土木土建毕业设计5高速高精度的拖拽系统毕业设计
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高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 1 第一章 绪论 本章系统地讨论了绞车的各种应用及绞车在这些应用中所体现的一些特点，阐述了绞车的分类和结构组成，最后提出了课题的研究对象 高速高精度绞车以及课题将要完成的研究工作。 1.1 绞车的应用 绞车是工业生产过程中一种常见的机械，具有悠久的发展历史和比较成熟的设计制造技术。随着绞车制造技术的不断提高、加工材料的不断改进以及电子控制技术的不断发展，绞车在动力、节能和安全性等方面取得了很大的进步。目前，绞车正被广泛地运用于矿山、港口、工厂、建筑和海洋等诸多领域。 在矿山采掘和运输场合，绞车作为重要辅助设 备被大量而广泛地运用着，例如矿用提升绞车、调度绞车、耙矿绞车和凿井绞车等。提升绞车可用于矿山竖井或斜井中物品与人员的调度，具有较大的牵引功率和很好的安全性，是矿山生产中不可缺少设备之一。调度绞车具有结构紧凑、占地面积小、安装及撤除操作方便、故障率低、常见故障易处理、维护方便等优点。调度绞车除主要用作矿井井下及地面装载站调度编组矿车、中间巷道中拖运矿车及其它辅助搬运工具外，在斜巷提升、井口装罐及作翻车机动力等方面也得到了广泛的应用。耙矿绞车主要用于金属矿及其它矿场的坑内或露天场所，在水平及倾斜度不大的工作面上 作矿物扒运及充填工作。凿井绞车主要用于煤矿、金属矿及非金属矿竖井井筒掘进时悬吊吊盘、水泵、水管、注浆管、风管等掘进设备。它亦可代替建筑绞车，在地面建筑及搬运等场合作起重设备用。 绞车的另一个重要用途是港口机械，常见的有集装箱起重机、港口装卸门座起重机、塔式起重机以及轻小型的电葫芦等起重机械，其主要执行机构都是各种形式和结构的绞车。对于这种用途的绞车，要求具备较好的调速性能和很高的安全性能。 另外，绞车还被运用于各种线缆的存储、制造和运输，例如纺织机械中的用于存放丝线的线盘和电缆制造中用于存放各种直 径缆绳的缆盘。这种情况下，绞车不光要具有一定的调速能力，而且还能够使不同直径的缆绳排列整齐，从而保证生产的顺利进行。 在船用甲板机械和海洋开发领域，绞车也具有悠久的使用历史和多种多样的用途。 船用甲板机械常见的有自动系泊绞车、舷绳梯绞车、起吊绞车和定位绞车等。 大型船舶停靠码头期间，需系带 6 8 根以上缆绳，由于风向、风力大小的变化、水nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 2 流方向和速度的变化、潮汐使主甲板与码头相对高度的变化、高效装卸货物而引起的吃水迅速变化等，使得各根系泊缆绳张力迅速改变。再加上各根缆绳与码头的夹角及初始系带的长度不同，各缆绳张力 差异将急剧加大。一旦某根缆绳因遇意外而被扭断，其它各缆绳就易被各个击破，从而导致船体失控，发生船碰船、船碰码头，以至船碰桥等事故。另外，如果各系泊缆绳过松，使船舶不能紧贴码头，又将引起船舶的前后游动从而无法准确定位。这就需要及时地调整原先系泊好的缆索，以免造成崩断缆索或飘开船舶的现象。自动系泊绞车能自动保持缆绳张力恒定，避免以上情况的发生，从而达到减轻船员的劳动强度和增加系泊安全性的目的。 舷绳梯绞车是输送引航员登离船舶专用的舷梯机械升降设备，为各类大型船舶配套的通用甲板机械。船用连接绞车 (俗称紧缆器 )作为 内河顶推船队船舶间的主要系结设备，已在国内外船舶上得到用。近年来用于内河航道疏浚工作的工程船舶越来越多，而定位绞车是该类船舶重要的甲板机械之一，它利用绞车来完成锚的收放，进行船舶横移、前移或后退，从而使挖掘机械能有序地完成疏浚工作。 救生钟恺装电缆绞车是为常压型救生钟救生系统专门设计的新型特种绞车，救生系统由中央控制室、绞车、恺装电缆、救生钟组成。该绞车要求适用于 4级母船工况，工作环境 -10 +40 ，即可用于救生钟入水后的收放工作，同时也是恺装电缆输送动力和传送信号的中转站。救生钟的水下工作状态、动作及 水下环境均可通过恺装电缆和绞车将信号传送到中央控制室中的监控器。 大型拖曳绞车是一种运用于海洋拖曳的船用绞车。它的拖曳卷筒有自动张力功能，在长距离拖曳作业时，它可根据被拖物大小设置张力范围。当拖船与被拖物之间的张力由于风浪等因素发生变化时，卷筒会自动收放缆绳，把张力控制在一定的范围内，从而确保拖带的安全并改善船员工作条件。另外，这种绞车的起抛锚卷筒有的具有动力制动系统，当拖船为平台作深海抛锚时，该系统能将抛锚速度控制在某一值内，阻止锚和锚链以重力加速度下落而危及拖船安全。 另外，在海洋探测仪器的拖曳场合，减 张力绞车是近年来发展起来的一种新型绞车。通常，在用绞车对海洋探测仪器的缆绳进行收放时，缆绳将受到很大的张力，这种张力是随着拖船航速、缆绳长度、海况等条件变化的。这种变化的张力对己经展开的缆阵不会造成损害，但对普通绞车来说，缠绕在绞车卷筒上的缆绳不但有很大的径向压力 .而 且由于卷筒上各层缆绳的张力不同，有时会内层松外层紧，以致造成层间混乱和缆绳间的相对滑动，轻则降低缆绳的使用寿命，重则造成缆绳的损坏。采用绞车减张力技术就可以防止上nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 3 述损害的发生。这种技术就是在绞车与缆绳入水口之间加一特殊设计的减张力装置。在缆绳收 放过程中，减张力装置通过对缆绳施加受控的摩擦力，来减小或增大绞车卷筒上缆阵的张力 (即“装载张力” )，使装载张力控制在一定的范围内从而有效地保护缆绳。 可以说，绞车广泛地运用于各种各样的场合，发挥着不同的作用，也具有各种各样的结构组成。为了更好地研究绞车的结构和性能，需要对绞车的组成和绞车的分类展开探讨。 1.2 绞车的分类 绞车的多种多样的用途，决定了绞车的种类和组成形式也是多种多样的。其分类如图1 1所示。 图 1-1 绞车的分类 按照绞车卷筒的数量分，绞车可以分为三种 :单卷筒绞车、双卷筒绞车和三卷筒 绞车。 单卷筒绞车是三种类型绞车中最常见的，它只有一个卷筒用来存放缆绳或者铰链，一般用于对卷筒的容绳量要求不高的场合。 根据卷筒和驱动装置的相对位置，单卷筒绞车可以分为 :单卷筒左式绞车和单卷筒右式绞车。其结构简图如图 1 2、 1 3所示 ： 图 1-2 单卷筒左式 图 1-3 单卷筒右式 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 4 双卷 筒绞车用于要求容绳量较大的场合，但占用空间比较大 。其形式有以下几种： 图 1-4 双卷筒左式 图 1-5 双卷筒右式 图 1-6 双卷筒瀑布式左式 图 1-7 双卷筒瀑布式 右 式 图 1-8 双卷筒中央式 三卷筒绞车用于容绳量很大并且对绞车功率要求较高的场合，其缺点是结构复杂、空间占用大。三卷筒绞车也有以下几种形式 : 图 1-9 三 卷筒瀑布式左式 图 1-10 三 卷筒瀑布式左式 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 5 图 1-11 三 卷筒瀑布式 两侧驱动 式 另外，按照绞车的驱动方式，通常又把绞车分为电动绞车、气动绞车和液压绞车三种。 电动绞车一般由三相异步电动机驱动，然后通过电动机带动减速器、液力藕合器、行星差速器等对绞车进行调速。其工作原理如图 1 12 所示 : 图 1-12 电 动绞车调速方式 气动绞车是由气马达通过减速器来驱动的，多见于油田矿井、矿山等对安全可靠性要求较高并且工作环境恶劣的场合。 目前我国油田井场的吊装仍主要 是 由电动绞车来完成，由于电动绞车的安全可靠性不适应野外作业的恶劣环境，所以给油田井场的野外作业带来很多困难，直接影响钻井的进度。特别是雨季，由于漏电，经常威胁着操作工人的安全。为改善操作工人工作条件，用气动绞车取代电动绞车是较为合适的。另外，气动绞车还可用在仓库、码头等有易燃、易爆气体的作业环境，具有广泛的开发前景。图 1 13 所示的是美国 RAM Winch&Hoist 公司生产的气动绞车。 液压绞车是由液压马达提供功率直接或者间接而驱动的，它的调速是通过对马达的调速来完成的。随着液压技术的发展，国内外的液压绞车逐渐形成了两种类型 :泵控调速液压绞车和阀控调速液压绞车。 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 6 图 1-13 美国 RAM Winch&Hoist 气动绞车 泵控调速液压绞车的调速是依靠调节变量泵的流量来实现的，通常称之为容积调速。根据结构形式它可以分为两类 ： 一类是变量泵控制低速大扭矩马达，直接拖动绞车卷筒 ；另一类是变量泵控制高速轴向柱塞马达，再经减速器拖动绞车卷筒。容积调速方式的最大优点是节约 能源，因为它的节流损失非常小。而它的缺点是调速部分的液压元件体积大、制造困难、价格高，而且由于变量泵的变排量机构时间常数较大而使得容积调速系统的频率响应较低。 阀控调速液压绞车的驱动系统一般是由定量泵和比例阀构成的，通过调节比例阀的流量来调节绞车的速度，通常称之为阀控调速。这种调速方式的优点是调速方便、系统频响高、技术成熟、价格低，缺点是由于存在不可避免的节流损失而使得系统能耗高。由于采用液压技术，液压绞车相比于电动绞车和气动绞车来说，具有结构紧凑、功率重量比高、驱动力矩大、起动平稳、调速方便、使用安全可靠 等一系列优点，近年来得到了迅速发展并获得了广泛地运用。 1.3 绞车在工程应用中的特点 通过对绞车应用场合的探讨和绞车结构的分析，可以得知，在工程应用中绞车会具有如下一些特点 : 1.3. 1、 负载时变 绞车运用于海洋拖曳、电梯轿厢提升、矿山调度等场合时，由于外界环境因素的影响，例如海浪、海流、货物重量等的不断变化，它的负载也在不断变化。这就对绞车的稳定运行造成了很大干扰，尤其是海洋绞车或水下绞车，由于工况比较复杂，受到的干扰更大。如果不采取有效的控制手段，绞车的收放速度就不可能稳定，有时 甚至无法正常工作。 1.3. 2、 驱动力矩范围大 这也是由绞车的工作环境决定的，其驱动力范围从几公斤到上百吨不等。 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 7 1.3. 3、 调速方便，高低速运行稳定 由于收放工作的需要，现在许多绞车都需要能够方便连续地调整收放速度。在高速运行的时候，不能出现飞车的情况 ;在低速运行的时候，不能出现爬行现象，而且要保持一定的输出力矩。 1.3. 4、 自动排缆 当绞车的缆绳层数为双层或者多层时，如果不采取一定的排缆措施，就会出现乱卷的现象，轻则缩短缆绳的寿命，重则影响绞车的正常工作。所以，现在的双层或多层绞 车大多数都配有排缆机构来保证缆绳的整齐排列。 1.3. 5、 对安全可靠性要求较高 由于绞车一旦出现事故，就有可能对人的生命或财产造成很大的伤害，加上绞车的工作环境大多比较恶劣，所以就要求绞车具有很高的可靠性。因此在设计绞车时设计人员应考虑到绞车的最大负载能力、绞车的防爆性、元件的可靠性等因素。 1.3. 6、 具有较好的可操作性 随着对绞车使用要求的不断提高以及自动化技术的发展，绞车的自动化程度也在不断提高。一些先进的电子控制技术、通讯技术的运用，使得现在的绞车能够具有很好的人机接口和远程通信能力，极大地 提高了绞车的操作性能。 1.4 论文的研究内容和研究方法 1.4. 1、 课题选题意义 针对绞车日益广泛的使用用途和对绞车使用性能的要求不断提高，本论文提出了一种新型的高速高精度电动电缆绞车方案。它具有以下几方面的意义 : 通过对绞车排缆机构的 研究 ，设计出性能良好、运行稳定、结构简单的新型排缆机构，保证绞车自如收放缆绳。 通过 对 速度检测装置 设计 ，讨论了多种对缆绳线速度和放缆长度进行测试的方法，并最终能根据对各方案的比较，设计一种最合适的检测装置 ，确保检测的精度。 1.4. 2、 研究内容和研究方法 本课题的主要工作内容有高速高精度绞车结构的设计、绞车排缆机构的设计和绞车速度检测装置的设计。 高速高精度 绞车结构的设计 系统在规定的载荷范围内，应能正常工作，并不得对缆绳造成损坏。 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 8 系统收放缆绳速度应在 (3 9)m/s之间连续可调；速度可由人工手动设定，设定收放速度后，系统能实现自动收放。 系统应具有自动排缆装置，确保缆绳 能整齐而有序地排列于卷筒上。 系统应具有自动 /手动制动控制功能，当绞车处于停止、制动位置或无动力时，能通过自动 /手动方式控制制动装置工作。 当主控制系统失效时，通过人工控制应能回收缆绳。 卷筒应设计成能卷绕储存缆绳的全长，且不得超过 10层，当缆绳全部卷绕于卷筒上时，缆绳不得超过卷筒的凸缘高度，且各层缆绳之间应相互正叠，即不应有半个缆绳直径偏置于两个邻层之间。 绞车排缆机构的 设计 为了保证绞车排缆机构能够整齐密实地把缆绳排列在卷筒之上，本论文将对绞车排缆机构进行深入分析，并通过采取合适方法来实现这个功能。 绞车速度检测装置的设计 为了精确检测缆绳的线速度以确保排缆效果，本论文将对绞车的速度检测装置作必要分析，并选取合适的速度检测装置来控制收缆速度并保证排缆效果。 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 9 第二章 高速高精度 绞车系统的构成 本章详细地阐述了高速高精度绞车 系统 的构成， 通过对绞车各 机构 的多种设计方案的比较，来选取最适合本课题设计要求的 方案 。 本绞车系统由 电动绞车 、 速度检测装置和轻质小艇组成，电动绞车作为拖拽动力 ； 速度检测装置通过对缆绳线速度的检测来反馈给电机，使电机能提供一合适的拖拽力，使拖线阵 或其他传感装置具有较精确稳定的线速度；小艇作为仪器的载体和拖线阵或其他传感装置的牵引体。 2.1电动绞车的构成 及其 各 部件的选取 电动绞车（机械部分）一般由动力驱动、传动机构、排缆机构和缆筒四部分组成。 2.1. 1、 动力驱动 动力驱动主要为系统提供 一拖拽力，使系统能按照要求进行运动。 常见的动力驱动一般有以下几种： 交流异步电机 交流异步电机启动电流大，调速比较困难，并且它的设计 、 制造和维护都比较复杂。 图 2-1 交流异步电机 直流调速电机 直流调速电机技术比较复杂并且维护困难，价格也不低，因此不适合本系统。 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 10 图 2-2 直流调速电机 电磁滑差离合器调速电机 电磁滑差离合器调速电机效率低，在额定转速下，只有 0.83，且随着速度的降低，效率随之成反比降低。 液压马达 液压马达虽然在调速和效率方面比较 有保证，但是它价格昂贵，并且对环境的污染较环境。 图 2-3 液压马达 对本系统来说，要求的频度较小，效率也不是主要矛盾， 结合系统的阻力特性与动力输出特性的一致性及经济性原则， 比较之下，电磁滑差离合器调速电机为驱动动力不失为最简单、最廉价而又能基本满足设计要求的设计方案。因此，本系统的动力驱动选择电磁滑差离合器调速电机 。 2.1. 2、 传动机构 传动机构通常可分为：皮带传动、 链传动 、 齿轮传动 。 皮带传动 皮带传动：由两个或多个带轮，皮带，借助零件间的摩擦（或啮合）来传递运动和动力。 皮带传动能缓和载荷冲击，运行平稳，无噪声，在制造、安装精度上不象啮合传动那么严格，并且可增加带长以适应中心距大的工作条件。但是它有弹性滑动和打滑现象，效nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 11 率低，不能保持准确的传动比并且带的寿命较短 ， 需经常换带。 链传动 链传动可以在两轴中心距较远的情况下传递运动和动力，能够保证准确的传动比，传递功率较大，并且作用在轴上的力较小，传动效率高。但是链条的铰链磨损后，会使节距变大造 成脱节，并且链传动对安装和维护的要求较高。 图 2-4 链 轮 传动 示意图 齿轮传动 齿轮传动结构紧凑，能保证瞬时传动比恒定，平稳性高，传递运动准确可靠，传递的功率和速度范围较大，可实现较大的传动比，传动效率高，并且使用寿命长。但是齿轮传动 制造成本高，齿轮精度低时，传动的噪声和振动大，不宜于轴间距离较大的传动。 图 2-5 齿轮传动 示意图 如果单从传动效率考虑，齿轮传动为最佳方案，但它的振动和噪声较大，会给试验造成较大影响。相反皮带传动振动和噪声小、传动平稳，结构简单，维护方 便，更适合此系统，固本系统 电机与缆筒之间 选用皮带传动。 2.1. 3、 排缆机构 绞车的排缆机构是保证绞车正常运转的关键部件，在绞车的工作中起着非常重要的作用。通过排缆机构的周期往返运动，绞车能够使缆绳整齐密实地缠绕在卷筒之上，从而避免了双层或多层缠绕时缆绳乱卷、互相挤压等现象的出现，保证绞车能够顺利地进行收放工作。 在人们对绞车排缆机构的不断研究和使用实践过程中，逐渐形成了以下几种类型的排nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 12 缆机构 :凸轮排缆机构、丝杠排缆机构、液压缸排缆机构。 凸轮排缆 机构 图 2-6 凸轮 排缆机构 凸轮排缆机构的构造如图 2-1所示，主要由梅花凸轮、排缆杆和复位弹簧构成。凸轮排缆机构的原理是通过盘形梅花凸轮的转动，推动排缆杆往复运动，使缆绳有规律地排列在卷筒上。凸轮排缆机构有着结构简单、紧凑、造价低廉等优点，只要凸轮设计合理就能实现周期排缆的目的。但凸轮轮廓与从动件之间一般是点线接触，凸轮和从动件都容易磨损。受速度的限制，它尤其不能用于受力较大的场合。 丝杆排缆机构 丝杠排缆机构分单丝杠排缆机构和双丝杠排缆机构。单丝杠排缆机构由丝杠、排缆架和行程开关构成，如图 2-2所示 图 2-7 单丝杆排缆机构 丝杆只作正反向的转动，驱动和丝母相连的排缆架作往返运动，而通过行程开关来改变丝杆的转向，从而实现周期性排缆目的。在双丝杠排缆过程中，双丝杠也只作转动，而月牙形的螺母作水平运动以实现排缆目的。 丝杠排缆的传动比标准，排缆相对均匀、密实。 液压缸排缆机构 液压缸排缆机构的构成如图 2-3所示。 它的工作原理是排缆架在双出杆液压缸的活塞推动下进行双向运动，其换向由行程限位开关触发的信号完成，根据卷筒的转动速度通过电控比例系统来调节液 压缸的速度，从而保证缆绳的整齐排列。采用液压缸排缆方式按照液压比例来控制排缆速度，同机械调速相比，可实现无级调速，控制精度高，适用和应用范围大，传动平稳且能保证排缆质量。在实际生产中，只要设定预给参变数，就可编程与微机结合，为生产和管理提供了方便和保证。但该排缆机构结构较复杂，占用空间大，不适合一些安装空间小的工作环境。 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 13 图 2-8 液压缸排缆机构 通过比较以上排缆机构的优缺点，并结合本绞车系统的具体情况，本人认为选用丝杆排缆机构较合适。 2.1. 4、 缆筒 缆筒采用常见的工字形光面卷筒，在其端面开有缆 绳安装口，用于缆绳的引入和安装。 2.2 速度检测装置 的选取 在本论文所讨论的 绞车 系统中，绞车转速不仅仅是驱动绞车滚筒的一个简单的工作参数，而且是自动排绳控制系统中其它参数计算的依据，转速信号采集的准确与否将直接影响到排绳效果。 因此选择合适的速度检测装置对本系统的设计及其重要。 以下是两种常见的测速 装置 ： 2.2. 1、 感应金属块测速 装置 图 2-9 感应金属块测速 装置 工作原理：把传感器固定在距感应金属块 8 lOmm 的导引固定架上， PLC 提供 24V电源，经过隔离栅变换为标准的本安电源，为接近开 关供电。当感应金属块随绞车滚筒转动，每个感应金属块经过接近开关的正前方时，均产生磁通量的变化，通过高频振荡器获得信号，经内置放大整形电路，输出幅度稳定的脉冲信号，此脉冲信号为非本安信号，不能直接进入 PLC，经中间隔离开开关放大器放大隔离之后进入 PLC 高速计数器输入端子进行处理。处理后的数据作为排绳系统中的基准参考信号，为后续的控制作准备，同时送入转速显示设备，对绞车滚筒转速信号进行实时显示。 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 14 2.1. 2、 测速发电机 测速 装置 此系统主要由测速发电机和测速装置组成，集测量与导向于一体。 工作原理：缆绳以一定 的线速度运动时，系统依靠 缆绳以一定的包角与测速轮产生的静摩擦力来带动测速轮和测速发电机旋转，把直线运动变换成旋转运动，达到测试线速度的目的，同时该装置还可以通过测速轮主轴上的感应螺钉和传感器来测试收缆长度 。 图 2-10 测速发电机测速装置 由于本系统要求反馈的信号是与驱动电机自带的测速发电机发出 的 模拟 信号进行比较，为了 避免 反馈过程中信号形式的转换，本系统 采用 测速发电机测速装置。 2.3 轻质小艇 由于实验场地、电力及拖拽速度的限制，本系统选用一轻质、阻力小、适应高速运行的全密闭小艇。 结合 该 系统各 组成 机构的 选取，系统的总体设计如下图所示： 图 2-11 系统总体设计 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 15 第三章 高速高精度绞车系统参数计算 本章主要是结合系统的要求指标，通过对各部件的参数计算，来 选取各个 具体部件。 系统 要求 指标 ： a缆长： 1500米 b缆绳直径： 6毫米 c最大载荷： 400Kg(70 米拖线阵、 30 米拖缆及艇载 100 千克仪器在速度为 9米 /秒时的阻力 ) d收缆速度： 3米 /秒 -9米 /秒（连续可调） e工作环境温度： 10 40 f工作环境湿度 ： 40 时不超过 50%， 20 以下时不超过 90% g收缆速度及放缆长度显示的精度： 3 3. 1 重要部件的参数计算及选取 3.1.1 执行机构设计 执行机构主要指链传动，通过链轮的转动带动链条上的车架，实现车辆的存取 （ 1）链条的选择计算 本设计选用链条型号为 354140 A GB1243.1-83 基本参数如下： 节距 P=63.5mm 滚子外径 39.68 内链节内宽 37.85 销轴直径 19.84 内链板高度 60.33 极限拉伸载荷 347KN 技 术要求：调质处理 220-250HBS，材料为 45号钢 根据本次设计要求：存量为八台车，车架尺寸宽为 2070mm，高为 1700mm。可以初步估计链轮直径在两米左右。查袖珍机械设计师手册初选链轮齿数为 103个，中心距为5050mm 链条节数： 2621035.63 5 0 5 022 zpaL p实际中心距： mmzLpap 5 1 0 01032622 5.632 压轴力：epp FKF （ 3-2-4） 式中 Kp 压轴力系数，垂直传动 Kp取 1.05 Fe 链有效拉力 KNV pF ce 44.971 3 3.0 96.121 0 0 01 0 0 0 式中 kwkppAc 96.124.126.9. 所以 KNFKFepp 3.10244.9705.1 nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 16 静力强度计算 FKQnS Aca （ 3-2-5） 式中： Q 链的极限载荷； n 链的排数； KA 载荷系数； F 链的有效拉力； S 安全系数取 3 8。 代入数据得 3.0211 1347S ca =3.39 符合条件。 （ 2）链轮的设计计算 链轮由齿圈，轮毂和轮辐等部分组成。链轮的设计必须遵循以下原则： 1 保证链条顺利的啮入和啮出 2 具有足够的容纳链条节距伸长的能力 3 防止链条跳动而掉链 4 具有合理的作用角 本次设计选滚子链 GB1243.1-83规定的端面齿型，即三圆弧一直线齿型。由于链轮直径很大，所以采用可以更换齿圈的装配式结构。材料为 40cr，齿面硬度 HRC40-50 节圆直径： mmzpd 2 0 4 80 3 1.05.631 8 0s in 0 （ 3-2-6） 齿顶圆直径： mmzpd a 2110)7.3254.0(5.63)180c o t54.0(0 齿根圆直径：Tf ddd （ 3-2-7） 式中 Td 查实用机械设计表 8-1得 39.68mm 所以Tf ddd =2048-39.68=2008mm 齿侧凸缘直径mmhzct gpd g99.201276.07.627.325.6376.004.1180 20 式中内链板高度 mmh 33.602 分度圆弦齿高 ha: mmph a 16.175.6327.027.0 链轮轴向齿廓参数： nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 17 齿宽 bf1: bf1=0.95b1 倒角宽 ba: ba=(0.1 0.15)P 倒角半径 rx: rx P 齿侧凸缘圆角半径 ra: ra 0.04P 表 1. 40A 滚子链的基本参数和尺寸 链号 节距 P （ mm） 排距 Pt （ mm） 滚子外径 d1 (mm) 内链节内宽 b1 （ mm） 内链节外宽 b2 （ mm） 内链板高度 h2 （ mm） 外链板和中链板高度h3 （ mm） 极限拉伸载荷 (单排 ) Q （ kN） 单排重量 q （ kg/m） 40A 63.5 71.55 39.68 37.85 54.89 60.33 52.07 347 16.10 3.1.2 齿轮的设计 ： 1 高速级大小齿轮的设计： 材料：高速级小齿轮选用 45 钢调质，齿面硬度为 250HBS。高速级大齿轮选用 45 钢正火，齿面硬度为 220HBS。 查课本第 166 页表 11-7 得：lim 1 550H M pa l i m 2 540H M p a 。 查课本第 165 页表 11-4 得： 1.1HS 1.3FS 。 故 l i m 11 550 5001 . 1HHHM p a M p aS l i m 22 540 4901 . 1HHHM p a M p aS 。 查课本第 168 页表 11-10C 图得：lim 1 200F M pa l i m 2150F M pa 。 故 l i m 11 200 1541 . 3FFFM p a M p aS l i m 22 150 1151 . 3FFFM p a M p aS 。 按齿面接触强度设计： 9 级精度制造，查课本第 164 页表 11-3 得：载荷系数 1.2K ，取齿宽系数 0.4a 计算中心距：由课本第 165 页式 11-5 得： 1112 2 533 3 3 5 3 3 5 1 . 2 1 . 0 6 9 1 01 4 . 6 3 1 1 7 9 . 44 9 0 0 . 4 4 . 6 3HaKTauu 考虑高速级大齿轮与低速级大齿轮相差不大取 210a 2.5m 则12 2 168aZZ m 取 1 29Z 2 139Z 实际传动比： 139 4.7929 传动比误差： 4 . 7 9 4 . 6 3 1 0 0 % 3 . 5 % 5 %4 . 6 3 。 齿宽： 0 . 4 2 1 0 8 4aba 取 2 84b 1 90b nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 18 高速级大齿轮： 2 84b 2 139Z 高速级小齿轮： 1 90b 1 29Z 验算轮齿弯曲强度： 查课本第 167 页表 11-9 得： 1 2.6FY 2 2.2FY 按最小齿宽 2 84b 计算： 1113222 2 1 . 2 1 0 6 . 9 2 . 6 1 0 4 3 . 58 4 2 . 5 2 9FFFK T Y M p ab m Z 22 1 213 6 . 8FF F FFY M p aY 所以安全。 齿轮的圆周速度： 11 2 9 2 . 5 3 1 4 . 8 1 . 1 9 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0dnV m s 查课本第 162 页表 11-2 知选用 9 级的的精度是合适的。 2 低速级大小齿轮的设计： 材料：低速级小齿轮选用 45 钢调质，齿面硬度为 250HBS。 低速级大齿 轮选用 45 钢正火，齿面硬度为 220HBS。 查课本第 166 页表 11-7 得：lim 3 550H M p a l i m 4 540H M p a 。 查课本第 165 页表 11-4 得： 1.1HS 1.3FS 。 故 l i m 33 550 5001 . 1HHHM p a M p aS l i m 44 540 4901 . 1HHHM p a M p aS 。 查课 本第 168 页表 11-10C 图得：lim 3 200F M pa l i m 4150F M pa 。 故 l i m 33 200 1541 . 3FFFM p a M p aS l i m 44 150 1151 . 3FFFM p a M p aS 。 按齿面接触强度设计： 9 级精度制造，查课本第 164 页表 11-3 得：载荷系数 1.2K ，取齿宽系数 0.5 计算中心距： 由课本第 165 页式 11-5 得： 2222 2 333 3 3 5 3 3 5 1 . 2 4 7 0 . 3 1 01 3 . 5 6 1 2 4 1 . 34 9 0 0 . 4 3 . 5 6HKTauu 取 250a 4m 则 34 2 125aZZ m 取 3 27Z 4 98Z 计算传动比误差： 98 3 . 5 627 1 0 0 % 1 . 9 % 5 %3 . 5 6 合适 齿宽： 0 . 5 2 5 0 1 2 5ba 则取 4 125b 34 5 1 0 1 3 0bb : 低速级大齿轮： 4 125b 4 98Z 低速级小齿轮： 3 130b 3 27Z 验算轮齿弯曲强度：查课本第 167 页表 11-9 得： 3 2.65FY 4 2.25FY nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 19 按最小齿宽 4 125b 计算： 333333222 2 1 . 2 1 5 9 1 . 5 2 . 6 5 1 0 4 7 . 91 2 5 4 2 7FFFK T Y M p ab m Z 42 3 434 0 . 7FF F FFY M p aY 安全。 齿轮的圆周速度： 32 2 7 4 6 8 0 . 1 2 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0dnV m s 查课本第 162 页表 11-2 知选用 9 级的的精度是合适的。 3.1.3 轴的设计 1 高速轴设计： 材料：选用 45 号钢调质处理。查课本第 230 页表 14-2 取 35Mpa C=100。 各 轴 段 直 径 的 确 定 ： 根 据 课 本 第 230 页式 14-2 得：1m i n133 3 . 5 21 0 0 2 2 . 43 1 4 . 8PdC n 又因为装小带轮的电动机轴径 38d ，又因为高速轴第一段轴径装配大带轮，且 1 0 . 8 1 . 2 3 8d : 所以查手册第 9 页表 1-16 取 1 36d 。L1=1.75d1-3=60。 2 40d 因为大带轮要靠轴肩定位 ，且还要配合密封圈，所以查手册 85 页表 7-12 取 2 40d ，L2=m+e+l+5=28+9+16+5=58。 3d 段装配轴承且 32dd ，所以查手册 62 页表 6-1 取 3 45d 。选用 6009 轴承。 L3=B+ 3 +2=16+10+2=28。 4d 段主要是定位轴承，取 4 50d 。 L4 根据箱体内壁线确定后在确定。 5d 装配齿轮段直径：判断是不是作成齿轮轴： 4 1 2 . 52fdde t m 查手册 51 页表 4-1 得： 1 3.3t mm 得： e=5.9 6.25。 6d 段装配轴承所以 6345dd L6= L3=28。 2 校核该轴和轴承： L1=73 L2=211 L3=96 作用在齿轮上的圆周力为： 3112 2 1 0 6 . 9 1 0 29482 9 2 . 5tTFNd 径向力为 2 9 8 4 2 0 1 0 7 3rtF F t g t g N 作用在轴 1 带轮上的外力： 1 1 3 2 . 8QF F Nnts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 20 求垂直面的支反力： 2112211 1 0 7 3 8 0 07 3 2 1 1rVlFFNll 21 1 0 7 3 8 0 0 2 7 3V r VF F F N 求垂直弯矩，并绘制垂直弯矩图： 322 2 7 3 2 1 1 1 0 5 7 . 6 .a v vM F l N m 311 8 0 0 7 3 1 0 5 7 . 4 .a v vM F l N m 求水平面的支承力： 由1 1 2 2()HtF l l F l得 2112211 2 9 4 8 2 1 9 77 3 2 1 1HtlFFll N 21 2 9 4 8 2 1 9 7 7 5 1H t HF F F N 求并绘制水平面弯矩图： 311 2 1 9 7 7 3 1 0 1 5 8 . 2 .a H HM F l N m 322 7 5 1 2 1 1 1 0 1 5 8 . 4 .a H HM F l N m 求 F 在支点产生的反力： 31129 6 1 1 3 2 . 8 3 8 4 . 37 3 2 1 1FlFFNll 21 3 8 4 . 3 1 1 3 2 . 8 1 5 1 7 . 1FFF F F N 求并绘制 F 力产生的弯矩图： 323 1 1 3 2 . 8 9 6 1 0 1 0 8 . 7FM F l N 311 3 8 4 . 3 7 3 1 0 2 7 . 7a F FM F l N F 在 a 处产生的弯矩： 311 3 8 4 . 3 7 3 1 0 2 7 . 7a F FM F l N m 求合成弯矩图： 考虑最不利的情况，把 aFM与 22av aHMM直接相加。 2 2 2 22 7 . 7 5 7 . 6 1 5 8 . 2 1 9 6 . 1 .a a F a V a HM M M M N m 2 2 2 22 7 . 7 5 7 . 4 1 5 8 . 4 1 9 6 . 2 .a a F a V a HM M M M N m nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 21 求危险截面当量弯矩： 从图可见， m-m 处截面最危险，其当量弯矩为：（取折合系数 0.6 ） 2 2 2 2( ) 1 9 6 . 2 ( 0 . 6 1 0 6 . 9 ) 2 0 6 . 4 .aeM M T N m 计算危险截面处轴的直径： 因为材料选择 #45 调质，查课本 225 页表 14-1 得 650B MPa ，查课本 231 页表 14-3 得许用弯曲应力 1 60b M P a ，则： 33312 0 6 . 4 1 0 3 2 . 50 . 1 0 . 1 6 0e bMd m m 因为54 50ad d d m m d ，所以该轴是安全的。 3 轴承寿命校核： 轴承寿命可由式 610 ()60 th PCfLhn P f 进行校核，由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以rPF，查课本 259 页表 16-9， 10 取 1, 1 .2 ,tpff取 3 按最不利考虑，则有： 2 2 2 21 1 1 1 8 0 0 2 1 9 7 3 8 4 . 3 2 7 2 2 . 4r v H FF F F F N 2 2 2 22 2 2 2 2 7 3 7 5 1 1 5 1 7 . 1 2 3 1 6 . 2r v H FF F F F N 则 6 6 3 31 0 1 0 1 2 9 . 5 1 0( ) ( ) 6 . 36 0 6 0 3 1 4 . 8 1 . 2 2 3 1 6 . 2th PCfLhn f P 年因此所该轴承符合要求。 4 弯矩及轴的受力分析图如下： 轴1nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 22 5 键的设计与校核 : 根据113 6 , 1 0 6 .9dT，确定 V 带轮选铸铁 HT200，参考教材表 10-9,由于1 36d 在 30 38: 范围内，故1d轴段上采用键 bh ： 10 8 , 采用 A 型普通键 : 键校核 . 为 L1=1.75d1-3=60 综 合 考 虑 取 l =50 得 314 4 1 0 6 . 9 1 0 3 7 . 1 3 6 8 5 0 1 0pT M p a pd l h 查课本 155 页表 10-10 5 0 6 0b : 所选键为： : 1 0 8 5 0b h l 中间轴的设计： 材料：选用 45 号钢调质处理。查课本第 230 页表 14-2 取 35Mpa C=100。 根据课本第 230 页式 14-2 得： 2m i n233 3 . 2 11 0 0 3 6 . 168PdC n 1d 段要装配轴承，所以查手册第 9 页表 1-16 取 1 40d ，查手册 62 页表 6-1 选用 6208 轴承，L1=B+ 3 + 2 + 23:=18+10+10+2=40。 2d 装配低速级小齿轮，且 21dd 取 2 45d ， L2=128，因为要比齿轮孔长度少 23: 。 3d 段主要是定位高速级大齿轮，所以取 3 60d ， L3= 4 =10。 4d 装配高速级大齿轮，取 4 45d L4=84-2=82。 5d 段要装配轴承，所以查手册第 9 页表 1-16 取 5 45d ，查手册 62 页表 6-1 选用 6208 轴承， L1=B+ 3 + 2 +3+ 23:=18+10+10+2=43。 校核该轴和轴承： L1=74 L2=117 L3=94 作用在 2、 3 齿轮上的圆周力： 32222 2 4 7 0 . 3 1 0 27071 3 9 2 . 5tTFNd 32332 2 4 7 0 . 3 1 087092 7 4tTFd N 径向力： 22 2 7 0 7 2 0 9 8 5rtF F t g t g N 33 8 7 0 9 2 0 3 1 6 9rtF F t g t g N 求垂直面的支反力 3 3 2 2 311 2 3() 9 8 5 ( 1 1 7 9 4 ) 3 1 6 9 9 4 3167 4 1 1 7 9 4rrVF l F l lFNl l l 2 3 1 2 3 1 6 9 3 1 6 9 8 5 2 5 0 0V r V rF F F F N nts高速高精度的拖拽系统 毕业设计（论文） 23 计算垂直弯矩： 311 3 1 6 7 4 1 0 2 3 . 9 .a V m VM F l N m 31 1 2 2 2( ) 3 1 6 ( 7 4 1 1 7 ) 9 8 5 1 1 7 1 0 5 3 . 5 .a V n V rM F l l F l N m 求水平面的支承力： 3 3 2 2 311 2 3() 8 7 0 9 9 4 2 7 0 7 2 1 1 45867 4 1 1 7 9 4ttHF l F l lFNl l l 2 2 3 1 2 7 0 7 8 7 0 9 4 5 8 6 6 8 3 0H t t HF F F F N 计算、绘制水平面弯矩图： 311 4 5 8 6 7 4 1 0 3 2 3 .a H m HM F l N m 32 1 2 3 2( ) 6 8 3 0 ( 7 4 1 1 7 ) 8 7 0 9 1 1 7 1 0 2 9 5 .a H n H tM F l l F l N m 求合成弯矩图，按最不 利情况考虑： 2 2 2 22 3 . 9 3 2 3 3 2 3 . 8 .a m a v m a H mM
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