.0 1335.0 1 iQN49)15.23(2)( adsiP 6、 根据上述计算，链轮传动比 i=2比较合适 7、选择合适的链条： 以卷筒的负荷 49KN的三分之一即 16.3KN作为抗拉载荷，从 GB T 1243 1997 表（一）中选择对应的单排链条型号为 08B ，并查得链条节距 p=12.7。 8、 大小链轮的齿数的确定 根据卷扬机的结构布置，小链轮是安装在卷筒的轮毂上的，则初步将 大 链轮的分度 圆直径定为 267.19mm，则小链轮单位分度圆直径为 0 3 8.217.12 19.2 6 7 PD 从 GB T 1243 1997 附录 A，根据单位分度圆直径查表 A1，可得小链轮的齿数为 Z2=67，则大链轮齿数 Z1=Z2i=672=134 。 nts 14 3 卷筒及卷筒轴设计 3.1 卷筒的设计计算 卷扬机卷筒系钢丝绳多层缠绕，所受应力非常复杂。它作为卷扬机的重要零件，对卷扬安全、可靠的工作至关重要，应合理地进行设计。 3.1.1 材料与结构的选用： 卷扬机结构形式多，按制造方式不同可分为铸造 卷筒和焊接卷筒。铸造卷筒应广泛。卷扬机卷筒大多为铸卷筒，成本低，工艺性好。大吨位卷扬机一般采用铸钢卷筒，铸钢卷筒虽然承载能力较，但成本高。考虑经济效益和设计要求，本设计跟据其在满足要求的情况下选择成本最 低 的材料。 并选取材料为 HT250 3.1.2 卷筒容绳尺寸参数： 卷筒容绳尺寸参数意义及表示方法应合国家标准规定，参见右图 3 所示 (1).卷筒节径 D 跟据卷筒的设计要求卷筒节径与钢丝绳的直径 d 有关，而卷节径 D 应满足下 公 式 dKDe图 3 卷筒的结构图 式中 eK卷筒直径比，是与卷扬机工作 d 钢丝绳的直径（ mm） 级别有关的数，见建筑卷扬机的设计 表 3 107 建筑卷扬机的设计表 3 107 可得 eK 19 D 23.5 19 446.5(mm) nts 15 卷筒节径 D 对筒壁和端板的设计具有重要意义，也影响钢丝绳直径的选择。D 值小，结构自然紧凑，但单位长度的力较大，钢丝绳寿命低。因此，建筑卷扬机的设计表 3 103 中规定的 D/d 值可认是对应一定工作级别的最小值。 查建筑卷扬机的设计表 103 可得1eK 20 故 D 20 23.5 470(mm) （ 2） 卷筒的直径0D0D=D d 470 23.5 446.5（ mm） （ 3） 卷筒容绳宽度tB卷筒容绳宽度，一般可按下述关系确定： 03DBt式中 0D卷筒直径（ m） tB 3 446.5 133.5(mm) 卷扬机卷筒壁厚的设计算中，通常卷筒长度都设计成小于其直径的 3 倍，甚至小径 2 倍。因此此时的钢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了设计计算。考虑本设计为大吨位卷扬机，tB过大 会严重影响卷筒寿命，故取tB 02D即：tBlB;轮辐数常取为 6 4.2 排绳器的设计 大容绳量、大吨位的卷扬机以及安装使用的卷扬机，为确保钢丝绳排列整齐，工作可靠，应设置排绳装置，即排绳器。本次设计卷扬机属于大吨位、多层缠绕卷扬，所以需要设计一排绳器来防止绳子错乱排列。 nts 32 4.2.1 工作原理 ： 排绳器主要 由 转 速调整箱、双向传动丝杠、支承光杠、排绳导辊等组成。排绳器的工作过程见下图 7 235 6 7891041 - 电 动 机 2 - 弹 性 联 轴 器 3 - 二 级 圆 柱 齿 轮 减 速 器 ( 同 轴 式 ) 4 - 齿 轮 联 轴 器5 - 开 式 齿 轮 传 动 6 - 卷 筒 7 - 排 绳 器 导 辊 8 双 向 丝 杠 9 - 链 条 1 0 - 链 轮 1图 7 卷扬机的传动原理图 4.2.2 工作过程分析 ： 排绳的工作过程由图 7卷扬机的传动原理图可知，电机 1的旋转运动经弹性联轴器 2、二级圆柱齿轮减速器 3、齿轮联轴器 4、和开式齿轮传动驱使卷筒 6转动。链轮 10 与卷筒固联一起随之转动，传动双向丝杆 8 开始回转运动，迫使排绳器导辊 7作往复直线运动进行均匀地排绳。 显然，若使钢丝绳在卷筒上均匀缠绕，卷筒转一转使，钢丝绳应能移动一个缠绕节 距。因此，必须保证卷筒与调整箱出轴（丝杠轴）之间具有准确的传动比，以使排绳导辊在双向丝杠走过的距离与钢丝绳实际的缠绕绳距相匹配。本设计卷扬机系钢丝绳多层缠绕，钢丝绳工作时被挤压，缠绕卷筒时排列的绳距比钢丝绳直径略大一些，设计时，其绳距 t 绳 可近似取 t 绳 d+(0.20.5)(mm)，或更大一些。 即： t 绳 =23.5+0.5=24（ mm） 双向丝杠总行程按下式计算： nts 33 dBLK 式中 B 卷筒容绳宽度 （ mm）； d 钢丝绳直径 （ mm） 。 kL=800-23.5=776.5（ mm） 而kL又可写成 kL=t 丝杠 n 式中 t 丝杠 丝杠螺纹螺距 （ mm） ； n 丝杠螺纹扣数。 776.5=24 n 则可求得 n=32.35 取 n=33 在确定此行程时应注意的问题是：当第 s 层钢丝绳缠绕到卷筒一端极限位置时，由于第 s 层钢丝绳排列造成的斜角，使最后一个完整圈与卷筒端侧板间有一个楔形间隙。这样钢丝绳不能立即爬至第 s+1 层，而当卷筒继续转过大约120180时，方能爬上 s+1 层。为此，需要驱动钢丝绳的装置在原位停留相应的时间。本设计采用下面的措施来满足过渡过程的需要。 在双向丝杠两端的转向处（正反旋向螺纹交接过过渡处）增设一段圆弧槽。近似取圆弧槽弧长如下： mmiDL m 15.4252 662 式中 mD双向丝杠中径（ mm）； i卷筒、丝杠间的传动比。 螺旋槽结构采用 30o梯形螺纹，螺牙高度 H =11mm，螺纹节距 P=22.5mm，=8o 4.2.3 强度计算校核 滑动螺旋传动时， 主要承受扭矩及轴向压力的作用， 同时在螺杆与螺母之间有相对滑动其失效形式是螺纹磨损。对于受力较大的传力螺旋，还应校核螺杆危险剖面及 螺母螺皱牙的强度， 以防塑性变形或断裂。由于本结构传动精度不nts 34 高， 且使用轴径较大转速也低， 故对螺杆刚度， 临界转速不予考虑。 1. 螺杆强度计算 : 根据第四强度理论，其强度条件为： )4(3.1212 dTQAca式中 : A一螺杆危险剖面面积 mmdA 21 4Q一螺杆承受最大轴向力 N d1一螺杆螺纹内径 mm T一螺杆所受扭矩2)(2 dQ tgTv Nmm v一当量摩擦角 vv arctgfvf当量摩攘系数，对钢一青铜， vf0.080.1C； 对淬火钢一青铜， vf0.06 0.08。 一许用应力 MPa 53 q q 为材料屈服极限， 载荷稳定 时， 取大值。 对 d1的选取， 可根据螺杆稳定性确定，根据 螺杆柔度s值， 选取不同公式计算。 iuls 式中 : u 一螺杆长度系数， 当采用滚动支承， 并且轴、径向均有约束时，u =0.5 l 一螺杆两支承间距离 mm i 一螺杆危险剖面惯性半径4tdimm 100 sn 时 22)(ulEIQ nts 35 式中： E一材料弹性模数 E=3.06 108 MPa I一危险剖面惯性矩 6441dI mm 4 100 sb 时， 对 35 50号钢 414)57.2461( dQ s 若 40s， 可不必校核。 4.2.4 滑块强度校核 对通常由钢一青铜摩擦副组成的螺旋传动，其主要失效形式是磨损失效。对磨损形式一 般可分为 :1、 粘着磨损 2、磨粒磨损 3、腐蚀磨损 4、表面疲劳磨损几类主要磨损形式。综合分析几类磨损， 对本没计， 粘着磨损是最主要的失效形式， 因为粘着会产生材料撕脱， 严重时摩擦副咬死， 不能运动。所以设计时应把粘着磨损控制在 轻量范围内。根据粘着磨损影响因素可知， 粘着磨损量， 一般随压力增大到一临界值后而急骤增加，即当压力超过材料硬度的31时，摩擦量急骤增加，甚至咬死。所 设计时许用接触应力疵以螺旋副中较软材料之硬度31为许用接触应力，对常用滑块材料 ZQA194其硬度范围 HB=9801078MPa，故许用接触应力： HBp 31 an MP359327 由于载荷在螺杆顶端时最大， 故以顶部为最大接触应力校核处。 滑块许用接触应力校核。 pkmx lQP 式中： k一主曲率和 k= mmrR 111 Q一轴向载荷 N 弹性位移 2211 22 11 EuEu nts 36 E1、 E2一两接触体弹性模量 对钢 E2一 2.08105N mm。 对锕 E11.029105 N mm 1 、 2 一泊松比， 对钢和铜 1 = 2 =0.3 故对钢一青铜摩擦副 =4.46310-6mm2 N l 一接触长度 oHl 15cos mm 滑块 丝杆 弯曲强度校核 由于滑块剖面形状近似一椭圆，故以椭圆面积近似计算 bbBHtgdHQWM )15(36032212002 MPa 对青铜 6040 bMPa 滑块剪切强度计算 : )15(3604 002 BHtgdQ MPa 对青铜 4030 bMPa 4.2.5 润滑 润滑状态对粘着磨损影响比较大，对于低速运动机构 如本 次 的设计 ，应采用粘度较大的润滑油。考虑到使用工况，通常选用钙基润滑。如果加入油性和极压添加剂，能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，可成倍地提高抗粘看磨损能力。 nts 37 5 电气控制系统设计 5.1 电气控制系统的要求和内容 5.1.1 电气控制系统的要求 建筑卷扬机作为建筑机械中最基本的设备，由于其结构简单、制造成本低、操作方便、对作业环境适应性强，因此在建筑、工业、农业、海运、交通、化工、冶金和油田等部门中用于起重、拖重物等工作，也是每个建筑工地、每 个工程队必不可少的设备。为了适应我国建设任务具有量大、面广、分散等特点，以及劳力资源丰富，财力不足以及贯彻执行机械化、半机械化与改良工具相结合的方针，实行多层次的装备政策和 近期内以发展中、小型机械为主的方针要求，设计符合我国国情的新的建筑卷扬机势在必行，也是迫在眉睫的事。 其工作原理如下： 用一台三相交流异步电动机驱动，使建筑卷扬机的滚筒进行正转与反转及高速与低速的运转方式。系统要求的功能由电气控制系统控制。 5.1.2 电气控制系统的内容 电气控制系统的设计内容主要包括选择拖动方案与控制方式，确定电动机的类型、容量、转速，并选择具体型号，设计电气控制原理框图，确定各个部分之间的联系关系，拟订各个部分的技术要求，设计并绘制电气原理图，计算主要技术参数，选择电气元件，制定元器件目录清单等。 5.2 电气控制原理图的设计 电气控制系统包括电机控制电路设计、控制电路设计、辅助电路设计三部分，现在分别对这三部分的要求和设计步骤归纳如下： nts 38 继电器工作顺序表 (5-1) 急停按扭 SB1 停止按扭SB4 正转起动按扭 SB2 K1（ +） KT1（ +） KM1（ +） KM3（ +） 反转起动按扭 SB3 K2（ +） KT2（ +） KM2（ +） KM3（ +） 低速按扭 SB5 KT3（ +）或 KT3 延时之后（ -） KM5（ +） KM4（ +） 5.2.1 主电路的设计 （ 1） 由于本实验台电动机驱动时要求的正反转和降压起动，并且要高速和低速的转动，故需用六个接触器 KM 控制电动机。 （ 2） 在主电路中电动机 M 应该由热继电器 FR 实现过载保护。 （ 3） 在主电路中由熔断器 FU1 实现短路保护，并由隔离开关 QS 对电源控制。 5.2.2 控制电路的设计 控制电路有以下几方面的具体要求： 急停： SB1 是急 停按扭，只要它断开就使整个电路断电。 电路图如下所示： 动作分析 : （ 1）正转： 复合按扭 SB2 是一个正转的起动按扭，当按下 SB2 时，中间继电器 K1 得电，并使它的常开触点闭合，这时通电延时继电器 KT1 得电并延时，延时之后使 KM1nts 39 得电，同样使它的常开触点闭合。同时也使 KM3 得电。 KM3 的常开触点闭合通过电阻起降压作用。 （ 2）反转： 当按下 SB3 时，中间继电器 K2 得电，并使它的常开触点闭合，这时通电延时继电器 KT2 得电并延时，延时之后使 KM2 得电，同样使它的常开触点闭合。同时也使 KM3 得电。 KM3 的常开触点闭 合通过电阻起降压作用。 （ 3）低速转动： 当按下复合按扭 SB5 时，继电器 KM5 得电，也同样使用它的常开触点闭合，此时 KT3 得电，并电动机在低速状态下转动，当继电器 KT3 延时时间到，使 KT3的常开触点闭合则 KM4 得电，同时 KM4 的常闭触点断开，使 KT3 和 KM3 失电。这样电动机就在正常低速转动情况下工作。 （ 4）高速转动： 当按下复合按扭 SB6 时，继电器 KM6 和 KM7 得电，也同样使用它的常开触点闭合，此时 KT3 得电，使电动机得电，并电动机在高速状态下转动，当继电器 KT3 延时时间到，使 KT3 的常开触点闭合则 KM4 得电，同时 KM4 的常闭触点断开，使 KT3 和 KM3 失电。这样电动机就在正常高速转动情况下工作。 （ 5）正常停止： 按下 SB4 时，使 K1 或 K2 失电，这样把电动机停止。 （ 6）应由熔断器 FU2 对控制电路进行保护。 5.2.3 辅助电路的设计 随着使用范围的扩大，可利用可编程控制器（ PLC）对其进行控制，从而适应传动系统中对速度控制灵活性、准确性和可靠性等的不同要求。 根据以上设计的原则可以绘制出如图 9 所示的电气原理总图 :和接线图 10 图 5.1 电气原理图 nts 40 X002 X 0 0 3 Y002M101M 1 0 0Y005Y004Y004Y006 Y007Y005Y006Y005Y006Y007Y003Y004T252KM1KM2KM3 KM4KM5KM6KM7M100KUX005 X006正转起动反转起动低速转动高速转动Y005T250M100T250Y001M101Y001X 0 0 4X003 X002 X004X006X005K300T251K300T252K400FUY006Y004M101T251Y002Y002Y002Y001Y001图 9 电气原理图 nts 41 SB2SB3SB4SB5SB6KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM7KRFU220V220VCOM COMX002X003X004X005X006Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007图 10 PLC 接线图 控制程序如下： LD X002 OR M100 ANI X003 ANI X004 ANI Y002 OUT M100 LD M100 OUT T250 K
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