轮轨式移动提升机传动系统设计及车架部件设计

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 1 页 共 73 页1 绪论1.1 本课题研究背景随着社会经济的不断发展，社会生产技术的不断提高，自动化生产的不断普及，对于机械工作运转效率也有了更高的要求。这其中就包括广泛用于建筑、水利、电力、道路、矿山、港口和国防等工程领域的提升机构。提升机构，顾名思义即利用外界动力，将重物提升至一定高度的机构。其在一些常用机械中也起着举足轻重的作用，其作用是不能被取代的。本设计研究的课题是-轮轨式移动提升机传动系统设计及车架部件设计。提升设备除了要对其精心设计制造，提高安装质量以及合理的使用和维护设备外，确保其可靠安全的运行，预防、杜绝事故的发生也有着极其重要的意义。而轮轨式移动提升机有着运动阻力小，快捷，方便高效的移动能力，能够大大的节约时间；通过设计过程中的可靠性计算，能够保证其运转的正常，从而确保工作过程的顺利进行；且本课题设计的轮轨式提升机能在包括室内、室外等不同环境作业，得到广泛的应用。本课题轮轨式移动提升机传动系统设计及车架部件设计是一门实践性与综合性较强的设计，需综合运用到各门学科知识。本次设计将使我们在理论方面和实践方面得到综合提高。锻炼我们独立思考、发现问题、解决问题、提出创新的能力。而且，提升机构，在其广泛地运用背景之下，对它的研究与改进也刻不容缓，这也正是本课题的依据及意义所在。矿井提升机的工作特点是在一定的距离内，以一定的速度往复运行。为保证提升工作高效率和安全可靠，提升机应具有良好的控制设备和完善的保护装置。提升机在工作中一旦发生机械或电气故障，就会严重地影响到正常的生产，甚至造成人身伤亡。所以熟悉提升机的性能、结构和动作原理，提高安装质量，合理使用设备加强设备维护，对于确保提升工作高效率和安全可靠，防止和杜绝故障及事故的发生，具有重大意义。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 2 页 共 73 页1.2 提升设备工作原理我国把缠绕直径在 2m 以上的提升设备称之为提升机械；缠绕直径在 2m 以下（不包括 2m）的称为绞车（尽管这两者的结构基本相同） 。有的国家（例如德国） ，把最大提升速度大于 4m/s 的提升设备称之为提升机械；小于 4m/s 的称为绞车；这些说法，都从一个侧面或一定程度上说明了提升机械的功能和特征。提升机按工作原理的不同,可分为两大类,如下图所示。 提 升 机 单 绳 缠 绕 式多 绳 缠 绕 式 单 卷 筒 提 升 机双 卷 筒 提 升 机一般的单绳缠绕式提升机，单绳缠绕式提升机的工作原理如图 1.1。图 1.1 提升机工作示意图简单地说就是用一根较粗的钢丝绳在卷筒上缠上和缠下来实现容器的提升和下放运动。图 1.1 所示为单绳缠绕式单卷筒提升机，卷简上固定两根钢丝绳，并应使每根钢丝绳在卷简上的缠绕方向相反。这样，当电动机经过减速器带动卷筒旋转时，两根钢丝绳便经过天轮在卷筒上缠上和缠下，从而使提升容器在井筒里上下运动。不难看出，单绳缠绕式提升机的一个根本特点和缺点是钢丝南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 3 页 共 73 页绳在卷筒上不断的缠上和缠下，这就要求卷筒必须具备一定的缠绕表面积，以便能容纳下根据井深或提升高度所确定的钢丝绳悬垂长度。单绳缠绕式提升机的规格性能、应用范围及机械结构等，都是由这一特点来确定的。它的最大提升高度和最大载荷等，受现有钢丝绳的承载能力和卷筒的容绳量的限制。一般而言，当钢丝绳直径大于 60mm，钢丝强度超过 1700MPa 时，制造较困难。同时，也会使提升机械庞大。因此，一般载重量不超过 20t，一层缠绕时的提升高度不超过 600m。移动式提升机是在单绳缠绕式提升机的基础上发展而来的，它是将提升设备安装在一移动平台车架上而改装成。可由其他运输设备拖动，在矿井轨道上移动。移动式提升机又类似于汽车起重机，在工作时可放下支脚，驻锄，及上顶（用于支承矿井顶部）等辅助支承部件，在非工作状态下，可收起支脚，上顶，在其他设备帮助下移动到别处。这样做极大节省了矿井内，尤其是矿井口的有限空间，同时也可用一台提升机工作于多个矿井口。移动式提升机的主要单元可分为：电动机、减速器、制动器、卷筒、钢丝绳、车架等等。1.3 矿井提升设备的分类及基本组成1.3.1 矿井提升设备的分类1按用途分类（1）主井提升设备：专门用于提升矿石。（2）副井提升设备：专门用于提升矸石、升降人员、运送材料和设备等。2按提长机类型分类（1）缠绕式提升设备：单绳式和多绳式。（2）摩擦式提升设备：单绳式和多绳式。3按井筒斜角分类（1）竖井提升设备。（2）斜井提升设备。4按提升容器分类（1）罐笼提升设备。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 4 页 共 73 页（2）箕斗提升设备。（3）矿车组提升设备（只用于斜井提升） 。（4）吊桶提升设备（只用于竖井提升） 。5按拖动装置分类（1）交流感应电动机拖动提升设备。（2）直流电动机拖动提升设备。6按提升系统的平衡分类（1）不平衡提升设备。（2）提升平衡设备。本课题所设计的移动式提升机的工作原理同于一般的单绳缠绕式提升机。1.3.2 矿井提升设备的组成矿井提升设备主要由提升容器、提升钢丝绳、提升机、井架和天轮以及装卸载附属装置组成。1.1 提升机的组成工作机构主轴装置减速器传动系统 联轴器机 制动器主制动器和辅助制动器械 制动系统 提 部 制动器控制装置液压站和气压站分 测速发电机装置升 保护系统护板、护栅、护罩 机 主电机 电气 电气控制装置部分 电气保护系统 南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 5 页 共 73 页1.4 提升机发展概况从提升机的结构和品种方面的发展来看，首先出现的是单绳缠绕式圆柱形单筒提升机。1876 年德国人戈培利用摩擦原理，制造出单绳摩擦式提升机。这种提升机利用一根提升钢丝绳，绳的两端分别各联一个提升容器，而提升钢丝绳则挂在摩擦轮上，摩擦轮传动时，轮上的提升钢丝绳因摩擦力而随轮一起转动，使绳上的两个提升容器一个上升，一个下降。由于摩擦轮提升钢丝绳不缠绕在轮上，提升高度与摩擦轮尺寸无直接关系。所以摩擦提升机特别适合用于较深的矿井中。以后，随着矿井生产的发展和技术的进步，缠绕式卷筒提升机和摩擦轮式提升机又各有其不同的发展。缠绕式提升机由单筒发展到双筒，为适应提升距离增加和节省电能的需要，又发展了圆锥形、圆柱形圆锥型、双圆柱圆柱锥形及单筒可分离式卷筒提升机等不同结构形式。1938 年又出现了多绳摩擦式矿井提升机，这不仅扩大了摩擦提升机的应用范围，而且使提升机的结构尺寸和提升能力大幅度提高，从而为采用大提升量容器创造了条件，并提高了安全可靠性。但这种提升机真正在世界各国推广使用还是在 60 年代后。目前多绳摩擦轮式提升机的绳数已达到 14 根，最大一次提升量达到 65 吨，最大直径一般达到 9 米，绳速达 35m/s。随着世界采矿业的发展，开采深度不断提高。在南非的金矿开采中，一次提升高度已达 2600m，这对于一般单绳缠绕式提升机来说是不能胜任的。即使采用多绳摩擦式提升 机，也出现过不少尾绳事故。后来又出现了适合超深井的双绳缠绕的布雷尔式提升机。20 世纪 70 年代后，矿井提升机的类型和结构形式等都在日新月异地向前发展，目前，国外的提升机正向体积小、重量轻和自动化的方向发展，以适应深井和大产量的需要。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 6 页 共 73 页2 传动方案设计本课题设计题目：轮轨式移动提升机传动系统设计及车架部件设计初始设计参数： 提升重量： G=4000KG提升高度： H=120m提升速度： VQ=8m/min工作类型： 中级轨 距： L=600mm设计要求：1、进行轮轨式移动提升机的整体设计，包括主要参数尺寸的确定，传动系统的选型及设计、计算。2、对车架部件进行设计。3、对一些零部件进行设计、验算。滑轮组提升设计：本课题采用定滑轮传动，具有结构简单，拆装方便，制造成本低等优点,如下图所示图 2.1 滑轮组布局图南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 7 页 共 73 页其中提升机主体部分，经过分析，最终确定减速器部分第一级采用 2K-H 行星传动，第二级采用 K-H-V 传动。即减速器部分设计方案如下图所示：图 2.2 减速器设计传动示意图其中 为行星轮，销轴固定，通过偏心结构即 H 结构带动行星轮做小半径的公转，以此跟与卷筒固定的内齿轮啮合，并带动卷筒转动。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 8 页 共 73 页3 工作装置的设计计算3.1 钢丝绳3.1.1 钢丝绳的材料及制造 钢丝绳是起重机械中使用最为广泛的传动挠性件。其优点是：卷绕性好、承载能力大、自重轻、运行时平稳无噪音，适于高速传动；弹性好、强度高、过载能力强，工作时一般不会发生突然断裂，比较可靠。因而，获得广泛应用。钢丝绳是由许多直径为 0.52mm 高强钢丝绕编而成。钢丝的材料通常采用优质碳素钢，其含碳量约为 0.15%0.18%，含硫磷量不大于 0.03%，拉伸强度极限通常为 14002000N/,特殊情况下可达 2400N/。起重机中使用16001800N/的较适宜。钢丝的品质根据内弯次数的多少分为特级、级及级。起重机采用级，特级用于载客电梯，级用于系物等次要用途。根据不同的使用目的，其结构和绕编方式各不相同，起重机采用双重绕钢丝绳。3.1.2 钢丝绳的种类 钢丝绳根据不同的结构和编绕方式而有不同种类。1.钢丝绳的捻绕次数（1）单绕绳 图 3-1 所示，单绕绳是由若干层钢丝绳依次围绕一根钢芯绕制而成。这种钢丝绳的构造最简单，其特点是刚性大，挠曲性差，不宜用作起重绳，可用作起重机的桅索、拉索和架空索道的承载索等。（2）双绕绳 图 3-2 所示，双绕绳是先由钢丝拧成股，然后再将股拧成绳。这种钢丝绳挠性较好，是起重机常用绳。 （3）三绕绳 图 3-3 所示，三绕绳是把双绕绳作为股，再由几股拧成绳。这种钢丝绳挠性特别好，但由于制造复杂，并且钢丝较细，容易磨损折断，起重机中一般不用。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 9 页 共 73 页图 3.1 点接触股 图 3.2 双绕绳 图 3.3 三绕绳2.钢丝绳的捻制方法（1）顺绕绳 图 3.4a 所示，钢丝绳绕成股与股绕成绳的方向相同。这种钢丝绳挠性好，表面光滑，使用寿命长，但容易自行松散和扭转。因此它只能用于经常保持张紧状态的地方，如小车运行机构的牵引绳。（2）交绕绳 图 3.4b 所示，钢丝绳绕成股与股绕成绳的方向相反。其挠性与使用寿命都较顺绕绳差。但由于股与绳的扭转趋势相反，克服了扭转和易松散的缺陷，故在起重机中使用较广。（3）混绕绳 图 3.4c 所示，即一半顺绕，一半交绕。因工艺复杂，极少应用。图 3.4 钢丝绳的绕向a顺绕绳；b.交绕绳；c.混绕绳3.股的形状（1）圆股绳 图 3.3 所示，钢丝绳中的股为圆形。制造方便，一般常用。（2）异形股绳 图 3.5 所示，钢丝绳中的股呈三角形、椭圆形及扁圆形等。这种钢丝绳与滑轮槽和卷筒槽接触良好，使用寿命长，但制造复杂。 图 3.5 异型股钢丝绳a三角股钢丝绳；b.椭圆股钢丝绳；c.扁股钢丝绳南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 10 页 共 73 页（3）多股不扭转绳 图 3.6 所示，钢丝绳中各相邻层股的捻向相反。这种钢丝绳在卷筒上接触表面较大，抗挤压强度高，寿命长，而且受力时其自由端不会发生旋转。特别适宜于用作起升高度特大的自升式塔式起重机的起升钢丝绳。图 3.6 不扭转钢丝绳的构造与抗扭机理a.4 种多层不扭转钢丝绳构造示意图b.不扭转钢丝绳内外层绳股的捻向及其抗扭特性形成的机理示意图4.钢丝绳中钢丝与钢丝的接触状态（1）点接触钢丝绳 图 3.7a 所示，绳股中各层钢丝直径均相同，而内外各层钢丝的节距不同，因而相互交叉形成点接触。缺点是接触应力高，表面粗糙，易破断，使用寿命低。但因其制造工艺简单，价格低廉，曾广泛用于起重机中，先逐渐被线接触钢丝绳索代替。图 3.7 二种接触的钢丝绳a.点接触； b.线接触（2）线接触钢丝绳 图 3.7b 所示，绳股由不同直径的钢丝绕制而成。通过断面几个尺寸的适当配置，使每一层钢丝的节距均相等，并使外层钢丝位于内层钢丝绳之间的沟槽内，内外层钢丝互相接触在一条螺旋线上，形成线接触。这种钢丝绳消除了点接触钢丝绳所具有的二次弯曲应力，可降低工作时总的弯曲应力，承载能力高，而且挠性好，耐腐蚀，使用寿命长，在起重机得到了日南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 11 页 共 73 页益广泛的应用。线接触钢丝绳根据绳股断面的结构又可分为三种形式：西尔型 图 3.8a 所示，又称外粗式，代号为 X。这种钢丝绳股中，外层钢丝粗，内层钢丝细，同一层钢丝的直径相同。其特点是耐磨性好，但挠性较差。瓦林吞型 图 3.8b 所示，又称粗细式，代号为 W。这种钢丝绳股的外层由不同直径的钢丝组成，配置的细钢丝同时保持与三根相邻钢丝接触，其断面填充系数高，挠性好，承载能力大，是起重机常用的形式。填充型 图 3.8c 所示，代号为 T。在股中内外层钢丝形成的沟槽中填充细钢丝，断面填充系数高，增加了承载能力。（3）点、线接触钢丝绳 图 3.9 所示，这是一种混合结构的钢丝绳。如图所示其外面为西尔型，里面是是点接触。图 3.8 线接触股 图 3.9 点、线接触绳a西尔型；b.瓦林吞型；c.填充式钢丝绳3.1.3 钢丝绳的选用钢丝绳的选择包括钢丝绳结构型式的选择和钢丝绳直径的确定。1.钢丝绳结构型式的选择绕经滑轮组和卷筒的机构工作钢丝绳应优先选用线接触钢丝绳。在腐蚀性环境中应采用镀锌钢丝绳。钢丝绳的性能和强度应满足机构安全工作的要求。一般情况下，单根的钢丝绳右捻和左捻在使用上并无区别，但由于穿绕双联滑轮组时要求使用右捻，以使之正确的卷绕于同一卷筒上。顺向捻的钢丝绳表面较平整，也较柔软，具有良好的抗弯曲疲劳性能，因此比较耐用。其缺点是：绳股容易松开，绳头必须扎紧；悬吊重物时容易旋转，极易卷曲扭结，故在吊装中不宜采用。交互捻钢丝绳与顺向捻钢丝绳相反，虽耐用程度较差，但南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 12 页 共 73 页是使用方便。一般采用 W 型，耐磨性能较高。由于钢丝绳捻绕方向的不同，其特点和采用范围也有所不同，为了使用上的方便，避免使用过程中钢丝绳扭转纠缠，故在起重机、滑轮组等起吊装置中，多采用交互捻的钢丝绳为合适。2.钢丝绳直径的确定据已知：= G = 4000 Kg 9.8 N/KgmaxF查起重运输机械表 2-2 初选定多层卷绕、圆股线接触钢芯钢丝绳。其结构形 6W（19）+7X7。根据 GB/T3811-1983 计算：（1） 、按选择系数 C 确定钢丝绳直径 d(mm)（3.1）maxdF式中 d 钢丝绳的最小直径C选择系数(m m )。N钢丝绳最大工作静拉力(N)。选择系数 C 的取值计算：（3.2）4bnk式中：n 安全系数按机械设计手册-2表 8.1-8 选取。K 钢丝绳捻制折减系数，按机械设计手册-2表 8.1-9表 8.1-33选取；钢丝绳充满系数。钢丝的公称抗拉强度（N/）,按表 8.1-9表 8.1-南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 13 页 共 73 页33 选取有设计要求，工作等级为中级，取 M7，继而查表得：n = 7 K = 0.92 = 0.46 =1470MPa带入式（3.2） 7 0.120.92464bnCk则据式（3.1）得max .1.824.3dFm圆整取 d 为 26mm。3.钢丝绳强度校核：本课题所设计装置中钢丝绳所受最大拉力为： （3.3）maxbkSF有所选钢丝绳的类型及工作等级，确定 k = 6， = 0.8代入式（3.3）得5max6 409.82.710.5bkSFN查表机械设计手册-2表 8.1-10，当取 d=26，公称抗拉强度为 1470MPa 钢 丝绳的所受最小破断拉力为 3.53 N。由于 2.77 N 3.53 N ，因此，强度满足。故钢丝绳的标记为钢丝绳 619W+-26-光-右交 GB1102-743.1.4 延长钢丝绳使用寿命的途径所谓钢丝绳的寿命，就是达到报废标准的使用期限。钢丝绳在使用一段时间之后，首先是表面的钢丝被磨损及产生疲劳破断。根据使用规范规定，钢丝南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 14 页 共 73 页绳任何一股的捻距破断钢丝达到规定的数值时，钢丝绳就应该报废，换用新的钢丝绳。为了延长钢丝绳的使用寿命，除了选用合适的钢丝绳构造型式外，可以采取下述几方面的措施：(1).提高安全系数 n，也就是降低钢丝绳的应力；(2).选用较大的滑轮与卷筒直径；(3).滑轮槽的尺寸与材料对于钢丝绳的寿命有很大的影响。理想的滑轮槽半径约为 R=0.53d，R 太大使钢丝绳与滑轮槽接触面积减小，R 太小有将钢丝绳卡死的毛病。滑轮及卷筒的材料硬度过高，对于钢丝绳寿命不利。铸铁较铸钢有利，但用硬度过低的铸铁又会使滑轮或卷筒容易磨损，磨损下来的粉末会使钢丝绳受到研磨，缩短钢丝绳的寿命。近年来有在滑轮槽底镶以铝或卡普龙衬垫的，据说可以大大延长钢丝绳寿命；(4).尽量减少钢丝绳的弯曲次数，即不要使钢丝绳通过太多的滑轮（在选用滑轮组的型式及倍率时予以考虑） ，并且尽量避免使钢丝绳反向弯曲，因为反向弯曲对钢丝绳寿命更为不利。此外，仔细的维护保养，例如定期润滑，对于延长钢丝绳的寿命（石墨和凡士林的混合物） 。润滑前需用钢丝刷去绳上污物，并用煤油清洗，润滑时要将润滑油加热到 80 摄氏度以上，使油容易渗到钢丝绳的内部。一般情况下，禁止将两根钢丝绳接起来使用。3.1.5 钢丝绳端头的固结方法钢丝绳在使用时必须与其他零件联接才能传递载荷，常用的联接方法有如下几种：(1).编结法 图 3.10a 所示，将钢丝绳末端绕过心形套环后，绳头打散，分别编插入工作分支各股中，然后用细钢丝绳扎紧。捆扎长度 l=（2025）d，d 为钢丝绳直径。同时不应小于 300mm。这种方法对直径大的钢丝绳效果较好。联接处的强度约为钢丝绳自身高度的 75%90%。(2).楔形套筒法 图 3.10b 所示，用特制的钢丝绳斜楔块固定，方法简便。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 15 页 共 73 页联接处的强度约为钢丝绳自身强度的 75%85%。(3).灌铅法 图 3.10c、d 所示，将钢丝绳末端拆散，穿入锥形衬套内后弯成钩状，然后灌铅固结。此法联接强度高，与自身强度大致相同，但操作复杂，较少采用。(4).绳卡固定法 图 3.10e 所示，钢丝绳绕过心形套环后用专用的钢丝绳卡固定。绳卡底板须扣在钢丝绳的工作段上，U 形螺栓扣在钢丝绳的尾段上，联接处得强度约为钢丝绳自身强度的 80%90%。当 d 15mm 时，可用三个绳卡；16 d 20 时用四个；20 时用五个；d 26 时用六个。绳卡的型号及安装间距可查阅有关手册。(5).铝合金压头法 图 3.10f 所示，将钢丝绳端头拆散后分为六股，各股留头错开，留头长度不超过铝套长度，并切去绳芯，弯转后将其插入主索中。然后套入铝套，在气锤上压成了椭圆形，再用压模压制成型。此法加工工艺好，重量轻，安装方便，一般常做起重机固定拉索用。图 3.10 钢丝绳端头的固定方法a.编结法；b.楔形套筒法；c、d.锥套灌铅法；e.绳卡固定法；f.铝合金压头法3.2 滑轮滑轮是用来改变挠性件（钢丝绳）运动方向并平衡挠性件（钢丝绳）分支拉力的承载零件。其作用是：用来导向和支承，以改变钢丝绳的走向；组成滑轮组，达到省力或增速的目的。3.2.1 滑轮的种类南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 16 页 共 73 页在起重机中滑轮按用途分类，一般可分为定滑轮、动滑轮、滑轮组、导向滑轮和均衡滑轮等。图 3.11 各式滑轮及滑轮组 （1）定滑轮（图 3.11a）装在固定心轴上的滑轮。主要用以改变钢丝绳作用力方向，亦可用作平衡滑（2）动滑轮（图 3.11b）装在移动心轴上的滑轮。工作时随载荷的起落而升降，同时又绕自身的心轴移动。用以达到省力的目的，但不改变钢丝绳作用力方向。（3）滑轮组（图 3.11c）钢丝绳依次绕过若干定滑轮和动滑轮组成的装置称滑轮组。用来改变倍率，达到省力及减速的目的。（4）导向滑轮（图 3.11d）用以改变钢丝绳方向并可沿心轴滑动的滑轮。可起到排绳器的作用。（5）平衡滑轮（图 3.11e）平衡两支钢丝绳拉力的滑轮。可使各钢丝绳受力相同。3.2.2 滑轮的材料根据加工方法的不同，可分为铸造滑轮和焊接滑轮。滑轮一般由轮缘、轮辐和轮毂三部分组成，其构造如图 3.12 所示。滑轮的材质影响钢丝绳的寿命，如果滑轮急速磨损在绳槽上产生压痕就表明钢丝绳压在滑轮上接触压力过大，滑轮上一旦产生压痕，将会加剧南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 17 页 共 73 页别处绳的磨损，为了防止产生压痕，可通过加大滑轮直径、增加滑轮数目、采用较硬的耐磨件及性能较好的金属制造的滑轮来改善其工作状况，滑轮材料一般有以下几种：图 3.12 滑轮的结构形式a.铸造滑轮；b.焊接滑轮1.铸铁（如 HT150）滑轮 价格便宜，易于加工，并且由于它的弹性模数较低，使挤压应力较小，有利于延长钢丝绳寿命。主要缺点是轮缘易破碎，寿命短。因此在工作繁重、冲击大及不便检修的地方不宜采用。2铸钢滑轮 目前多用，常用材料有 ZG230450 和 ZG270500 等，强度和冲击韧性都很高。3.球墨铸铁（如 QT140015）滑轮 有一定的强度和韧性，不易脆裂，有利于提高钢丝绳使用寿命，可用来代替铸钢，但铸造质量不易保证。4.焊接滑轮 钢材可选用焊接性能浩的 Q235 钢。焊接滑轮重量轻，仅为铸造滑轮的 1/4.近年来，大尺寸单件生产的滑轮愈来愈多的采用焊接代替铸造，焊接滑轮轮缘可用扁钢或角钢压成，由两块或几块拼接。5.铝合金滑轮 重量轻，硬度低，有利于延长钢丝绳使用寿命，但是价格较贵，用在要求滑轮重量很轻的地方，如臂端滑轮采用铝合金还是比较经济的。6.塑料滑轮 目前国外已采用多种不同材质的聚合材料制造滑轮，形成了系列标注。这种滑轮重量轻、耐磨性好，制造工艺简单，造价较低，很有发展前途，其缺点是受温度影响，硬度、刚度较小，刚度变化比较大，容易变形。本次设计采用铸钢滑轮。3.2.3 滑轮主要尺寸的确定滑轮的主要尺寸为滑轮槽底部直径 D（即滑轮的名义直径） ，如图 3.13 所南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 18 页 共 73 页示，D 值的大小直接影响钢丝绳的使用寿命，因而设计时应合理选用。一般情况下滑轮直径不应小于允许的最小值。即：图 3.13 滑轮主要尺寸(3.4)dhD)1(min1式中: 按钢丝绳中心计算的滑轮（或卷筒）的最小卷绕直径,单位(mm)min1Dh与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数，按表 3-1 选取d钢丝绳的直径，单位(mm)表 3.1 系数 h（GB/T3811-1983）代入数据有 （20-1） 26 = 494 mmmin1D根据非标准机械设备设计手册表 6-7，滑轮代号可选 WJ06201，具体尺机构工作极别 h 值M1M3 14M4 16M5 18M6 20南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 19 页 共 73 页寸如表 3-3 所示：表 3-3 滑轮的主要尺寸3.3 卷筒3.3.1 卷筒的构造卷筒是卷绕和容纳钢丝绳的部件。通过对钢丝绳的收放，可把原动机的驱动力传递给钢丝绳，并将原动机的回转运动变为直线运动。卷筒一般由三部分组成，即筒壳、支轮及支环。筒壳是卷筒的直接承载部件；支轮是支撑筒壳和传力的部件；支环是为了增加筒壳的稳定性。1卷筒的形式卷筒的形状一般为圆柱形，特殊要求的卷筒也有制成圆锥形或曲线形的。在起重机械中主要是采用圆柱形的钢丝绳卷筒。按钢丝绳在卷筒上卷绕层数可分为单层卷绕卷筒和多层卷绕卷筒。单层卷绕卷筒表面通常切有螺旋形绳槽，钢丝绳依次排列其内（图 3.14a） 。绳槽节距比钢丝绳直径稍大，绳槽半径也比钢丝绳半径稍大，这样既增加了钢丝绳与卷筒的接触面积，又可防止在卷绕过程中相邻钢丝绳间的相互摩擦，从而延长钢丝绳的使用寿命。卷筒绳槽尺寸已有标准，可查阅相关手册。多层卷绕卷筒（图 3.14b）容绳量大。主要用于起升高度很大，卷筒长度又受到限制的提升机构。采用尺寸较小的多层卷绕卷筒对于减小机构尺寸十分主要尺寸滑轮代号钢丝绳直径d/mmD1R b W f 2D3B 推荐轴承型号参考质量/kgWJ062011923.5540 521 12.5 54 42 10 95 108 90 219 33.7南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 20 页 共 73 页有利。多层卷绕的卷筒多采用不带螺旋槽的光面卷筒，卷筒的两端必须带有侧板，以防钢丝绳侧向滑移。侧板的高度应比最外层钢丝绳高出 12.5d。但多层卷绕卷筒的钢丝绳所受的挤压力大，相互间摩擦力大，钢丝绳寿命降低，也容易产生乱绳现象。此外，当卷绕层数较多时，在绳索张力不变的情况下，卷筒的载荷力矩将随卷筒上钢丝绳层数的多少而变化，从而使机构载荷力矩不稳定。图 3.14 钢丝绳卷筒 图 3.15 焊接卷筒a.螺旋槽卷筒；b.光面卷筒按制作方式可分为铸造卷筒（图 3.14）和焊接卷筒（图 3.15） 。2卷筒的材料和制造铸造卷筒一般采用不低于 HT200 的灰铸铁铸造，重要的卷筒可用不低于QT450-10 的球墨铸铁铸造。采用铸钢时应不低于 ZG230-450，铸钢卷筒并不能使壁厚减少很多，且工艺复杂成本高，因而较少采用。焊接卷筒主要用于大直径的卷筒，多用 Q235 钢板弯成筒形焊接而成。小直径的卷筒也可采用无缝钢管制造。焊接卷筒与铸造卷筒相比，自重可以大大减轻，也适用于单件生产。3.3.2 卷筒的失效形式及其原因卷筒筒壳的损坏是矿井提升机普遍存在的问题。卷筒的失效形式主要有：卷筒筒壳的损坏是指筒壳在工作过程中产生较大的变形，并在局部地方开裂，以致不能正常工作。卷筒筒壳的开裂形式有(见图 3.16)沿筒壳圆周方向局部开裂(占多数)；沿卷筒的法兰盘(也称丈轮)或支环处局部开裂(占多数)；沿焊缝开裂或开焊；沿筒壳上螺钉孔周围开裂；沿筒壳轴南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 21 页 共 73 页线方向局部开裂(占少数)等等。图 3.16 筒壳的裂纹形式（示意图）a、 沿筒壳圆周方向局部开裂b、 沿焊缝或支环外局部开裂造成筒壳变形和开裂的主要原因有：理论计算中的误差过大；结构设计上的某些不合理，加工装配上的缺陷；使用利维护上的不合理，钢板材质上的缺陷等等。所以，对于每一个具体的筒壳开裂问题，应对下列情况进行分析：产品的技术性能、结构形式和有关的设计计算资料；加工装配质量和安装质量；产品使用的历史情况和现状，特别是使用过程中的负荷变化情况，如未满负荷使用的时间，满负荷使用的时间，是否有超负荷使用的现象，超负荷程度和使用时间的长短，非常载荷出现的次数；设备在使用过程中的维护情况；筒壳在开裂前的征兆(如变形和发响等)和开裂过程，等等。3.3.3 卷筒的计算南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 22 页 共 73 页1、卷筒的几何尺寸单层绕卷筒表面通常切出导向螺旋槽，绳槽分标准槽与深槽两种形式。一般情况都采用标准槽。当钢丝绳有脱槽危险（例如抓斗起升机构卷筒，钢丝绳向上引出的卷筒）以及高速机构中，采用深槽。图 3.17 卷筒槽形本次设计采用光筒，不用开槽。1) 卷筒的名义直径 DD=(h-1) d (3.5)式中 D卷筒名义直径d钢丝绳直径h与机构工作级别和钢丝绳结构相关的系数本次设计选取 h =20则有： D=(20-1)26= 494mm类型 A 型，据最小直径 D，查机械设计手册-2表 8.1-50，取标准值 630mm.2）卷筒的长度 L图 3.18 卷筒长度示意图单层单联卷筒 （3.6）PZDmHLd10南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 23 页 共 73 页式中 (24)PdH起重机最大起升高度；m为滑轮组倍率；钢丝绳附加安全圈数，一般取 1.53 圈；1Z卷筒的计算直径（钢丝绳截面中心距） ，即 =D+d。0D0D多层卷绕卷筒 （矿井提升机械设备 公式 3-7）maxlH73p式中 无绳槽的卷筒端部尺寸，按需要定；1L固定绳尾所需长度， 3P；2 2L中间光滑部分长度；gn卷绕层数；错绳圈数，取 24 圈； 0平均缠绕直径， = （3.7）D0D)(4122dn绳圈间的间隙，取 23mm,但应保证不咬绳。本次设计针对的是工作于矿井的提升机,工作环境狭小,必须尽量减小自身的体积,故采用多层卷绕。所以初选 n=3 层，计算 和 L0D= = = 681.68 0D)(42122dn 22316046.5mmDnHL03（3.8）= =394.1 mm312712.571026.5468 考虑到钢丝绳在卷筒上排列可能不均匀，应将卷筒长度增加则取 L=490 mm南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 24 页 共 73 页3）卷筒的厚度 钢卷筒 dmm铸造卷筒 0.02D+（610）12mm本次设计采用铸造卷筒，故有 =0.02710+6=20.2mm 12mm卷筒标记 A 630 490-15-240 JB/T9006.2-19992、卷筒的强度校核卷筒强度计算根据受力情况来具体决定，卷筒壁主要承受钢丝绳缠绕所产生的压缩应力。此外，还承受扭转和弯曲应力。当 L3D 时，弯曲与扭转应力的合成应力不超过压缩应力的 1015，故可以只按照压缩应力计算。=A （ MPa）PSmaxbc式中 A与卷筒有关的系数；表 3-4 系数 A 的选择卷绕层数 n 1 2 3 4系数 A 1 14 18 2钢丝绳最大静拉力，单位 N；maxSP卷筒绳的绳距，单位 mm；（无槽 P =d）卷筒的壁厚，单位 mm；许用压应力，单位 MPa；bc其中，钢： = ， 屈服强度；bc5.1ss铸铁： = ， 抗压强度。bc2.4yy= A = 1.8 =74.64(MPa)PSmax409.826= = =333.33MPabc5.1s南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 25 页 共 73 页故有 卷筒强度满足要求。bc3.3.4 钢丝绳在卷筒上的固定纲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) 用压板固定利用压板和螺栓同定绳尾，这种方法构造简单，装拆方便，便了观察和检查，安全可靠，目前最常用，在用于多层绕时，一般采用图（3-17a）的形式。2) 用长板条固定(图 3.17c)在铸造卷筒的筒体上留有固定钢丝绳绳尾用的穿孔，在孔内装上凸头板条，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。3) 用楔子固定（图 3.17 d)钢丝绳绕在楔子上，并与楔子一起装入卷筒的楔孔内，在钢丝绳拉力作用下被楔紧。楔子的斜度般为 1：41：5，以满足自锁条件。这种方法卷筒构造复杂。不便于钢丝绳更换，但可以用于多层绕。 南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 26 页 共 73 页图 3.19 钢丝绳在卷筒上的固定4 动力装置的设计计算起重及冶金用三相异步电动机是用于驱动各种形式的起重机械和冶金设备中的辅助机械的专用系列产品，它具有较大的过载能力和较高的机械强度，特别适用于短时或断续周期运行、频繁起动和制动、有时过负荷及有显著的振动与冲击的设备。YZ 系列为笼型转子电动机，YZR 系列为绕线转子电动机。起重及冶金用电动机大多采用绕线转子，但对于 30kW 以下的电动机以及在起动不是很频繁而电网容量又许可满压起动的场所，也可采用笼型转子。4.1 电动机的工作制根据负荷的不同性质，电动机常用的工作制分为 S2（短时工作制） 、S3（断续周期工作制） 、S4（包括起动的断续周期性工作制） 、S5（包括电制动的断续周期工作制）四种。电动机的额定工作制为 S3，第一个工作周期为20min。电动机的基准负载持续率 JC 为 40%。这 4 种工作制简要特性如下： 连续工作制（S1 ） 电动机在恒定负荷下连续运行至绕组达到稳定温升，这种工作状态称为电动机的连续工作制，发热曲线见图 4-1a 的曲线。从图可见，当电动机通电之后绕组温升按指数曲线上升，随着电动机运行时间的增加，温升逐步接近于稳定温升，在稳定温升下电动机发出的热量基本上等于电动机向周围介质中散出的热量。对同一台电动机，负荷越大，稳定温升就越高。稳定温升不应高于该电动机绕组允许的温升，这就是这种电动机热容量选择的依据。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 27 页 共 73 页图 4.1 各工作制下的温升曲线 短时工作制（S2 ） 图 1.1a 的三条曲线表示同一台电动机在不同功率下长期连续运行时的温升曲线， ，若电动机的允许温升为，那么从图可见，这台电动机能够以功率长期连续运行；若电动机运行时间达之后长时间停歇，以使电动机绕组的温度能降到与周围介质温度相同，那么同一台电动机的允许功率为，；若运行时间缩短为，允许功率可提高到。以上情况说明了短时工作制电动机的工作特点。显然，同一规格电动机在短时工作制下运行时允许的功率比长期连续工作制时大，运行时间越短，允许功率越大。短时工作制电动机的选择也很简单，只要使实际需要的功率小于电动机在规定短期运转时间下的允许功率即可。短时工作制电动机允许功率在电动机产品目录上也有标注（在一定时间下） 。和连续工作电动机一样，这种电动机的允许功率是通过实验得到的。短期工作制的发热和冷却曲线示于图 4-1b。 断续周期工作制（S3） 这种运行方式的特点是，电动机较短时间恒负荷运行后，有一段停歇时间，但停歇时间不长，以至于绕组还为冷却至周围截至二温度，电动机又开始恒负荷运行，以后就周而复始重复这种断断续续的运行。在这种运行方式下，设启动电流对电动机绕组的温升无明显的影响，则电动机温升曲线如图 1.1c 表示。从图可见，这种电动机允许功率在连续工作制和短时工作制之间。 考虑启动电流影响的断续工作制（S4 ） ， 这种方式与 S3 类似，但在每段负荷运行的启动时间内，启动电流对电动机温升有较大影响，必须给予考南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 28 页 共 73 页虑。这一工作制的温升曲线见图 1.1d。S3，S4 工作制的电动机，一个循环时间包括一次运行和一次停歇，时间一般在 10min 以内。显然，在相同循环时间下，运行时间占循环时间的比率较大，同一电动机的允许功率小。这个时间比率称为接电持续率，通常用百分数表示，符号为 JC（%） ；当用小数表示接电持续率时，为书写方便可记为 。提升机构的负荷特点是，启动时间较短（约 1s 左右） ，只占等速运动时间很小的比例，启动时惯性载荷较小，只有满载起升静转矩的 10%20%，电动机平均启动转矩约为电动机额定转矩的 1.31.6 倍，而且远小于电动机的倾覆转矩，因此提升机构电动机可以认为是 S3 工作制。4.2 电动机的选择与校验提升机所需的稳态功率，即静功率按下式计算： wwVFP106max（4.1）式中 电动机计算功率，单位 kW；wP提升物的最大重量, 单位 N；maxF提升速度，单位 m/min；V代入数据，可得：提升总重为： = + =（4000+328.8）9.8 N = 42422.24 NmaxF物 绳= =5.66 kwwwVP106ax42.8601根据工作条件，查机械设计手册 2初选 YR 系列的电动机，型号YR160M-4由于额定工作制（即 JC=40%）下工作，功率选为为 7.5KW，转速1460r/min。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 29 页 共 73 页 电动机的发热校验：由于起重机并不总是在满载状态下工作，各种起重机的载荷情况又各不相同，国内选择起重机起升机构电动机容量时，对工作级别较低的机构，有时选择电动机 S3 时额定输出功率略小于满载提升所需功率。实践证明这样选择是正确的。现对所选电动机进行发热校验: = (4.2) QPmVG10式中 稳态平均功率(KW)；QP稳态负载平均系数，查手册选取 0.8；G提升速度，单位 m/s;Q提升重量，单位 N；m电动机数量；机构总效率.代入数据有：= = =5.32（kw） ，QPmVG10842.1065证明校验通过.电动机过载能力校验(4.3)MnmHQVP106式中 电动机转矩的允许过载倍数，查机械设计手册M考虑电压降及转矩允差及静在试验超载的系数，绕线异步电机为2.1；笼型电动机为 2.2；直流电动机为 1.4代入数据有 = =4.99KWP，校验通过。MnmHQVP1062.14.86005南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 30 页 共 73 页故所选电动机型号为 YR160M-4，其主要参数如下表 4.1 所选电动机参数型 号 额定功率/ kwedP满载转速(r/min)同步转速(r/min)转动惯量/kg转子绕组开路电压/vYR160M-4 7.5 1460 1500 0.238 250南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 31 页 共 73 页5 传动装置的设计计算减速器作为独立部件装在卷筒的内部，减速器的输入轴经多片盘式制动器与电动机相连。减速器的输出轴与卷筒固接。51 确定总的传动比由公式： i= 21n其中： 为电动机转速； 为卷筒转速。1n2n有： =1460r/min= = =4.04r/min2Dv80.63式中 D卷筒直径提升速度故提升装置总的传动比： i= = =361.39 21n460.经分析拟选用二级减速：第一级采用 2K-H（A）型行星传动,如图 5-1 所示；第二级采用 K-H-v 少齿差行星齿轮传动。如下图：第一级 2K-H 第二级 K-H-V南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 32 页 共 73 页图 5.1 一、二级减速器形式 52 多级复合轮系减速器的设计计算5.2.1 确定 2K-H（A）型传动的基本参数1. 2K-H（A）型传动比的计算初定第一级 2K-H（A）型传动比 =9, 采用非变位行星齿轮传动。根据总的i传动比，则第二级 K-H-v 型少齿差行星齿轮传动比能达到较大减速作用，为=40.15。查取 行星机构传动设计 ，采用角度变位齿轮传动中361.9i的正传动，可以凑合中心距、避免轮齿根切，减少齿轮机构的尺寸；减少齿面磨损和提高寿命，以及提高其承载能力。经分析图 5-1 减速器传动示意图，可知第一级采用 2K-H（A）型行星齿轮传动，内齿轮 3 固定不动，齿轮 1 输入时，转臂 H 输出，则有：Hni1331ziHni2112式中： 齿轮 1 的转速，单位为 r/min；1n行星架的转速，单位 r/min； H齿轮 3 的转速，单位为 r/min。3代入数据，由算得： = =1+P Hi11213zn或上式中 P 为 A 型行星机构的特性参数（也称内传动比） ，当给定传动比= 值，那么 iH1P= = -1=9-1=8 13zi南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 33 页 共 73 页特性参数 P 值应合理地进行选取，P 值太大或者太小都是不合理的。如果P 值太大，或使得 Z 值很大；或使得 Z 值很小。通常内齿圈 3 的尺寸是受到减31速器总体尺寸的限制。为了不过分地增大其外形尺寸，故 Z 值不能很大。而中心轮 1 的尺寸应考虑到其齿数 Z 受到最少齿数 Z 的限制，以及转轴装入齿轮1min1 内的可能性，故 Z 值不能很小。另外，P 值接近于 1 也是不允许的，因为这1样会使得行星轮 2 的尺寸太小。一般，应选取 P=38。本次取 P 等于 8，在其范围内。2.选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数1）按如图 6-1 所示的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。2）提升机为一般的工作机器，速度较低，故选用 7 级精度（GB 10095-88） 。3）材料的选择由表 10-1 选择齿轮 1 材料为 40 （调质后表面淬火） ，硬度为 280HBS。rC齿轮 2 材料为 45 钢（调质后表面淬火） ，硬度为 240HBS；内齿轮的为 45 钢（调质后表面淬火） ，硬度为 200HBS，二者材料相差 2040HBS。4）在行星齿轮传动中,初选齿轮齿数 =221z3.确定内齿圈、行星轮的齿数和验算传动比的误差由式可得= 3z11zip由上式可知，当选定最小齿数 时，便容易求得内齿轮 3 的齿数 值。 3z=8 221763z其传动比误差为 0，所以， =176。据同心条件可求得行星轮 2 的齿数为=77312192ziz齿轮 2 =772z4. 计算