建筑卷扬机及其排绳机构的设计.doc

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 2 筑卷扬机中 当时使我国的卷扬机技术一改几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 3 1 21 2 设计方法或技术路线 设计方法或技术路线 1 2 11 2 1 设计要求设计要求 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 21 2 2 各零部件的设计各零部件的设计 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 1 93 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 31 2 3 拟采用的方法或技术路线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 4 对卷扬机滚筒进行结构设计和强度 寿命校核 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 5 2 2 卷扬机部件的设计计算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 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和短时工作制 并优先选用 YZR 绕线转子 3 S 2 S 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 3 S 2 1 12 1 1 电动机功率的初选 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 1 60000 ee g vF P 式中 钢丝绳额定拉力 N e F 钢丝绳额定速度 m min e v 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 6 率 21 2 3 567 8 9 10 4 1 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 10 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 99 1 1 1 i 两级圆柱齿轮减速器 同轴式 93 2 2 i 齿式连轴器 99 1 3 3 i 开式齿轮传动 98 4 4 i 卷筒 滚动轴承 96 5 5 i 链传动 94 6 6 i 丝杠 40 8 则总传动效率为 0 86 54321 7 选取钢丝绳的速度 0 25m s 则动载系数 1 13 e v 14 24 KW 60000 ee g vF P 86 0 60000 6025 0109 4 4 卷筒转速 3 10 e e e D v n 式中 钢丝绳额定速度 m min e v 卷筒基准层钢丝绳中心直径 mm e D 2 3 10 e e e D v n 3 10 5 446 6025 0 70 10 min 11 r 总传动比 e de n n i 式中 电动机额定转速 r min de n 卷筒转速 r min e n 68 18 g de n n i 11 750 根据 建筑卷扬机的设计 表 3 7 可选取传动比的两级圆柱齿轮608 2 i 减速器 同轴式 并取 25 则开式齿轮传动比 2 73 2 i 4 i 321 4 iii i i 1251 18 68 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 750 r min 额定功率 de n P 15KW 额定电压 380V 8 2 2 钢丝绳的计算及确定 钢丝绳的计算及确定 2 2 12 2 1 材料和种类的分材料和种类的分析 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 22 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 9 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 A A A A 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 2 2 3 钢丝绳直径的确定 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 3 n F S n e p gs 式中 整条钢丝绳的破断拉力 N pS 卷扬机工作级别规定的最小安全系数 见 建筑卷扬机的设 n 计 表 3 95 钢丝绳的额定拉力 N eF 10 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 MG 59 8 4 9 N eF 3 10 4 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工作级别 6 A 根据 建筑卷扬机的设计 表 3 95 可查得 6 n 4 96 2 94 4 epFnS 4 10 5 10 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 2 mm 钢丝绳破断拉力总和 38600fKg 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 38600 0 85 32810pS fKg 钢丝绳安全系数 6 69 6 5 gsn e p F S 4900 32810 n 故符合要求 注 19 8N fKg 2 3 排绳机构传动方式的确定 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 11 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 6 1 2 s Z Z ad p i 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 mm 1 QadsL 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 NPI5 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 12 有 7 NPIQadsL5 0 1 推出链轮传动比 1 2 s Z Z 5 0 1 ad p i N Q 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 446 5mm Dk 2 卷筒长度 800mm L1 3 每层缠绕圈数 33 1 5 23 800 ads T L Q 4 卷筒工作部分长度 mm784 133 1 5 23 1 QadsL 5 初步取链轮传动比i 2 13 由 N Q 5 0 1 ad p i s 得32 5 25 0 133 5 0 1 i Q N 49 1 5 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 038 21 7 12 19 267 P D 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 Z2 i 67 2 134 14 3 3 卷筒及卷筒轴设计卷筒及卷筒轴设计 3 1 卷筒的设计计算卷筒的设计计算 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 13 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 23 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 dKD e 图 3 卷筒的结构图 式中 卷筒直径比 是与卷扬机工作 e K 钢丝绳的直径 mm d 15 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 19 e K 23 5 19 446 5 mm D 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 20 1e K 故 D 20 23 5 470 mm 2 卷筒的直径 470 23 5 446 5 mm 0 D 0 DDd 3 卷筒容绳宽度 t B 卷筒容绳宽度 一般可按下述关系确定 0 3DBt 式中 卷筒直径 m 0 D 446 5 133 5 mm t B3 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 过大会严重影响卷筒寿命 故取 即 2 446 5 893mm t B t B 0 2D t B 取 800 mm t B 4 卷筒边缘直径卷筒边缘直径即卷筒端侧板直径 对于多层缠绕 位 k D 防止钢丝绳脱落 端侧板径应大于钢丝绳最外层绳圈直径 端侧板直径用下式 计算 8 sk DD d4 16 式中 最外层钢绳绳芯直径 由下式确定 s D s D 0 D2S1 其中 钢丝缠绕层数dS 设钢丝绳缠绕层数为 2 层即 S 2 则 446 5 2 2 1 23 5 517 mm s D 517 423 5 600 mm k D 卷筒缠绕层数计算公式 9 d mDD S kk 2 2 0 式中 为保证钢丝绳不越出端侧板外缘的安全高度 mm k m 该值在绕中应不小于 1 5 倍的钢丝绳直径 在多层缠绕中应不小于 2 倍的钢 丝绳径 取 5 2 5 23 5 58 75 mm k md 则由 a 可得 kk DmDdS 22 0 求得 2 2 23 5 446 5 2 58 75 658 k D 综上考虑取 700 mm k D 5 卷筒容绳量 卷筒的容绳是指钢丝绳在卷筒上顺序紧密排列时 达到规定的缠绕层数所 能容纳的钢丝绳工作度的最大值 卷筒的容绳量可下述方法计算 第 层钢丝绳绳直径为i dSDD ii 12 0 式中 层 1 2 3 i SiiS 第 层卷的钢丝绳长度为 10 i 3 0 10 12 1 dSDdBL iti 卷筒容绳量为实际容绳量应加上钢丝绳安全圈的长度 一般为 3 圈 3 14 100 23 5 1 446 5 2 1 1 23 5 61 10 m 1 L 3 10 17 3 14 90 23 5 1 446 5 2 2 1 23 5 67 21 m 2 L 3 10 61 10 67 21 128 31 m 加上安全圈 3 圈 即 439 9 128 31 3 14 23 5 3128 53 m L3 d 3 10 3 1 33 1 3 卷筒的受力分析 筒是卷扬机直接承载零件 受力比较复杂 分析清楚卷筒上所受的力 对 卷扬机整设计具有十分重要的意义 1 丝绳拉力与卷筒支承处反力 工作中 钢丝绳拉力使卷筒像空心轴一样被弯曲 支反力为 其弯矩随钢丝绳超绕位置不同而变化 具有瞬变效F L XL R F A F L X R F B 应 另外卷筒自重也使卷筒产生弯曲 当时 由于弯矩较小 在强度计 0 3DL 算时通常忽略不 2 钢丝绳拉力产在筒壁上的转矩 在钢丝绳力的作用下 卷筒就好像空心轴一样被扭转 其转矩可 用下式计算 该转矩产生的筒壁应力较小 一般情况可忽略不计 3 卷筒筒壁的向压力 q 由钢丝缠绕产生的对筒壁外缘表面圆周方向的径向压力 除对 筒壁产生圆周方向挤压应力外 还将引起筒壁局部弯曲应力 该力是影响筒壁 强度的重要因 4 钢丝绳对端板产生的轴向推力 s N 该力是于钢丝绳缠绕至端侧板根部并向新的一层过渡过程中钢 丝绳与侧板之间楔入作用产生的 此力是计算端侧板强度的主要外力 3 1 43 1 4 卷筒强度计算校核 卷筒强度计算要包括两个方面 一是筒壁的强度计算 二是端侧板的强度 计算 18 1 卷筒筒壁外面均布载荷公式 的确定 q 11 tD F q 0 2 2 卷筒壁的应力 按法国波坦公司于钢制焊接卷筒的强度计算方法 确定卷筒壁的应力 该 方法要求 时 忽略丝绳拉力产生的弯曲和扭转 仅考虑钢丝绳缠绕时 0 3DL 的环向压缩应力和局部弯曲应力卷筒筒壁强度的影响 钢丝绳绕出处卷筒压应 力 2 对于大齿轮来说由上述的结果可知 19 z 2 m a d a h 50 2 1 8 416mm a d 由上面的结论可知 由于齿顶圆直径比较大 齿轮可做成轮辐截面为 十 字形轮辐式结构 a d 如下图 6 1D3 l B C1 2 D4 H1 H R 1 20 c1 C R da 图 6 轮辐式大齿轮 Bl B 轮辐数常取为6 4 2 排绳器的设计排绳器的设计 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 20 4 2 14 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 2 3 567 8 9 10 4 1 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 10 链轮 1 图 7 卷扬机的传动原理图 4 2 24 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 2 0 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 21 dBLK 式中 B 卷筒容绳宽度 mm d 钢丝绳直径 mm 800 23 5 776 5 mm k L 而又可写成 t丝杠n k L k L 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 120 180 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 mm i D L m 15 4 252 66 2 式中 双向丝杠中径 mm m D 卷筒 丝杠间的传动比 i 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 34 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 22 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 1 2 1 2 d T Q A ca 式中 A一螺杆危险剖面面积 mmdA 2 1 4 Q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 N mm 2 2 d QtgT v 一当量摩擦角 当量摩攘系数 对钢一青铜 v vv arctgf v f 0 08 0 1C 对淬火钢一青铜 0 06 0 08 v f v f 一许用应力MPa 为材料屈服极限 载荷稳定 53 q q 时 取大值 对d1的选取 可根据螺杆稳定性确定 根据螺杆柔度值 选取不同公 s 式计算 i ul s 式中 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 5u 一螺杆两支承间距离 mml 一螺杆危险剖面惯性半径 mmi 4 t d i 时100 s n 23 2 2 ul EI Q 式中 E一材料弹性模数E 3 06 108 MPa I一危险剖面惯性矩 mm 4 64 4 1 d I 时 对35 50号钢100 s b 4 1 4 57 2 461 dQ s 若 可不必校核 40 s 4 2 44 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 3 1 较软材料之硬度为许用接触应力 对常用滑块材料ZQA19 4其硬度范围 3 1 HB 980 1078MPa 故许用接触应力 HB p 3 1 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 p k mx l Q P 式中 一主曲率和 k k mmrR 111 Q一轴向载荷N 24 弹性位移 2 2 1 1 22 11 E u E u E1 E2一两接触体弹性模量 对钢E2一2 08 105N mm 对锕E1 1 029 105 N mm 一泊松比 对钢和铜 1 2 0 3 1 2 故对钢一青铜摩擦副 4 463 10 6mm2 N 一接触长度 mml o H l 15cos 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 MPa bb BHtgd HQ W M 15 36032 2 1 20 0 2 对青铜 MPa6040 b 滑块剪切强度计算 MPa 15 3604 0 0 2 BHtgd Q 对青铜 MPa40 30 b 4 2 54 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 25 5 5 电气控制系统设计电气控制系统设计 5 1 电气控制系统的要求和内容电气控制系统的要求和内容 5 1 15 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 25 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 26 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 15 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 25 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 27 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 KM1 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 35 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 28 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 X002X003Y002 M101 M100 Y005 Y004 Y004 Y006 Y007 Y005 Y006 Y005 Y006 Y007 Y003 Y004 T252 KM1 KM2 KM3 KM4 KM5 KM6 KM7 M100 KU X005X006 正转起动 反转起动 低速转动 高速转动 Y005 T250 M100 T250 Y001 M101 Y001 X004 X003X002 X004 X006 X005 K300 T251 K300 T252 K400 FU Y006 Y004 M101 T251 Y002 Y002 Y002 Y001 Y001 图 9 电气原理图 29 SB2 SB3 SB4 SB5 S